Modellierung transienter Vorgänge in Hochleistungsextrudern

Die Einschneckenextrusion ist eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung vielfältiger Kunststoffprodukte wie Rohre, Folien, Platten, Profile oder Beschichtungen. Auch zur Wiederaufbereitung von Kunststoffabfällen wird sie häufig eingesetzt. Mit einem jährlichen Materialumsatz von über 100 Millionen Tonnen weltweit leistet sie einen wesentlichen Beitrag zur Wertschöpfung in Österreich und zur Erfüllung der Recyclingquoten in der EU. Zentrales Element ist der Extruder: eine rotierende Schnecke in einem ruhenden Zylinder, die Kunststoffgranulat oder -pulver aufnimmt, fördert, aufschmilzt, homogenisiert und durch eine formgebende Düse presst. Steigende Anforderungen an Produktivität und Qualität bringen herkömmliche Schneckendesigns zunehmend an ihre Grenzen insbesondere bei der Verarbeitung hitzeempfindlicher Kunststoffe aus erneuerbaren Quellen mit schwankender Qualität. Komplexe Hochleistungs-Einschneckenextruder ermöglichen eine schonende und energieeffiziente Verarbeitung auch bei hohen Durchsätzen, sind jedoch empfindlicher gegenüber Prozessstörungen wie Verstopfungen, Chargenschwankungen oder Materialwechsel. Daher sind robuste Schneckendesigns erforderlich, die auch zeitliche Prozessänderungen berücksichtigen. Ziel dieses Kooperationsprojekts mit der Universität Paderborn ist die Entwicklung von neuen Simulationsmodellen, die das zeitabhängige Förder- und Aufschmelzverhalten solcher Extruder zuverlässig abbilden. Dieser Aspekt ist bislang unzureichend erforscht und in bestehenden Modellen kaum berücksichtigt. Als Lösungsansatz werden zwei Berechnungscodes zur Feststoff- und Schmelzeförderung gezielt erweitert, um zeitliche Schwankungen, Reibungsverhältnisse und Verweilzeiten im Schneckenkanal genauer zu erfassen. Damit werden anschließend praxisnahe Szenarien wie Druck-, Temperatur- und Durchsatzschwankungen durch Verstopfung oder Materialwechsel untersucht. Die Simulationsergebnisse werden zudem durch Echtzeitmessungen an Versuchsanlagen auf ihre Gültigkeit überprüft. Auf Basis der Modelle sollen Richtlinien für verbesserte Schneckendesigns und Prozesseinstellungen erarbeitet werden, die einen stabilen, effizienten und materialschonenden Betrieb selbst bei hohen Durchsätzen dauerhaft ermöglichen. Zudem soll eine sinnvolle Anwendung der unterschiedlich rechenintensiven Berechnungsansätze in verschiedenen Phasen der Lösungsfindung vorgeschlagen werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse und fortschrittlichen Modelle sollen Kunststoffingenieuren künftig helfen, fundierte Entscheidungen und Optimierungen auch für anspruchsvolle Extrusionsbedingungen schneller zu treffen. Dies wird zu Zeit-, Kosten- und Ressourceneinsparungen sowie zu einer wettbewerbsfähigeren und nachhaltigeren Kunststoffindustrie nach europäischen Standards beitragen.