Ganzheitliches 3D-Modell der Kunststoffförderung im Extruder

Das Institut für Kunststofftechnik (IKT, Universität Stuttgart) unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. C. Bonten und die Forschungseinrichtung CFDEMresearch (Linz) unter der Leitung von Dr. C. Kloss und Dr. C. Goniva arbeiten an einem neuen komplementären Forschungsansatz zur Durchsatzsteigerung im Einschneckenextruder unter Berücksichtigung der Produktqualität. In der Kunststoffverarbeitung werden mit Einschneckenextrudern Profile, Rohre, Platten, Folien, Kabeln und noch viele andere Produkte unter anderem für die Verpackungs-, Elektro- , Bau- und Automobilindustrie hergestellt. Der Einschneckenextruder ist eine kontinuierlich arbeitende Produktionsmaschine. Die Optimierung konzentriert sich häufig auf eine Durchsatzsteigerung bei gleichzeitig hoher Produktqualität.Rein experimentelle Optimierungsversuche des Prozesses sind mit erheblichen Kosten verbunden, was die Umsetzung von neuen Ideen sehr stark einschränkt. Simulationsmodelle tragen dagegen erheblich zur Effizienzsteigerung bei. So kann beispielsweise mit Hilfe von dreidimensionalen Simulationsmethoden der Einzug von Granulat in den Einschneckenextruder soweit optimiert werden, dass der Durchsatz deutlich gesteigert wird. Diese bestehenden Ansätze sind aber nur bedingt in die Praxis übertragbar, da eine Durchsatzsteigerung alleine keine Produktqualität sicherstellt. Das eingezogene Granulat muss in der nachfolgenden Zone komplett aufgeschmolzen und homogenisiert werden. Aktuell existiert kein ganzheitlicher Ansatz zur Modellierung der Einzugszone gemeinsam mit der Aufschmelzzone. Das Ziel diesesForschungsvorhabens istes, eine neue Simulationsmethode aufzustellen, dieeine ganzheitliche Betrachtung im Einschneckenextruder ermöglicht. Die Herausforderung bei der Modellierung besteht daraus, dass im Einzugsbereich diskrete Kunststoffpartikel vorliegen, während in der weiteren Zone ein Gemisch von Feststoff und Schmelze gefördert wird. Die Kopplung beider vorliegender Phasen soll in der open-source Simulationsumgebung CFDEMcoupling über ein neues Aufschmelzmodell erfolgen, das erstmals im Rahmen dieses Forschungsvorhabens aufgestellt und in die Simulationsumgebung implementiert werden soll. Dabei werden numerische Methoden eingesetzt, um die komplexen Vorgänge im Inneren des Extruders abbilden zu können. Die allgemeine Gültigkeit der neuen Simulationsmethode soll zum einen an einer speziellen Versuchseinrichtung und zum anderen an zwei verschiedenen Einschneckenextruderbauarten nachgewiesen werden. Ist die neue Simulationsmethode erstmal einsatzfähig, könnte die Designoptimierung der Einzugszone und der Schnecke eines Einschneckenextruders erheblich effizienter werden. Dies würde auch den Verarbeitungsprozess selbst derart verbessern, dass eine Durchsatzsteigerung erzielt werden kann, bei gleichzeitig hoher Produktqualität und einer kompakten Bauweise des Extruders.

Ziel des DACH Kooperationsprojekts mit FWF Projektnummer I3202 zwischen Prof. Christian Bonten (Institut für Kunststofftechnik, Universität Stuttgart) und Dr. Christoph Goniva (DCS Computing GmbH) war die Entwicklung und experimentelle Validierung eines neuartigen CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics / Numerische Strömungsmechanik - Diskrete Elemente Methode) Modells für Simulation der Kunststoffschmelzung in einem Einschneckenextruder. Während CFD-DEM bereits in vielen Bereichen Anwendung findet, ist ihr Einsatz in der CAE (Computer Aided Design) von Kunststoffextrusionsprozessen aufgrund der hohen Komplexität der involvierten Phänomene, zu denen das Aufschmelzen des Plastikgranulats sowie die dynamische Interaktion zweier nicht-mischbarer Fluide (Kunststoff und Luft) und dem Kunststoffgranulat gehören, kaum verbreitet. Aufgrund dieser hohen Anforderungen wurde eine Reihe neuartiger Funktionalitäten für das CFD-DEM Modell verwendet, unter anderem die Behandlung der physikalischen Interaktion zwischen drei Phasen (Luft, Feststoff, geschmolzene Partikel) durch einen gekoppelten VOF-Solver (Volume of Fluid Solver), die heterogene Temperaturverteilung innerhalb eines Partikels und die Darstellung des Aufschmelzens eines Partikels. Das Modell wurde basierend auf der existierenden Simulationssoftware CFDEMcoupling entwickelt und anhand von experimentellen Ergebnissen, die von den Kooperationspartnern am IKT zur Verfügung gestellt wurden, kalibriert und validiert. Die gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation zeig die ausgezeichnete Eignung von CFD-DEM für die Untersuchung der Kunststoffschmelzung in einem Einschneckenextruder und ebnet den Weg für zukünftige Entwicklungen in diesem Gebiet.