Automatisierte Auslegung und Optimierung von dynamischen Misch- und Scherteilen für Einschneckenextruder

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Stefanie Elgeti; Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327074219

Misch- und Scherelemente finden aufgrund der Forderung nach immer höheren Durchsätzen bei gleichbleibender Homogenität der Kunststoffschmelze vermehrt Einsatz in Einschneckenextrudern. Aufgabe von Misch- und Scherteilen ist es, Additive und Füllstoffe gleichmäßig in der Kunststoffschmelze zu zerteilen und verteilen sowie die Schmelze thermisch zu homogenisieren. Die Auslegung von Mischteilen basiert bislang auf dem Erfahrungswissen des Schneckenbauers. Einen wesentlich detaillierteren Einblick in die Mischprozesse können dagegen dreidimensionale Strömungssimulationen geben. Bisherige Ansätze zur Simulation von Mischvorgängen in Extrudern weisen allerdings oftmals große Einschränkungen auf und werden in der Regel nur für die exemplarische Bewertung einzelner Mischteile eingesetzt. Schwierigkeiten ergeben sicheinerseits bei der Wahl einer geeigneten Mischkennzahl. Andererseits stellt der bislang hohe Aufwand bei der numerischen Optimierung von Mischteilen ein Hindernis für den Einsatz von Strömungssimulationen in der Auslegungsphase dar. So steht bislang keine Software für die automatisierte Optimierung von Mischteilen zur Verfügung.Vor diesem Hintergrund ist es das Ziel dieses Vorhabens, ein entsprechendes Optimierungs-framework zu entwickeln, welches eine automatische simulative Auslegung und Optimierung von Misch- und Scherelementen in Einschneckenextrudern ermöglicht, und mit diesem Erkenntnisse über eine ideale Mischteilgeometrie in Abhängigkeit des Mischziels zu gewinnen. Dazu wird der hauseigene Strömungssolver des Antragsstellers CATS so erweitert, dass damit die nicht-isothermen Mischprozesse in der Schmelzezone des Extruders abgebildet werden können. Der modifizierte Solver wird anschließend in eine Optimierungsroutine integriert. Währenddessen wird das IKV mithilfe eines Vergleichs von Simulationsergebnissen und experimentellen Referenzdaten geeignete Modellierungsrandbedingungen für eine realitätsnahe 3D-Simulation von komplexen Mischteilen ermitteln. Im nächsten Schritt wird das IKV mithilfe eines simulativen Vergleichs verschiedener Mischkennzahlen diejenigen Kennzahlen identifizieren, die für die Mischteilauslegung besonders gut geeignet sind. Diese Mischkennzahlen werden im Optimierungsframework zu einem einzigen Zielfunktional zusammengeführt. Darüber hinaus wird das IKV die Wirkzusammenhänge zwischen der Mischteilgeometrie und den resultierenden Strömungsverhältnissen simulativ analysieren und charakterisieren. Dieser Erkenntnisgewinn fließt in das Optimierungsframework ein und erleichtert die Identifikation geeigneter Mischteilbereiche, die für die Optimierung freigegeben werden. Nach erfolgreicher Implementierung des Optimierungsframeworks wird dieses vom IKV und CATS dazu genutzt, eine Mischteilsequenz zu entwickeln und zu optimieren, die für ein besonders breites Anwendungsspektrum geeignet ist. Der entwickelte Mischer wird schließlich gefertigt und zur praktischen Validierung des Optimierungsframeworks herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen