Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, neue Erkenntnisse im Bereich des Druck-Durchsatz-Verhaltens der Feststoffförderzone von Einschnecken-extrudern sowie der dafür aufzubringenden Antriebsleistung aufzuzeigen und in eine Modellierung zu überführen. Dazu werden numerische 3D Simulationen eingesetzt, welche eine hochauflösende Erfassung einzelner Partikel-bewegungen im realitätsnahen Extrusionsumfeld erlauben. Gegenüber konventionellen Modellen lassen sich so Teilfüllungseffekte, Relativbewegungen im Feststoffblock usw. berücksichtigen. Für die Analyse der genannten Effekte sind experimentelle Untersuchungen sowie zahlreiche Simulationen durchgeführt worden. Materialseitig sind hier die Stoßzahl und die Reibwerte der unterschiedlichen Kontaktpaarungen relevant. Weiterhin müssen die Kunststoffgranulate in ihrer Form eindeutig charakterisiert und in das Simulationsumfeld überführt werden. Mit erfolgreicher Umsetzung sind anschließend die Simulationen unter Berücksichtigung weiterer Einflussgrößen wie Prozess- und Geometrieparametern in einem Versuchsplan ausgewertet worden. Im Ergebnis lassen sich Teilfüllungseffekte eindeutig nachweisen und durch die Überführung in ein Kombinationsmodell im Druck-Durchsatz-Verhalten berücksichtigen. Im Bereich der für die Feststoffförderzone bereitzustellenden Antriebsleistung zeigt sich, dass diese 10% der gesamten Leistung eines Einschneckenextruders ausmacht und somit relevant für die Auslegung ist. Weiterhin untersucht und in ein mathematisches Modell überführt worden sind die Einflüsse von Material-, Granulat-, Prozess- und Geometrieparametern. Zu guter Letzt konnten mit Hilfe eines konzipierten Prüfstands beide aufgestellten Modelle zufriedenstellend mit der Praxis abgeglichen werden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Berechnung und Simulation von Feststoffförderprozessen in Einschneckenextrudern mit Befüllungsproblemen. Am Beispiel von PET-Flakes wird gezeigt, dass, analog zu regelmäßig geformten Granulaten, auch für sehr unregelmäßige Rezyklate die Schüttdichte des Materials der durchsatzbestimmende Parameter ist. Für den Ausrieseldurchsatz aus runden Trichteröffnungen wird eine Berechnungsvorschrift ermittelt. Zur näheren Untersuchung von Befüllungsproblemen in der Hochgeschwindigkeitsextrusion wird die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) genutzt. Basierend auf Simulationsdaten wird ein Modell zur Beschreibung des Einriesel-durchsatzes hergeleitet und validiert. Darüber hinaus werden Maßnahmen zur Steigerung des Feststoffdurchsatzes im Hochgeschwindigkeitsbereich erarbeitet. Weiterhin wird die genutzte DEM-Software EDEM für die Simulation von Feststoffförderprozessen mit Druckaufbau nutzbar gemacht. Dazu werden Reibwerte, Stoßzahlen und ein geeignetes Kontaktmodell ermittelt. In Kompressionsuntersuchungen wird deren Eignung für eine realitätsnahe Simulation anhand des Druck-Verformungsverhaltens und der bleibenden Verformung gezeigt. In den Feststoffförderuntersuchungen mit Druckaufbau wird dies anhand der Gegendruckabhängigkeit des Durchsatzes sowie des Radialdruckverlaufs über der Schneckenlänge bestätigt. Schließlich wird gezeigt, dass die Genauigkeit von Schüttdichtesimulationen verbessert werden kann, wenn Granulate durch mehr als eine Sphäre in der Simulation abgebildet werden. In Fördersimulationen kann dieser Effekt nicht bestätigt werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Prozessverhalten von Einschneckenextrudern. Im Fokus steht dabei das Einzugsverhalten schnelllaufender Maschinen und dessen Verbesserung sowie die Untersuchung der Auswirkung des Schmelzedrucks auf die Viskosität und die daraus resultierende Massetemperaturänderung.
Die Feststoffförderung wird mittels der Discrete Element Method (DEM), einer numerischen Partikelsimulationssoftware untersucht. Dabei wird der Einfluss verschiedener geometrischer Änderungen im Einfüllbereich des Extruders auf den Füllgrad der Schneckengänge beobachtet. Die so entwickelten Zusammenhänge werden mit Hilfe der Dimensionsanalyse und statistischer Auswertung in ein entsprechendes mathematisches Modell überführt und anhand eines Versuchsstands und der Auslegung einer Einfüllzone für einen 30mm Laborextruder überprüft.
Zur Analyse der Druckabhängigkeit der Viskosität und der Berechnung eines Verschiebungsfaktors wurden existierende mathematische Grundlagen zu einem Rechenweg verknüpft, der auf Basis eines pvt Diagramms die Ermittlung eines Druckverschiebungsfaktors erlaubt. Die Gültigkeit dieses Faktors wurde durch den Vergleich mit isobar gemessenen Viskositätskurven dargelegt. Anschließend wurden derartige Viskositätswerte zur Nachrechnung des Einflusses des Druckniveaus beim stationärem Betrieb eines Einschneckenextruders genutzt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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