Auslegung und Optimierung von Wave-Dispersions Schnecken

Die Einschneckenextrusion ist das mengenmäßig bedeutendste Verfahren der Kunststoffindustrie: Pro Jahr werden damit weltweit mehr als 114 Millionen Tonnen an Kunststoffen verarbeitet. Dies entspricht in etwa einem Drittel der jährlichen Gesamtproduktion an Kunststoffen. Beim Extrudieren werden in einem kontinuierlichen Verarbeitungsprozess granuläre oder pulverförmige Kunststoffe durch eine rotierende Förderschnecke in einem beheizten Zylinder verdichtet, aufgeschmolzen und homogenisiert. Die Kunststoffschmelze wird im Anschluss durch eine Düse gepresst, ausgeformt und abgekühlt. Die Verarbeitungsmöglichkeiten reichen von der Folien-, Profil-, Rohr-, Platten- bis hin zur Faserextrusion. Neben der Herstellung von Halbzeugen werden Einschneckenextruder zusätzlic h beim Recycling, Spritzgießen und Blasformen eingesetzt. Vor dem Hintergrund ökonomischer Rahmenbedingungen stellt die Durchsatzsteigerung bei gleichzeitiger Sicherstellung einer hohen Schmelzequalität ein wesentliches Entwicklungsziel von Maschinenbauern und Kunststoffverarbeitern dar. Um die stetig steigenden Anforderungen zu erfüllen, wurden in der Vergangenheit eine Vielzahl von Förderschnecken entwickelt. Während einige dieser Konzepte bereits bis ins Detail erforscht wurden, gelingt es bei anderen aufgrund von mangelndem Prozessverständnis nicht das volle Verarbeitungspotential auszunutzen. Um hier zukünftig einen nachhaltig wertvollen Beitrag zu leisten, untersucht das vorliegende Forschungsprojekt, das in Kooperation mit der Kunststofftechnik Paderborn (Universität Paderborn) durchgeführt wird, die Funktionsweise von sogenannten Wave-Schnecken. Diese üblicherweise mehrgängigen Förderschnecken zeichnen sich durch ein alternierendes Gangtiefenprofil aus, welc hes im Vergleich zu traditionellen Förderschnecken eine verbesserte Mischperformance und somit eine erhöhte Homogenität der Kunststoffschmelze auch bei hohen Durchsätzen hervorruft. Bisher haben sich nur wenige wissenschaftliche Forschungsarbeiten mit dem Prozessverhalten von Wave- Schnecken beschäftigt. Dies ist vorwiegend durch die komplexe Geometrie der Förderschnecke begründet. Traditionelle Auslegungsstrategien basierten daher meist auf experimentellen Trial-And- Error Versuchen. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es unter Einsatz von Strömungssimulationen, hybriden Modellierungsansätzen und experimentellen Versuchen neue Prozessmodelle für Wave- Schnecken zu entwickeln um eine zielgerichtete Auslegung und Prozessoptimierung zu ermöglic hen. Besonderer Fokus wird dabei auf die Verarbeitungsschritte Aufschmelzen, Schmelzeförderung und Mischen gelegt. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes sollen das Verständnis für die physikalischen Transportvorgänge in Wave-Schnecken vertiefen und die Werkzeuge für eine systematische, model-basierte Analyse der Förderschnecken zur Verfügung stellen.

Einschneckenextruder werden zur Formgebung verschiedenster Kunststoffprodukte wie Rohren, Schläuchen, Folien und Platten eingesetzt. Die steigenden Anforderungen an diese Maschinen hinsichtlich Produktivität, Produktqualität und Energieeffizienz lassen sich mit herkömmlichen Plastifizierschnecken immer schwieriger realisieren. Eine vielversprechende Lösung ist der Einsatz sogenannter Wellen-Dispersions-Schnecken: Durch ihr namensgebendes wellenförmiges Gangtiefenprofil ermöglichen diese auch bei hohen Durchsätzen eine gute Durchmischung der Kunststoffschmelze bei verhältnismäßig geringem Energiebedarf. Für eine zielgerichtete Auslegung dieser Schnecken fehlt es allerdings bisher an Berechnungsmodellen, die die Strömungsverhältnisse im Extruder hinreichend genau abbilden und in einer vertretbaren Zeit aussagekräftige Ergebnisse liefern. Daher kann das hohe Potenzial von Wellen-Dispersions-Schnecken in der kunststoffverarbeitenden Industrie kaum ausgeschöpft werden. Mit dem Ziel, diese Wissenslücke zu schließen, wurde in diesem Forschungsprojekt ein bestehender Berechnungsansatz weiterentwickelt, der die Schmelzeförderung in Einschneckenextrudern über ein Netzwerk aus miteinander verschalteten Schneckenelementen abbildet. Dieser Ansatz ist in der Lage, Querschnittsänderungen in Förderrichtung und das Überströmen der Schneckenstege in Wellen-Dispersions-Schnecken zu erfassen, und benötigt im Vergleich zu vollständig dreidimensionalen Strömungssimulationen weitaus kürzere Rechenzeiten. Um das Betriebsverhalten der einzelnen Abschnitte entlang der Schnecke genauer zu beschreiben, wurden für die lokale Förderwirkung und den lokalen Energieeintrag Näherungsgleichungen mit erweitertem Gültigkeitsbereich hergeleitet. Diese Gleichungen basieren auf dreidimensionalen Strömungssimulationen, die den Einfluss des scherverdünnenden Fließverhaltens von Kunststoffschmelzen auf das räumliche Strömungsfeld beinhalten, ein breites Prozessfenster von druckerzeugenden bis hin zu stark druckverbrauchenden Schneckenzonen abdecken, und erstmalig den Einfluss der Kanalkrümmung vollständig berücksichtigen. Sowohl die Schmelzeförderung im Kanal als auch die Leckströmung über die Schneckenstege können mit den neuen Gleichungen weitaus realistischer abgebildet werden, was durch eine Fehleranalyse belegt ist. Mit den erweiterten Modellgleichungen konnte auch eine bessere Übereinstimmung der netzwerkbasierten Berechnung mit experimentell ermittelten Prozessdaten erreicht werden. Die verbesserte Vorhersagegenauigkeit der Netzwerk-Berechnung eröffnet aufgrund der kurzen Rechenzeiten vielversprechende Möglichkeiten, um zeitnah gültige Aussagen über das Betriebsverhalten von Wellen-Dispersions-Schnecken zu treffen. Damit lässt sich sowohl die Fehlerbehebung bei laufenden Extrusionsprozessen als auch die Entwicklung neuer Schneckendesigns beschleunigen. Die damit einhergehenden Effizienzsteigerungen und Qualitätsverbesserungen können zu einer wirtschaftlicheren und nachhaltigeren Produktion vieler Kunststofferzeugnisse beitragen.