Optimierung und gezielte Auslegung von temperierten Einschnecken in der Kunststoffverarbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es, die in zwei vorangehenden DFG-Projekten gewonnenen Erkenntnisse für industrielle Prozesse nutzbar zu machen und hierdurch bestehende Extrusionsprozesse zu verbessern. Dies geschah in Kooperation mit den beiden Unternehmen Troester und Windmöller & Hölscher. In den ersten beiden Arbeitspaketen bestand die Zielsetzung darin, experimentelle Daten extern und intern temperierter Einschneckenprozesse mit einem Schneckendurchmesser von mehr als 45 mm zu gewinnen und diese für die Validierung der in den vorherigen Projekten erstellten Berechnungsmodelle zu nutzen. Die Untersuchungen wurden hierbei auf einem 70 mm-Extruder des Typs Varex im Technikum eines Anwendungspartners durchgeführt. Bei der Verwendung einer externen Schneckentemperierung wurde die Vorlauftemperatur des Kühlmediums, sowie die Schneckendrehzahl variiert. Die Ergebnisse zeigten sowohl eine messbare Senkung der Massetemperatur im Bereich der Schneckenspitze um 3 °C als auch die Gültigkeit der im vorherigen Projekt abgeleiteten Berechnungsmodelle, da sich die experimentellen Daten in einer nachgeschalteten Simulation mit der Software REX verifizieren ließen. Bei der internen Variante wurden zusätzlich unterschiedliche Polymere bei variabler Drehzahl, variablem Gegendruck sowie verschiedenen Längen und Positionen der Temperierbohrung untersucht. Es zeigte sich ebenfalls, dass eine Abkühlung der Massetemperatur an der Schneckenspitze durch die Verwendung einer Schneckentemperierung im Bereich von 3 °C möglich ist. Ferner ließen sich die Prozesse mit den in beiden DFG-Projekten erstellten Berechnungsmodelle mit akzeptabler Genauigkeit simulieren. Im weiteren Verlauf des Projektes wurden die verschiedenen Einflüsse auf eine interne Schneckentemperierung untersucht und quantifiziert. Die dazu sowohl im Technikum eines Anwendungspartners als auch im Technikum des KTP durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass vor allem die in die Bohrung eingebrachte Füllmenge sowie die Position und Länge der Temperierbohrung einen großen Effekt auf das System haben. Dabei begünstigen höhere Füllgrade sowie eine große Bohrungslänge den Wärmeaustauschprozess effektiver. Im Gegenzug zeigten die Untersuchungen mit und ohne Evakuierung der Bohrung keine nennenswerte Verbesserung der Arbeitsweise der Temperierung. Im vorletzten Arbeitspunkt des Projektes wurde die Temperierwirkung der verwendeten 70 mm- Schnecke weiterführend optimiert. Hierzu ist in die vorliegende Bohrung ein Kupferwärmerohr mit einer Kapillarstruktur eingebracht worden, durch welches eine Massetemperatursenkung um bis zu 5 °C realisiert werden konnte. Ferner wurde eine Schnecke für den Extruder im Technikum des KTP speziell für die Verwendung mit einer internen Schneckentemperierung ausgelegt. Vorrangig wurde hier darauf bedacht, sowohl die Dicke des Schneckengrunds und damit den Wärmewiderstand zu minimieren als auch die von der Schneckenspitze zugeführte Wärme sinnvoll dem Aufschmelzbereich zuzuführen. Als abschließendes Arbeitspaket sollte das Verarbeitungsspektrum der entwickelten Schnecken mit Innentemperierung untersucht werden. Hierbei ließ sich beobachten, dass die während der Verarbeitung von LDPE und LLDPE oben beschriebenen Effekte einer Temperaturabsenkung im Bereich der Schneckenspitze zu einem entgegengesetzten Effekt bei der Verarbeitung von PP führten. Der Grund hierfür ist in der unterschiedlichen Feststoffreibung bzw. den unterschiedlichen Aufschmelzlängen der beiden Materialien zu suchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
„Temperature calculation for extruder screws with internal heat pipe“, PPS 2013, Nürnberg
Schöppner, V.; Lakemeyer, C.
-
„Temperature calculation for extruder screws with internal heat pipe“, Proceedings zur PPS 2013, Nürnberg
Schöppner, V.; Lakemeyer, C.
