Effects of grooves on processing conditions within grooved plasticizing units in single screw extrusion
Final Report Abstract
In dem vorliegenden Forschungsvorhaben wurde die Aufschmelzzone von Einschneckenextrudern mit durchgehend genuteter Plastifizierzone (EEgP) untersucht. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen wurde der Einfluss der Nuten auf den ablaufenden Aufschmelzmechanismus spezifiziert, getroffene Modellannahmen auf Ihre Gültigkeit hin bewertet und ein bestehendes analytisches Berechnungsmodell erweitert. In einem ersten Schritt wurde ein axial-teilbarer (wendelgenuteter) EEgP entwickelt, konstruiert, von der Helix GmbH, Winnenden, Deutschland, gefertigt und im Technikum am Institut für Kunststofftechnik (IKT) an der Universität Stuttgart aufgebaut. Durch einen Vergleich mit einem baugleichen (geschlossenen) Zylinder konnte bestätigt werden, dass die axiale Trennebene keinen Einfluss auf den Extrusionsprozess hat. Allerdings besitzt der axial-teilbaren Extruders (verglichen mit dem geschlossenen Zylinder) ein höheres Temperaturniveau in der Einzugszone sowie ein geringeres Temperaturniveau in der Aufschmelz- und Meteringzone. Dies begrenzt die maximal möglichen Drehzahlen (und Höhe der absoluten Innendrücke) im Extrusionsprozess. Anhand der visuellen Untersuchungen der Aufschmelzzone konnte der zugrundeliegende Aufschmelzmechanismus auch für wendelgenutete Zylinder experimentell untersucht werden. Diese zeigen ein identisches Verhalten verglichen mit axialgenuteten Systemen aus vorherigen Untersuchungen. Somit wurde bestätigt, dass die Orientierung der Nuten keinen signifikanten Einfluss auf die Anwendung des Berechnungsmodells hat. Die Plausibilität der getroffenen Modellannahmen konnte durch die Visualisierungsversuche für die gewählten Betriebspunkte bestätigt werden. Aufgrund einer Vielzahl an verschiedenen (sich gegenseitig beeinflussenden) Faktoren im Prozess können diese jedoch abschließend weder allgemeingültig validiert noch widerlegt werden. Es wird daher weiterhin davon ausgegangen, dass die getroffenen Modellannahmen weiterhin ihre Gültigkeit besitzen, auch wenn diese den Prozess zum Teil stark vereinfachen. Zumal die meisten Modellannahmen eine analytische Berechnung überhaupt ermöglichen und verglichen mit (komplexeren, aber oftmals auch genaueren) numerischen 3D-Simulationen eine Variation verschiedener Parameter in kürzester Zeit ermöglicht. Abgesehen von der Untersuchung der Aufschmelzleistung bietet der entwickelte axial-teilbare Zylinder auch weitere Analysemöglichkeiten in der Einschneckenextrusion, wie bspw. eine rheologische Untersuchung entlang des Extrusionsprozess. Das Berechnungsmodell bildet qualitativ den Verlauf des experimentell ermittelten prozentualen Feststoffanteils ab. Liegen die prozentualen Abweichungen zwischen Modell und Experiment bei höheren Drehzahlen im unteren zweistelligen Bereich, so werden diese größer für geringere Drehzahlen. Generell ist festzuhalten, dass die quantitativ berechneten Werte der prozentualen Feststoffanteile nicht isoliert betrachtet werden dürfen. Das Modell kann jedoch die Aufschmelzrate bei Variation verschiedener Eingangsparameter einfach und schnell abschätzen. Zudem wurde im Rahmen des Forschungsprojekts eine anwenderfreundliche grafische Oberfläche in Matlab geschaffen, die es auch unerfahrenen Matlabnutzern ermöglicht, eine Parametervariationen automatisiert zu rechnen. Für quantitative Berechnungen hingegen sollten aufgrund der komplexen verfahrenstechnischen Gegebenheiten in EEgP zukünftig leistungsstarke numerische Simulationsmethoden entwickelt werden.
Publications
- Analysis of a Single-Screw Extruder with a Grooved Plasticizing Barrel – Experimental Investigation. In: International Polymer Processing, Band 34, Ausgabe 1, S. 143-150, 2019
Kettemann, J.; Avila-Alfaro, J. A.; Bonten, C.
(See online at https://doi.org/10.3139/217.3732) - Experimental investigation and improved modeling of the melting process in single-screw extruders with a grooved plasticizing barrel. In: AIP Conference Proceedings 2055(1):070015, 2019
Kettemann, J.; Avila-Alfaro, J. A.; Bonten, C.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5084859) - Licht ins Dunkel bringen – Aufschmelzleistung in genuteten Plastifizierzylinder vorhersagen. In: Kunststoffe, Nr. 1/2018, S. 55-59, 2019
Kettemann, J.; Avila-Alfaro, J. A.; Bonten, C.
