Mechanik des Feststoffbetts in Einschneckenextrudern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 454736302

Neben dem Fördern und Homogenisieren ist die Aufgabe eines Einschnecken-Plastifizierextruders, die zu verarbeitenden Kunststoffe vom festen in den schmelzeförmigen Zustand zu überführen. Dabei wird der als Granulat, Pulver oder Mahlgut vorliegende Kunststoff unter Einwirkung von Wärmeleitung durch den Zylinder sowie durch Dissipation aufgeschmolzen, um den Schmelzeanteil entlang des Schneckenkanals kontinuierlich zu erhöhen. Ziel ist einerseits, den Kunststoff rechtzeitig vollständig aufzuschmelzen, um innerhalb der verbleibenden Verfahrenslänge ein nachfolgendes thermisches und stoffliches Homogenisieren der erzeugten Schmelze gewährleisten zu können. Andererseits sollte das vollständige Aufschmelzen bezogen auf die Schneckenlänge nicht zu früh erfolgen, da die Schmelze sonst thermisch geschädigt wird. Nur so können in den Nachfolgeeinrichtungen des Extruders qualitativ einwandfreie Produkte hergestellt werden. Um die benötigte Aufschmelzlänge rechnerisch vorhersagen zu können, sind in der Vergangenheit eine Vielzahl von Modellen entwickelt worden. Hierbei wird meist angenommen, dass sich zwischen dem kompaktierten Feststoff und beheiztem Zylinder ein Schmelzefilm bildet, der bei ausreichender radialer Dicke vom Schneckensteg abgeschabt wird und in den sogenannten Schmelzewirbel fließt. Der Ort, an dem sich erstmalig ein solcher Schmelzewirbel ausbildet, wird Ort der Schmelzewirbelbildung (OSW) genannt. Wesentlich für die Modellierung des Aufschmelzens ist die Interaktion zwischen dem Feststoffbett, dem Schmelzefilm am Zylinder und dem Schmelzewirbel sowie dem Schneckenkanal und Zylinder.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die Berechnungsgenauigkeit des Aufschmelzverhaltens in Einschneckenextrudern unter besonderer Berücksichtigung der Mechanik des Feststoffbettes zu verbessern. Dies soll geschehen, indem zwei bislang auf theoretischer Ebene unzureichend geklärte Fragestellungen bearbeitet werden.Zum einen ist dies die Frage, wie sich die Geschwindigkeit des Feststoffbettes in Kompressionszonen von Einschneckenextrudern verändert, wenn die Gültigkeit des Aufschmelzmodells nach MADDOCK vorausgesetzt wird. Dazu werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, bei denen mithilfe verschiedener Schneckengeometrien und Granulatabmessungen gezielt Einfluss auf die Feststoffbettgeschwindigkeit genommen wird.Zum anderen stellt sich die Frage, wann der Gültigkeitsbereich dieses Modells in Abhängigkeit der Prozessparameter endet und stattdessen ein disperses Aufschmelzmodell angenommen werden muss. Der Gültigkeitsbereich soll untersucht werden, indem die Belastungen auf das Feststoffbett im Extrusionsprozess mittels eines vorhandenen theoretischen Modells mit experimentell zu ermittelnden Festigkeiten an Schüttgutproben verglichen werden. Die Festigkeiten werden unter prozessnahen Bedingungen in einem Ringschergerät ermittelt, welches in diesem Forschungsvorhaben modifiziert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen