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Die Extruderschnecke hat einen maßgeblichen Einfluss auf den Extrusionsprozess und ist entscheidend dafür, ob eine Extrusionsanlage anforderungsgerecht funktioniert. Allerdings stellt die Auslegung der Schneckengeometrie bis heute eine große Schwierigkeit dar.

Unvollständiges Wissen über die Abläufe im Extruder lässt eine präzise Vorhersage über die Auswirkung der Schneckengeometrie auf die Verarbeitung eines Materials oftmals nicht zu.

Der Auslegungsprozess wird deshalb von „Trial and Error“ Verfahren dominiert. Dieses verursacht lange Entwicklungszeiten und enorme Kosten. Das Erfahrungswissen eines Experten spielt eine entscheidende Rolle. Diese Tatsache stellt insbesondere bei Neuanwendungen ein Problem dar, denn hier kann ein Konstrukteur die Gestalt der Schneckengeometrie nur grob abschätzen. Analytische und numerische Berechnungsprogramme bilden ein weiteres Standbein im Auslegungsprozess. Diese liefern jedoch aufgrund sehr starker Vereinfachungen ein Ergebnis über die Geometrie, welches mit einer erheblichen Unsicherheit behaftet ist.

3D Simulation der Aufschmelzzone

Mit dem Einsatz derzeitiger Auslegungsmethoden erweisen sich Schneckenkonzepte oftmals als ungeeignet. Kostspielige Iterationsschleifen oder sogar eine vollständige Neukonstruktion der Extruderschnecke können die Folgen sein. Um solche kostspieligen Iterationsschleifen zu vermeiden und den Auslegungsprozess weiter zu optimieren wird am Institut für Kunststoffverarbeitung in Aachen aktuell ein Forschungsvorhaben mit dem Ziel bearbeitet, in einem helixförmigen Schneckenkanal den Aufschmelzprozess mit Strömungssimulationen zu modellieren. Hieraus kann ein besseres Verständnis über die Abläufe im Extruder gewonnen werden und wie sich diese Abläufe durch die Gestaltung der Schneckengeometrie beeinflussen lassen.

Um das Aufschmelzverhalten im Einschneckenextruder zu berechnen, wird ein vollständig dreidimensionales Berechnungsmodell verwendet. Der helixförmige Schneckenkanal der Extruderschnecke wird als Rechenraum abgebildet und durch Anwendung entsprechender Vernetzungsalgorithmen in Finite Volumen unterteilt. Der Schneckenkanal wird durch vier Flächen eingeschlossen: die Schneckenoberfläche (Bild 1), die Zylinderoberfläche sowie die Einlass- und die Auslassoberfläche. Das Schneckenspiel zwischen Schneckenflanken und Zylinder wird ebenfalls berücksichtigt. Der Schneckenkanal hat eine konstante Gangtiefe von 7 mm.

Der Schneckendurchmesser beträgt 60 mm. Zur Umsetzung der Schneckenrotation wird ein rotierendes Relativsystem eingeführt, welches sich mit einer Rotationsgeschwindigkeit gleich der Schneckendrehzahl bewegt. Die Schneckenoberfläche besitzt im Relativsystem keine Freiheitsgrade während die Zylinderoberfläche im Absolutsystem keine Freiheitsgrade hat. Die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie der Strömungsmechanik werden anhand des numerischen Näherungsverfahrens der Finiten Volumen Methode gelöst.

Dazu wird das Softwareprogramm Fluent des Unternehmens Ansys, Canonsburg, USA eingesetzt. Die Lösungsgleichungen werden unter stationären und nicht-isothermen Bedingungen gelöst. Von grundlegender Bedeutung für eine aussagekräftige Simulation ist die Modellierung des Materialverhaltens. Relevante Kennwerte sind zum einen rheologische Kennwerte zur Beschreibung des Fließverhaltens der Schmelze, zum anderen thermische Werkstoffkennwerte zur Beschreibung des Aufschmelzvorgangs des Kunststoffgranulates. Für die Modellierung des Aufschmelzverhaltens wird ein Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) der Firma Lyondell Basell, Ludwigshafen, betrachtet. Um das Materialverhalten abzubilden, werden die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität als temperaturabhängiger Kurvenverlauf implementiert. Eine weitere wichtige Materialkenngröße ist die Viskosität, welche das Fließverhalten des Materials charakterisiert.

Diese Kenngröße wird für den Schmelzeanteil scher- und temperaturabhängig nach dem Carreau-Ansatz beschrieben. Für den Feststoffanteil wird ein hoher konstanter Wert gewählt, sodass das Feststoffbett in einem Berechnungsprogramm für Strömungsanalysen als ein hoch-viskoses Fluid abgebildet werden kann und als „Blockströmung“ durch den Schneckenkanal gefördert wird. Die Modellierung des Feststoffbettes als ein hoch-viskoses Medium in einem relativ dynamischen System birgt allerdings zwei Herausforderungen und führt zu einem in der Höhe begrenzt wählbaren Viskositätswert. Ein zu hoch gewählter Viskositätswert wirkt sich negativ auf die Stabilität der numerischen Berechnung aus, da zum einen die Diskontinuität in der Viskositätsfunktion zu groß wird, zum anderen aber auch zu hohe Kräfte sowie eine zu hohe Dissipationswärme im Rechenraum generiert werden.

Vorhersage des Aufschmelzverhaltens

Die Simulation liefert lokale Informationen über Druck, Geschwindigkeit und Temperatur im gesamten Rechengebiet und verschafft Einblick in das Aufschmelzverhalten. Die Lage und Form des Feststoffbettes im Schneckenkanal kann dreidimensional betrachtet werden (Bild 2). Zur Auswertung wird ein Schnitt durch die Schneckengeometrie parallel zur Förderrichtung gelegt. Eine Betrachtung der Viskositätsverteilung in den sich daraus ergebenden Querschnitten entlang des Schneckenkanals zeigt das Aufschmelzverhalten im Schneckenkanal (Bild 3).

Rot gekennzeichnete Bereiche entsprechen dem Feststoffbett. Die blau gekennzeichneten Bereiche bilden den Schmelzeanteil ab. Um das errechnete Aufschmelzverhalten zu verifizieren, wird das bekannte Aufschmelzmodell von Maddock aus der Literatur herangezogen. Die berechnete Form und Lage des Feststoffbettes deutet auf die charakteristischen Aufschmelzmechanismen von Maddock hin: Das Feststoffbett schmilzt überwiegend in der Nähe der Zylinderwand auf.

Die Feststoffbetttiefe bleibt konstant, während die Feststoffbettbreite kontinuierlich entlang des Schneckenkanals abnimmt. Die im Kanal entstehende Druckverteilung schiebt das Feststoffbett in die Nähe der passiven Flanke. Zusätzlich kann der Einfluss der Umströmung des Feststoffbettes und der Rückströmung über die Schneckenstege sowie das Phänomen der Ausbildung eines Schmelzewirbels in der Nähe der aktiven Flanke beobachtet und analysiert werden.

Die Aufschmelzzone erstreckt sich über einen sehr großen Teil der Extruderschnecke. Ihre Länge ist abhängig von der Schneckengeometrie, den Betriebsbedingungen sowie von den Materialeigenschaften des Polymers. Aufgrund der Vielzahl an Einflussgrößen ist die Länge der Aufschmelzzone nur schwer vorhersagbar, jedoch eine entscheidende Kenngröße für den Konstrukteur, da diese einen maßgeblichen Einfluss auf die Leistung eines Extruders sowie auf die Qualität der ausgestoßenen Schmelze hat.

Eine Hilfestellung bietet die am IKV entwickelte Simulationsmethode. Hiermit kann beispielsweise durch das Variieren der Schneckendrehzahl oder des Werkzeug-Gegendruckes die entsprechende Aufschmelzlänge vorhergesagt werden, wie in Bild 4 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass die Aufschmelzlänge bei abnehmendem Werkzeug-Gegendruck und steigender Schneckendrehzahl zunimmt.

Vorgestellt auf dem 26. Internationalen Kunststofftechnische Kolloquium 2012 und im IGF-Forschungsvorhaben Nr.16513N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung entstanden. Das Vorhaben wird über die AiF/IGF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. Allen Institutionen gilt unser Dank.

 

Technik im Detail

Auslegung der Aufschmelzzone

Für die Qualität der ausgestoßenen Schmelze und damit die des extrudierten Kunststoffproduktes spielt das Design der Schneckengeometrie eine entscheidende Rolle, denn die Geometrie nimmt direkten Einfluss auf das Aufschmelzverhalten im Extruder. Bei der konventionellen Schneckenauslegung sind jedoch die Auswirkungen der Schneckengeometrie auf das Aufschmelzverhalten schwer zu beurteilen. Die vorgestellte Simulationsmethode zur dreidimensionalen Modellierung des Aufschmelzverhaltens in einem Einschneckenextruder bietet eine Möglichkeit, den Einfluss der Schneckengeometrie und der Prozessgrößen auf den Aufschmelzvorgang zu analysieren und den Auslegungsprozess zu optimieren.

Autor

Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann Dipl.-Ing. Sebastian Grammel