Mechanik des Feststoffbetts in Einschneckenextrudern

Abstract

Neben dem Fördern und Homogenisieren gehört das Aufschmelzen zu den Hauptaufgaben eines Plastifizierextruders. Zur Erzielung einer guten Schmelzequalität ist die korrekte Vorhersage des Aufschmelzprozesses deshalb ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung von Einschneckenextrudern. Zur Berechnung des Aufschmelzprozesses wurden daher innerhalb der letzten Jahrzehnte verschiedene Modelle entwickelt, mit denen eine Vorhersage der Aufschmelzlänge ermöglicht wird. Eines der meist zitierten Modelle ist dabei das Aufschmelzmodell von TADMOR [Tad66], dessen Modell auf den experimentellen Beobachtungen von MADDOCK [Mad59] basiert. Dieses Modell wurde in der Literatur mehrfach aufgegriffen und durch verschiedene Autoren modifiziert. Eine analytisch lösbare Modifikation des Aufschmelzmodells nach TADMOR wurde von POTENTE [PS92] entwickelt. Diese ermöglicht eine Vorhersage des gesamten Aufschmelzverlaufs bei kurzer Rechendauer. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde das Modell von POTENTE aufgegriffen und hinsichtlich wesentlicher Modellannahmen untersucht. Das Hauptziel des Forschungsvorhabens bestand darin, die Berechnungsgenauigkeit des Aufschmelzverhaltens unter besonderer Berücksichtigung der Mechanik des Feststoffbetts zu verbessern. Zentrale Untersuchungsaspekte waren die Geschwindigkeit des Feststoffbetts in Kompressionszonen sowie der Gültigkeitsbereich des Aufschmelzverhaltens nach MADDOCK. Weiterhin wurden durch die experimentellen Untersuchungen zusätzliche Aspekte identifiziert, die ebenfalls zur Verbesserung des Modells beitrugen. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die verzögerte Schmelzewirbelbildung, die durch den reduzierten Wärmeeintrag in das poröse Schüttgut zu Beginn des Schneckenkanals verursacht wird. Insbesondere durch die modelltheoretische Berücksichtigung des reduzierten Wärmeeintrags sowie einer verbesserten Annahme der Phasengrenztemperatur konnte eine erhebliche Verbesserung der Modellqualität erzielt werden. Diese Erkenntnisse fanden zudem auch Anwendung in einem Computational Fluid Dynamics (CFD) – Simulationsmodell, wodurch auch dessen Berechnungsgenauigkeit erhöht werden konnte. Neben der Weiterentwicklung der Modelle wurden innerhalb des Forschungsprojekts auch dynamische Druckmessungen als Untersuchungsmethode für den Aufschmelzprozess evaluiert. Zudem wurde ein Prüfstand entwickelt und in Betrieb genommen, der die Untersuchung von Schüttgutfestigkeiten unter Extrusionsbedingungen ermöglicht. Mithilfe dieses Prüfstands konnte die Festigkeit des Feststoffbetts unter verschiedenen Bedingungen beschrieben werden.