Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienanlagen mittels integrativer Prozessmodelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes war es, die Ergebnisse einer simulationsgestützten Optimierung der Blasfolienkühlung in eine reale Produktionsumgebung zu transferieren, um damit eine Leistungssteigerung an einer industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienanlage zu realisieren. Das bei der Optimierung verwendete integrative Simulationsmodell wurde in vorangegangen Forschungsprojekten am Institut für Produkt Engineering an der Universität Duisburg-Essen entwickelt und in verschiedenen experimentellen Untersuchungen im Labormaßstab validiert. Durch die Kopplung einer CFD-Simulation mit einem mechanischen Ersatzmodell zur Beschreibung der Blasfolienkontur in einem iterativen Simulationsablauf kann die dynamische Interaktion zwischen der strömenden Kühlluft und der flexiblen Folienblase beschrieben werden. So ermöglicht das sogenannte Prozessmodell die Vorhersage und Berechnung des unter realen Abkühlbedingungen ablaufenden Schlauchbildungsprozesses. Folglich kann es zur Analyse und Optimierung der Folienkühlung genutzt werden und stellt somit ein geeignetes Werkzeug zur Identifizierung von Potenzialen zur Leistungssteigerung dar. Ausgangspunkt für die Optimierung war ein in Abstimmung mit dem Kooperationspartner – der Mondi Gronau GmbH (zu Projektbeginn noch Mondi Consumer Packaging Technologies GmbH) – ausgewählter Referenzproduktionsprozess. Aufgrund des symmetrischen Folienaufbaus, der geringen Foliendicke und den vergleichbaren Polymereigenschaften konnte der betreffende dreischichtige Folienverbund in ausreichender Genauigkeit durch eine repräsentative Monofolie approximiert werden. Um eine bestmögliche Abbildungsgüte des Modells zu gewährleisten, wurden kalorische und thermorheologische Materialeigenschaften für das Referenzmaterial gemessen und dem Simulationsmodell als Eingangsdaten zur Verfügung gestellt. Zur Bestimmung einiger Modellparameter ist zudem eine prozessangepasste Kalibrierung erforderlich. Diese wurde anhand des Referenzbetriebspunktes durchgeführt. Da das Prozessmodell bisher für den Einsatz im Labormaßstab konzipiert war, mussten zudem Anpassungen hinsichtlich der Überführung auf den Produktionsmaßstab durchgeführt werden. Diese umfassen insbesondere die Erweiterung der Berechnungsdomain und die Integration der Blaseninnenkühlung sowie damit verbundene Anpassungen der programmierten Schnittstellen zur Datenübergabe zwischen den Modulen CFD-Simulation und Folienkonturberechnung. Die Optimierung des Kühlsystems fokussierte sich – in Abstimmung mit dem Kooperationspartner – auf die Integration eines zweiten passiven Kühlluftführungselementes in das bestehende Kühlsystem. Der damit angestrebte Nutzen basiert auf dem sogenannten Venturi- Effekt, der sich zwischen dem Führungselement und der Folienblase einstellt. Durch einen lokalen Unterdruck wird Umgebungsluft unterhalb des Führungselementes angesaugt, welche den primären Kühlluftstrahl verstärkt und damit zu einem verbesserten Wärmeübergang respektive einer intensiveren Folienkühlung beiträgt. Zudem wird die Folienblase in Richtung des Führungselementes gesogen und dadurch stabilisiert. Innerhalb der virtuellen Optimierung wurde eine Parameterstudie zur Identifizierung einer geeigneten Positionierung des Führungselementes durchgeführt. Die anschließende experimentelle Untersuchung mit dem optimierten Kühlsystem hat das Potenzial zur Leistungssteigerung bestätigt. Bei ansonsten unveränderten Prozessrandbedingungen konnte die Ausstoßleistung der Blasfolienanlage im Vergleich zur Referenz zunächst um 5 % gesteigert werden. Zudem konnte eine weitere Steigerung des Durchsatzes auf 10 % bei geringfügiger Anpassung der Kühlleistung erzielt werden. Die Qualität der Folie – bewertet anhand gemessener Dickenprofile – entsprach dabei stets den Mindestanforderungen, sodass die Leistungssteigerung unter Produktionsbedingungen erreicht wurde. Aus der simulationsgestützten Analyse der sich ausbildenden Kühlluftströmung wurde die Idee für ein neuartiges Kühlkonzept, die sogenannte Sekundärluftkühlung, abgeleitet. Die Absicht hierbei ist die gezielte Bereitstellung von konditionierter Sekundärluft zur Unterstützung der auftretenden Strömungsphänomene, wie dem beschriebenen Ansaugeffekt. Dadurch soll die Folienkühlung intensiviert und gleichzeitig unkontrollierbare Einflüsse aus der Umgebung im Bereich der Schlauchbildungszone reduziert bzw. eliminiert werden. Zwei unterschiedliche Konzepte zur Sekundärluftkühlung konnten im Labormaßstab simulationsgestützt und experimentell erarbeitet bzw. erprobt werden. In Bezug auf die Intensivierung der Folienkühlung konnte lediglich eine bedingte Einsetzbarkeit gezeigt werden. Neben dem Ziel der Leistungssteigerung stellte sich zudem die Herausforderung des Transfers zwischen Labor- und Produktionsmaßstab im Hinblick auf Prozesszustände und resultierende Folieneigenschaften als relevant heraus. Vor diesem Hintergrund wurde eine prozessorientierte Scaleup/Scale-down Strategie für den Blasfolienextrusionsprozess erarbeitet. Unter der Voraussetzung, dass ähnliche Verstreck- und Abkühlbedingungen während der Schlauchbildung gewährleistet werden, lassen sich mit diesem Ansatz Betriebspunkte zwischen Anlagen unterschiedlicher Größe übertragen. Im Rahmen zweier experimenteller Scale-down-Studien konnte anhand ausgewählter mechanischer Folieneigenschaften die Anwendbarkeit des Ansatzes bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Simulation of an Industrial High Capacity Blown Film Extrusion Process, SPE ANTEC, Indianapolis, USA (2016)
Neubert, B.; Wortberg, J.
- A New Scale-up/Scale-down Method for the Blown Film Extrusion, PPS-33, Cancun, Mexico (2017)
Neubert, B.; Dohm, C.; Wortberg, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5121659) - Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienanlagen mittels integrativer Prozessmodelle, 14. Duisburger Extrusionstagung, Duisburg (2017)
Neubert, B.; Wortberg, J.
- Computer Aided Output Improvement of a High Capacity Blown Film Extrusion Line, SPE ANTEC, Anaheim, USA (2017)
Neubert, B.; Wortberg, J.
- A Process-oriented Scale-up/Scale-down Strategy for Industrial Blown Film Processes: Theory and Experiments, Journal of Plastic Film & Sheeting, 34.3, (2018), S. 324-349
Neubert, B.; Dohm, C.; Wortberg, J.; Janßen, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1177/8756087917741926) - Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienextrusionsanlagen mittels integrativer Prozessmodelle, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, Duisburg (2018)
Neubert, B.
- Using Secondary Air Cooling In Blown Film Extrusion: Concept Design and Experimental Study, SPE ANTEC, Detroit, USA (2019)
Dohm, C.; Wortberg, J.; Schiffers, R.
