Simulation und Modellierung des Druckverlustes industrieller Polymerschmelzefilter in Abhängigkeit verschiedener Prozessbedingungen sowie deren Verschmutzung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 350745971

Die Extrusion ist eines der wichtigsten Verarbeitungsverfahren in der Kunststoffverarbeitung. Eine Hauptanforderung an den Extrusionsprozess stellt dabei eine gleichbleibende Produktqualität dar. Diese Produktqualität ist direkt abhängig von der Schmelzequalität im Verarbeitungsprozess. Bei der Kunststoffverarbeitung kann es aus verschiedensten Gründen zu einer Verunreinigung des zu verarbeitenden Materials kommen. Diese Kontamination kann die Schmelzequalität negativ beeinflussen. Infolge immer höher werdender Qualitätsanforderungen an Extrusionsprodukte, vor allem im Bereich der Faser- und Folienextrusion, ist die Filtration von Kunststoffschmelzen daher heute weit verbreitet.Die verfahrenstechnische Auslegung von Filtersystemen, das Wissen über den resultierenden Druckverlust und das Verschmutzungsverhalten eingesetzter Filterelemente sind wichtige Grundlagen für eine optimale Prozessführung und somit auch für eine hohe Schmelzequalität. In der Praxis werden Filtersysteme häufig noch anhand langjährig gesammelter Erfahrungswerte ausgelegt. Berechnungen des Druckverlustes erfolgen in diesem Zusammenhang oft noch auf Grundlage allgemeiner Berechnungen poröser Medien.Das vorrangige Ziel dieses beantragten Forschungsprojektes besteht darin, die Strömungssituation eines Polymerschmelzefilters während des Extrusionsprozesses mit Hilfe von CFD-Simulationen in kleinem Maßstab abzubilden. Dieser kleine Maßstab soll dann auf relevante Größen hochgerechnet werden. Die zentrale Zielgröße stellt dabei der resultierende Druckverlust des Filtermediums dar. Dabei soll das strukturviskose Materialverhalten von Kunststoffen berücksichtigt werden. Dazu sollen Geometriedaten von verschiedenen Filtergeweben im CAD-Format erstellt, und dann mit Hilfe einer CFD-Simulation auf ihren Druckverlust hin untersucht werden. Diese Simulationen sollen anhand von experimentellen Untersuchungen validiert und optimiert werden, um eine möglichst realitätsnahe Berechnung des Druckverlustes durch ein Filtermedium zu erhalten.Im zweiten Schritt soll die Verschmutzung eines Filters mit Feststoffpartikeln analysiert werden. Hierzu soll das Ablagerungsverhalten der Partikel am Filtermedium mit Hilfe einer DEM-Simulation berechnet und der veränderte Strömungsquerschnitt des Filters wieder an die Strömungssimulation übergeben werden. Hierdurch sollen die Verschmutzung und der daraus resultierende Druckanstieg am Filter simulativ abgebildet werden können. Am Ende des Forschungsvorhabens soll zudem geprüft werden, inwieweit sich die Erkenntnisse zur Simulation einer Filterverschmutzung auf weiche Verschmutzungen, sogenannte Gele, übertragen lassen. Hierzu soll geprüft werden, ob sich das Verhalten von Gelpartikeln mit einer DEM-Simulation abbilden lässt. Die Simulation und experimentelle Untersuchung der Verschmutzung mit Gelpartikeln kann dann im Rahmen einer Verlängerung des beantragten Forschungsvorhabens durchgeführt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen