Instationäre Feststoffförderung in Einschneckenmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schöppner
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502078131

Ein großer Teil der heute produzierten Kunststoff-Produkte wird im Laufe seines Herstellungs-Zyklus auf einer Einschneckenmaschine verarbeitet und für ein nachfolgendes Urformverfahren vorbereitet. Dies umfasst sowohl die kontinuierliche Herstellung von Rohren, Profilen oder Folien mithilfe eines Einschnecken-Plastifizierextruders im Extrusionsverfahren als auch die diskontinuierliche Herstellung von Formteilen mithilfe eines Plastifizieraggregates im Spritzgießverfahren. Unabhängig von der Arbeitsweise ist es die Aufgabe der Einschneckenmaschine, den meist granulatförmig vorliegenden Rohstoff einzuziehen, als Feststoff zu fördern, zu plastifizieren und in einen thermisch und stofflich homogenen Schmelzestrom zu überführen.Bei Einschneckenmaschinen mit glattem Zylinder ist bei der Auslegung der Schnecken üblich, davon auszugehen, dass der Durchsatz von den Zonen bestimmt wird, die Schmelze fördern. Allerdings trifft diese Annahme bei großen Drehzahlen, geringen Schüttdichten des zugeführten Kunststoffs und kleinen Schneckendurchmessern, wie sie bei Plastifizieraggregaten in einer Spritzgießmaschine zu finden sind, nicht mehr zu. Stattdessen müssen die Funktionszonen der Schnecke, in denen Feststoffförderung stattfindet, genauer betrachtet werden. Neben der Durchsatzleistung kann die Feststoffförderzone bei falscher Auslegung auch entscheidend die Qualität der hergestellten Produkte mindern, wenn z. B. Luft, die in den Prozess eingezogen wird, nicht wieder entweichen kann und sich im Produkt als Lufteinschluss wiederfindet. Dies trifft besonders auf Spritzgieß-Plastifizieraggregate zu, da die axiale Bewegung der Schnecke während der Dosierphase den Einzug der Granulate behindert.Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist, die Qualität der mathematischen Beschreibung und das allgemeine Prozessverständnis der Feststoffförderung in Spritzgieß-Plastifizieraggregaten unter Zuhilfenahme von numerischen DEM-Simulationen deutlich zu steigern.Dies soll erreicht werden, indem ungeklärte Fragestellungen beantwortet werden, welche auf die verfahrenstechnischen Besonderheiten des Spritzgieß-Plastifizieraggregats im Vergleich zu einem Plastifizierextruder zurückzuführen sind. Im Wesentlichen ist hier die abweichende Kinematik der Schnecke und darauf folgende Unsicherheiten bei der Beschreibung der Strömungsvorgänge des Granulats in der Einzugszone zu nennen. Durch die Berücksichtigung dieser kinematischen Besonderheiten, durch systematische Variation von Einflussgrößen mittels statistischer Versuchsplanung in den DEM-Simulationen und durch eine darauf aufbauende Modellierung kann die Feststoffförderung in Spritzgieß-Plastifizieraggregaten ganzheitlich und mit deutlich weniger Vereinfachungen als bislang erfasst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen