Analysing and modelling the melting behavior of planetary roller extruders
Final Report Abstract
Extrusion und Compoundierung thermoplastischer Kunststoffe sind wesentliche Schritte bei der Produktion von Halbzeugen und Formteilen. Aufgrund der gestiegenen Qualitätsanforderung und dem Trend hin zur Kostensenkung durch Prozessoptimierung kommt dem Aufbereitungsprozess besondere Bedeutung zu. Das Ziel der Aufbereitung liegt vorrangig in der optimalen Einmischung von Zuschlagstoffen in die Kunststoffmatrix. Der Planetwalzenextruder stellt in diesem Zusammenhang ein Maschinensystem dar, welches aufgrund seiner ausgezeichneten Homogenisier- und Dispergiereigenschaften, sowie der geringen Scherbeanspruchung des Materials und des engen Verweilzeitspektrums besonders gut für diese Aufgaben geeignet ist. Physikalisch-mathematische Modelle die das Prozessverhalten von Ein- und Doppelschneckenextrudern beschreiben, werden in der wissenschaftlichen Literatur bereits seit vielen Jahren diskutiert und in der Maschinenauslegung angewandt. Für Planetwalzenextruder sind in den letzten Jahren erste Modelle für das Prozessverhalten publiziert worden. Diese vernachlässigen aber das Aufschmelzen des Kunststoffes und sind somit nur für reine Schmelzeförderung gültig. In diesem Projekt ist deshalb das Aufschmelzverhalten von Kunststoffen auf Planetwalzenextrudern untersucht worden. Darauf aufbauend wurden erstmalig physikalischmathematischen Modelle zur Beschreibung der Aufschmelzvorgänge entwickelt. In experimentellen Untersuchungen wurden zunächst die grundlegenden Aufschmelzmechanismen geklärt. Dabei konnte gezeigt werden, dass das Aufschmelzen vorwiegend im ersten Planetwalzenmodul stattfindet. Zu Beginn wird das Granulat über Archmidesförderung transportiert. Dabei kommt es zu einer Temperaturerhöhung von Granulaten mit Kontakt zu heißen Metallflächen. Erreichen diese Granulate die Aufschmelztemperatur des Materials, bildet sich ein Schmelzefilm aus. Dieser hüllt die restlichen Partikel ein und es kommt zu einem dispersen Aufschmelzen. Alternativ findet ebenfalls disperses Aufschmelzen statt, wenn Feststoff in den vollgefüllten Bereich am Ende das Planetwalzenmoduls eintritt. Für Pulver findet ebenfalls ein disperses Aufschmelzen statt, allerdings bilden sich hier Pulvercluster, die als eine Kugel abschmelzen. Diese Mechanismen sind prinzipiell auch für Doppelschneckenextruder bekannt, so dass die grundlegenden Aufschmelzmodelle auf den PWE übertragen werden konnten. Hierzu wurden die prozessbeschreibenden Gleichungen an die Geometrie- und Geschwindigkeitsverhältnisse des Planetwalzenextruders angepasst. Die entwickelten Modelle wurden dann in die PWE Simulationssoftware SimPla integriert. Der Einfluss von Füllstoffen in den Granulaten kann dabei über die Materialdaten wiedergegeben werden. Ein Vergleich mit Validierungsexperimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung für die berechneten Aufschmelzlängen, Leistungen und Temperaturen.
Publications
- Simulation des Prozessverhaltens von Planetwalzenextrudern, Jahrestreffen der Fachgemeinschaft Prozess-, Apparate- und Anlagentechnik, Dortmund, 2012
Rudloff, J., Kretschmer, K., Heidemeyer, P., Bastian, M., Koch, M.
- A mathematical model describing the solid conveying and melting behavior of planetary roller extuders. Proceedings of the Polymer Processing Society 29th Annual Meeting PPS-29, Nürnberg, 2013
Rudloff, J., Lang, M., Kretschmer K., Heidemeyer P., Bastian M., Koch M.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4873850) - Materialschonend Plastifizieren und Homogenisieren mittels Planetwalzenextruder, 1. Fachsymposium zur Verarbeitung von Biokunststoffen, Würzburg, 2013
Rudloff, J.
- Prozesssimulation von Planetwalzenextrudern, 8. Würzburger Compoundiertage, Würzburg, 2013
Rudloff, J.
- Analysis of the Process Behavior for Planetary Roller Extruders, 58th Ilmenau Scientific Colloquium - Technische Universität Ilmenau, 08 – 12 Sep. 2014
Rudloff J., Lang M., Kretschmer K., Heidemeyer P., Bastian M., Koch M.
