Design und Optimierung von Wave-Dispersions Schnecken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442260345

Inhalte: Die Einschneckenextrusion zählt zu den Kernkompetenzen der Kunststoffverarbeitung. Vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Rahmenbedingungen stellt die Durchsatzsteigerung der Verarbeitungsmaschinen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Schmelzequalität eines der vorrangigen Entwicklungsziele vieler Maschinenhersteller dar. Dies erfordert neben einer zielgerichteten Schneckenauslegung vor allem ein tiefes Verständnis der Vorgänge im Extruder. Im angestrebten Lead-Agency Forschungsantrag soll das Konzept der Wave-Dispersions-Schnecken im Detail betrachtet werden. Um ein vertieftes Verständnis für die komplexen Vorgänge in Wave-Dispersions-Schnecken zu generieren, wird eine neue Modellierung des Prozessverhalten mit Hilfe von 3D-CFD-Simulationen entwickelt und durch experimentelle Untersuchungen an Glattrohr- (KTP) und Nutbuchsenextrudern (IPEC) validiert. Hierdurch wird ein breites Spektrum an möglichen Extrusionsverfahren abgedeckt. Dies wird eine genauere Berechnung der Wave-Dispersions-Schnecken im Vergleich zu den bisherigen analytisch vereinfachten Modellen des Prozessverhaltens ermöglichen und somit das Auslegen dieser Schnecken optimieren, damit sie ihr Potenzial voll ausschöpfen können.Hypothesen und Methoden:Es werden 3D-CFD-Simulationen auf zwei Arten durchgeführt. Einerseits wird ein datengetriebenes Druck-/Durchsatzmodell durch eine Vielzahl von schmelzedominierten Strömungssimulationen in kurzen gekrümmten Schneckenkanälen erzeugt (IPEC). Andererseits wird ein nicht-isothermes 3D-CFD-Simulationsmodell, das auch das Aufschmelzen des Kunststoffes berücksichtigt, erstellt und für die Analyse der verschiedenen Wave-Dispersions-Schnecken verwendet (KTP). Darüber hinaus werden Konstruktionsrichtlinien für gängige Materialtypen entwickelt, die auf diesen verarbeitet werden. Mithilfe der Modelle lassen sich die hohen Anforderungen an den Einschneckenextruder hinsichtlich Ausstoßleistung und Schmelzequalität erfüllen. Darüber hinaus werden experimentelle Studien an 45mm Einschneckenextrudern durchgeführt, um die Modelle zu validieren.Innovation und Neuigkeitsgehalt:Die wenigen wissenschaftlichen Arbeiten zu oben genannten Thema lassen viele Fragen offen und zeigen, dass der Inhalt dieses Antrags von hoher Relevanz ist. Es hat sich gezeigt, dass Wave-Dispersions-Schnecken zu einem höheren Durchsatz und einer besseren Schmelzehomogenität führen können. Allerdings sind die analytischen Berechnungsmodelle für die Auslegung nicht ausreichend und weisen einen Mangel an Präzision auf. Da das behandelte Schneckenkonzept allerdings genau konzipiert werden muss, damit die Vorteile voll ausgeschöpft werden, ist es das Ziel die Expertise auf dem Gebiet der Modellierung und Simulation des KTP, Paderborn und des IPEC, Linz zu neuen Modellierungsansätzen zusammenzuführen, die die Genauigkeit der Berechnung deutlich steigern. Dies führt zu einem sicheren Auslegen und Anwenden von Wave-Dispersions-Schnecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Dr. Wolfgang Roland