Automatisierte Optimierung von Wendelscher- und Mischteilen für Einschneckenextruder

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Bonten
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441921604

Bei der Verarbeitung von Kunststoffen in diversen Extrusionsanlagen kommen aufgrund ihres konstanten und vom Werkzeugwiderstand unabhängigen Förderverhaltens vermehrt Einschneckenextruder mit einer genuteten Einzugszone zum Einsatz. Aufgrund der hohen spezifischen Durchsätze werden bei diesen Hochleistungsextrudern am Schneckenende Mischteile eingesetzt, die die thermische und stoffliche Homogenität der Schmelze sicherstellen sollen. Eine große Herausforderung stellt hierbei die Auslegung dieser Mischteile unter Beachtung verschiedener Randbedingungen, die in Wechselwirkung zueinanderstehen, dar. Eine rein experimentelle Auslegung von Mischteilen ist deshalb sehr zeit- und kostenintensiv. Auch lässt der standardmäßig ausgeführte Versuchsaufbau keinen detaillierten Einblick in die Mischvorgänge zu. In diesem Fall ist das Mischteil quasi eine Blackbox, die auf Änderungen im Prozess und in den Stoffeigenschaften des zu verarbeitenden Werkstoffs unberechenbar reagiert. Eine Alternative zur rein experimentellen Auslegung von Mischteilen stellt die numerische Strömungssimulation dar. Leider sind die bisher eingesetzten Methoden zur Vorhersage der Mischgüte eines Mischteils mit erheblichen Nachteilen verbunden, sodass diese zur virtuellen Auslegung nicht geeignet sind. Dies wurde bereits in der Literatur und auch im Rahmen eigener Vorarbeiten verifiziert. An der Forschungsstelle des Antragstellers wurde in den letzten Jahren am aktuellen Stand der Technik weitergeforscht, sodass heute neue und verifizierte Simulationsmodelle zur Verfügung stehen, die eine ganzheitliche Betrachtung des Mischprozesses im Sinne des distributiven und dispersiven Mischvermögens erlauben.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Bereitstellung eines Werkzeugs, das eine Mischergeometrie hinsichtlich der distributiven und dispersiven Mischgüte, innerhalb eines wirtschaftlichen Zeitrahmens automatisiert optimiert. Neben der Mischgüte sollen auch strömungsmechanische sowie thermische Zustandsgrößen im Mischer, wie Druckverlust, Verweilzeiten und Schmelzetemperaturen in die Optimierung einfließen. Innerhalb einer umfangreichen Validierung der Optimierungsumgebung mit einem speziellen Versuchsaufbau, der auch eine örtliche Auswertung der Mischgüte innerhalb des Mischteils zulässt, soll auch die allgemeine Gültigkeit des Simulationswerkzeugs unter verschiedenen Rahmenbedingungen verifiziert werden. Abschließend soll diese neue Methode mit verschiedenen standardmäßigen Alternativen verglichen und ihre Vor- und Nachteile ausgearbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen