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Der richtige Dreh für Simulationen - Neuer Ansatz zur Validierung des Energieeintrag bei Doppelschneckenextrudern

21/09/2020

Das Kunststoff-Zentrum SKZ und das Institut Kunststofftechnik der Universität Paderborn (KTP) kooperieren in einem neuen Forschungs-projekt. Ziel dieses Vorhabens ist es, das Verständnis des axial-ortsaufgelösten Energieeintrags entlang der Extruderschnecke zu er-weitern. Hierzu soll eine Kombination aus Messtechnikentwicklung und Prozessmodellierung die Vorhersagegenauigkeit des berechneten Energieeintrages verbessern.

Eine kostenfreie Beteiligung der Industrie am projektbegleitenden Aus-schuss ist ausdrücklich erwünscht. Interessierte Firmen können sich hierzu gerne an die Forschungseinrichtungen wenden.

Doppelschneckenextruder sind häufig modular aufgebaut. Hierdurch ergeben sich eine Vielzahl an möglichen Schneckenkonfigurationen. Die Auswahl einer geeigneten Konfiguration und passender Pro-zessparameter ist eine zentrale Herausforderung für Maschinenherstel-ler und Compoundeure. Als wesentlicher Bestandteil der Entwick-lungsprozesse werden heutzutage computerunterstütze Verfahren ein-gesetzt, um die Auslegung der Prozesse zu vereinfachen. Viele Pro-zessgrößen können bereits durch entsprechende Software mit guter Übereinstimmung vorhergesagt werden. Die bisher möglichen Berech-nungen des Energieeintrags sind allerdings fehlerbehaftet. So sind in wissenschaftlichen Untersuchungen für übliche Schneckengeometrien und Materialsysteme bei der Leistungsberechnung Abweichungen zum Experiment von 10 bis 20 % zu verzeichnen. Bei komplexeren Schne-cken und Rezepturen können Abweichungen von bis zu 50 % zwischen Berechnung und Messung auftreten. Dies führt zu zeit- und kos-tenintensiven Validierungen, Verzögerungen in der Produktion sowie zu einem hohe Energie- und Materialeinsatz.

Bislang ist nur eine integrale Betrachtung des Energieeintrags über die Gesamtschneckenlänge möglich. Die Energieeinträge innerhalb der einzelnen Schneckenzonen sind nicht bekannt. Die in diesem Vorhaben zu entwickelnde, ortsaufgelöste Drehmomentmessung entlang der Schnecke beruht dabei auf der Bestimmung der Schneckentorsion. Hierzu werden an zwei Stellen über der Extruderschnecke z. B. die Massedrücke bestimmt. Auf diese Weise ergibt sich aufgrund des Druckanstiegs beim Passieren des Schneckenstegs ein charakteristi-scher Verlauf. Tritt zwischen den beiden Messstellen an der Schnecke ein Drehmoment auf, so ergibt sich infolge der Torsion eine zeitliche Verschiebung im linear-elastischen Bereich zwischen den beiden Messverläufen.

Das Projekt wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministeri-um für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen 21056 N).

Doppelschneckenextruder

Modular aufgebaute Extruderschnecken bieten eine große Vielfalt an Auslegungsmöglichkeiten. Computerunterstütze Verfahren helfen bei der optimalen Schneckenkonfiguration. Diese Verfahren sind jedoch bei der Simulation des Energieeintrags aufgrund der derzeit fehlenden Validierungsmöglichkeit fehlerbehaftet.