Berechnung der Granulatförderung in genuteten Einzugsbuchsen unter Berücksichtigung der veränderten Förderbedingungen in schnelllaufenden Einschneckenextrudern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423276016

Die Einschneckenextrusion spielt bei der Produktion von Kunststoffprodukten eine übergeordnete Rolle, weil sie insbesondere für Produkte eingesetzt wird, die in großen Mengen kostengünstig hergestellt werden sollen. In den vergangenen Jahren haben sog. schnelllaufende Extruder, bei denen eine höhere Ausstoßleistung durch höhere Schneckendrehzahlen erzielt wird, an Bedeutung gewonnen. Insbesondere in der Blasfolienextrusion und anderen Massenproduktionsprozessen ergibt sich ein großes Einsatzpotential für schnelllaufende Einschneckenextruder geringer Baugröße. Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit dem Prozessverständnis, der Optimierung und der Simulation schnelllaufender Einschneckenextruder. Allerdings stoßen konventionelle Auslegungsansätze an ihre Grenzen, da die zugrundeliegenden Annahmen und Vereinfachungen ihre Gültigkeit verlieren. Es sind daher verbesserte Berechnungsansätze erforderlich, um diese Systeme zuverlässig auszulegen.Dies gilt insbesondere für das seit langem bekannte Phänomen, dass der drehzahlspezifische Massedurchsatz von Einschneckenextrudern bei steigender Drehzahl sinkt. Für den Einsatz im herkömmlichen Drehzahlbereich existieren bereits zahlreiche konstruktive Lösungen, um diese Abnahme zu unterbinden. Diese stoßen bei schnelllaufenden Systemen allerdings auch an ihre Grenzen. Unabhängig von Bemühungen, den spezifischen Durchsatz auch bei hohen Drehzahlen auf möglichst hohem Niveau zu halten, ist es von maßgeblicher Bedeutung, die auftretenden Effekte rechnerisch berücksichtigen zu können. Die Auslegung der Einzugszone von genuteten Extrudern erfolgt in der Praxis üblicherweise anhand der axialen Fördergeschwindigkeit, der freien Querschnittsfläche in der Schnecke und der Schüttdichte des Granulats. Wird dies allerdings für schnelllaufende Extruder herangezogen, obwohl kein linearer Zusammenhang zwischen Drehzahl und Durchsatz mehr gegeben ist, führt dies zu einer fehlerhaften Auslegung der Extrusionseinheit, da die rechnerische Auslegung den tatsächlichen Durchsatz des Extruders überschätzt. Existierende Korrekturansätze erfordern eine Kalibrierung von physikalisch nicht interpretierbaren Faktoren bzw. Exponenten. Diese wurden bisher für die jeweiligen Anwendungen experimentell oder simulativ bestimmt, lassen sich aber nicht ohne weiteres auf andere Schneckendurchmesser sowie andere Kunststoffgranulate übertragen.Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die bestehenden Rechenansätze so zu erweitern, dass die Berechnung des Durchsatzes bei hohen Drehzahlen auf Basis realer Größen, also sowohl den geometrischen Parametern von Schnecke und Zylinder als auch den tatsächlichen Granulat- bzw. Korneigenschaften, ermöglicht wird. Im Gegensatz zu bisherigen Korrekturansätzen, sollen keine statistischen Faktoren oder Exponenten, welche jeweils zu kalibrieren wären, verwendet werden. Auch der Einfluss der Fliehkraft auf die effektive Schüttdichte soll erstmals abgebildet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen