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11.08.2016

Aufklärung in der Schmelzzone

Messtechnik gibt neue Einblicke in den Compoundierprozess

Rotation, Scherung, Wärme und Druck – soweit ist klar, was es zum Compoundieren von Kunststoffen mithilfe von Doppelschneckenextrudern braucht. Aus Forschungssicht blieb bisher allerdings die Frage unbeantwortet, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone wirken. Wissenschaftlern aus dem Leistungsfeld Polymertechnik des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Damrstadt, ist es gelungen, mit neuen Messtechniken einen Einblick in diese Prozesse zu gewinnen.

Mehr dazu auf der K 2016 , Halle 7, Fraunhofer-Stand SC01, Düsseldorf, 19.-26.10.2016

Die Erkenntnisse werden laut Aussage des Instituts der Industrie in Zukunft eine material- und prozessspezifischere Gestaltung der Schmelzzone ermöglichen. Unter anderem soll es bei gleicher Prozesssicherheit möglich sein, den Energieeintrag in den Kunststoff auf das notwendige Minimum zu reduzieren und den gesamten Prozess wesentlich profitabler zu gestalten. In dem optimierten Prozess wird das Polymer thermisch und mechanisch weniger beschädigt, was wiederum die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit des Produkts verbessert und die Emissionen reduziert, die durch die Verarbeitung entstehen.

Neue Messtechniken geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken (© Fraunhofer LBF)

Neue Messtechniken geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken (© Fraunhofer LBF)

Plastische Deformation wird sichtbar

Für die systematische Untersuchung des Energieeintrags in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder hat das Fraunhofer LBF ein neues Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Querschnitt der Plastifizierzone visualisieren lässt. Dazu setzen die Wissenschaftler eine Hochgeschwindigkeitskamera ein. Mit einer Auflösung von 2000 Einzelbildern pro Sekunde konnten sie erstmalig die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten darstellen, dokumentieren und bewerten.

Die Aufnahmen wurden mit einer hochauflösenden Drehmomenten-Messung kombiniert. Auf diese Weise lässt sich nun der mechanische Energieeintrag ortsaufgelöst jedem visualisierten Zustand zuordnen und die theoretische Temperaturerhöhung berechnen.

Versuchsaufbau zur Visualisierung der plastischen Deformation von Kunststoffgranulat (© Fraunhofer LBF)

Versuchsaufbau zur Visualisierung der plastischen Deformation von Kunststoffgranulat (© Fraunhofer LBF)

Polypropylen: Deformation in zwei Phasen

Mit ihrem neuen Blick in die Aufschmelzzone konnten die LBF-Wissenschaftler beispielsweise die plastische Deformation eines Polypropylengranulates beobachten und dokumentieren. Es zeigte sich, dass das Granulat durch eine massive plastische Deformation zum Fließen gebracht wird und lokal initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifiziert.

Dabei wird das Granulat zunächst zwischen der aktiven Flanke und der Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgt eine Deformation, welche in zwei Phasen eingeteilt werden kann: Zunächst wird das Granulat verdichtet und in das freie Volumen gepresst. Anschließend wird in dieses vorkompaktierte Volumen massiv Energie durch weitere plastische Deformation eingebracht. Diese Vorgänge dauern bei einer Schneckendrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute nur rund fünf Millisekunden.

Quantifizierung mittels Drehmomentmessung

Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich kommt es auch zu einer Kompression vor der aktiven Flanke. Die LBF-Wissenschaftler konnten auch zeigen, dass neben den Materialeigenschaften vor allem geometrische Aspekte, wie beispielsweise die Granulatgröße und -form sowie das freie Volumen im Knetblockbereich, einen wesentlichen Einfluss auf das Aufschmelzen haben. Die Quantifizierung erfolgt mit einer hochauflösenden Drehmomentenmessung.

Verkeilen des Granulates im Zwickelbereich, Kompression des Materials in das freie Volumen, Deformation des kompaktierten Kunststoffgranulates (© Fraunhofer LBF)

Verkeilen des Granulates im Zwickelbereich, Kompression des Materials in das freie Volumen, Deformation des kompaktierten Kunststoffgranulates (© Fraunhofer LBF)

Neben der Quantifizierung der unterschiedlichen Mechanismen liegt eine weitere Herausforderung für das Fraunhofer LBF auch in der Abbildung eines für den Anwender praktikablen Modells. In dieser Frage arbeitet das Institut eng mit der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zusammen. (me)

Weiterführende Information
  • K 2019 – Branchentreff für Kunststoff und Kautschuk

    Der Countdown zur K 2019 läuft bereits. Vom 16. bis 23. Oktober 2019 versammelt sich die Kunststoff- und Kautschukindustrie wieder auf dem Düsseldorfer Messegelände. Das Ausstellungsangebot der K umfasst die Bereiche Maschinen und Ausrüstungen, Roh- und Hilfsstoffe sowie Halbzeuge, technische Teile und verstärkte Kunststofferzeugnisse.   mehr

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