Leistungs- und Effizienzsteigerung in der Einschneckenextrusion durch alternative Plastifiziertechnik

Duisburg, Essen (2011), II, 112 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
Die innerhalb der vorliegenden Dissertation durchgeführten Arbeiten befassen sich mit der theoretischen und praktischen Untersuchung alternativer Plastifiziertechnik zur Leistungs- und Effizienzsteigerung in der Einschneckenextrusion. Eine kontinuierliche Steigerung der Schneckendrehzahlen sowie der spezifischen Durchsätze führte in den vergangenen 20 Jahren zu einer deutlichen Erhöhung der Plastifizierleistung von Einschneckenextrudern. Zur Beherrschung der Schmelzetemperaturen schnell laufender Extruder und der Gewährleistung des vollständigen Aufschmelzens bei gesteigerten spezifischen Durchsätzen haben sich die Verfahrenslängen dieser jedoch gleichzeitig deutlich erhöht. Im Hinblick auf diese Entwicklung besitzen alternative Plastifiziertechniken das Potenzial, die Steigerung der Plastifizierleistung bei gleichzeitig deutlich geringeren Verfahrenslängen in kompakten, schnell drehenden und effizienten Verfahrenseinheiten zu erreichen. Aus diesem Grund befasst sich diese Arbeit im Schwerpunkt mit der Entwicklung und Erprobung einer Feststoff/Schmelze-Trennung innerhalb der Plastifizierzone zur Steigerung der Aufschmelzrate innerhalb kurzer Verfahrenslänge. Die Abführung der Schmelze aus dem Schneckenkanal unmittelbar nach ihrer Entstehung in einen äußeren Ringspalt bietet dabei zwei grundsätzliche verfahrenstechnische Vorteile. Zum einen wird die Schmelzetemperatur insbesondere bei hohen Drehzahlen nicht durch die überproportional steigende Dissipation auf der Schnecke weiter erhöht. Zum anderen wird nach jetziger Erkenntnis die Vergrößerung der Schmelzefilmdicke im Schneckenkanal und die Entstehung eines Schmelzewirbels verhindert. Die Folge sind sehr hohe Schergeschwindigkeiten und Dissipationsleistungen im sehr dünnen Schmelzefilm, welche die Plastifizierleistung innerhalb der betrachteten Verfahrenslänge im Vergleich zu allen bekannten Plastifiziertechniken und Extruderbauarten im Bereich der Einschneckenextrusion deutlich erhöht. Innerhalb des Extrusionskonzeptes KoAx-S-Truder (50 mm / 20 D) wird die Feststoff/-Schmelze Trennung in Kombination mit einer separat angetriebenen zweiten Schnecke zur Feststoffförderung hinsichtlich ihres Leistungsvermögens untersucht. Der Einsatz einer von der Plastifizierschnecke unabhängigen Schnecke zur Feststoffförderung ermöglicht den verfahrensbedingten Abfall des spezifischen Durchsatzes mit steigenden Schneckendrehzahlen zu verringern. Innerhalb einer Verfahrenslänge der Feststoff/Schmelze-Trennung von 350 mm können mit Schneckendrehzahlen von 300 1/min Plastifizierleistungen bis zu 270 kg/h für verschiedene Materialien erreicht werden, ohne die Grenzen materialspezifisch kritischer Schmelzetemperaturen zu überschreiten. Da sich die Homogenisierleistung durch Abführung der Schmelze von der Schnecke und gleichzeitiger Verkürzung der Verfahrenseinheit im Allgemeinen verschlechtert, wird die stoffliche und thermische Homogenität mit Dünnschnitten eingefärbter Extrudate und erstmals unter Zuhilfenahme eines Thermografiekamerasystems untersucht. Das dynamisch arbeitende Wendelschermischteil erzeugt gute stoffliche und thermische Homogenitäten während es gleichzeitig hohe Druckverluste und einen deutlichen Anstieg der Schmelzetemperatur verursacht. Eine Anwendung oberhalb des untersuchten Drehzahlbereichs in High-Speed Anwendungen ist aus diesem Grund ausgeschlossen. Das statisch arbeitende Mischelement verursacht einen nur geringen Anstieg der Schmelzetemperatur bei aber gleichzeitig unzufrieden stellender stofflicher Homogenität. Es wird belegt, dass sich der Einsatz einer Thermografiekamera dazu eignet, die thermische Homogenität der Schmelze mit hoher Auflösung und Genauigkeit während des Extrusionsprozesses zu erfassen und zu bewerten. Rückschlüsse auf die stoffliche Homogenität sind hingegen nur eingeschränkt möglich. Die Identifizierung von spät aufgeschmolzenen Feststoffanteilen, die wiederum eine schlechte stoffliche und thermische Homogenität nach sich ziehen, ist möglich. Die Übertragung dieser Ergebnisse auf den High-Speed Bereich (>1 m/s) erfolgt in einem direkt angetriebenen alternativen Plastifizierkonzept High-Speed S-Truder (35 mm / 20 D). Mit genutetem Einzugsbereich ist mit steigenden Schneckendrehzahlen ein deutlicher Abfall des spezifischen Durchsatzes zu beobachten, welcher wiederum zu überhöhten Schmelzetemperaturen führt. Mit maximalen Schneckendrehzahlen von 1000 1/min ist der Betrieb im High-Speed Bereich jedoch möglich. Der Druckaufbau findet trotz der kurzen Verfahrenslänge überwiegend über der Schneckenlänge statt. Die Verwendung einer glatten Einzugszone ermöglicht die Aufrechterhaltung des spezifischen Durchsatzes, wodurch die maximale Schneckendrehzahl auf bis zu 2000 1/min (Umfangsgeschwindigkeit 3,6 m/s) erhöht werden kann. Innerhalb einer Verfahrenslänge von 245 mm sind Durchsätze bis zu 350 kg/h (PE-LD, PP-Homopolymer) und 275 kg (PE-LLD, PE100) bei maximalen Schneckendrehzahlen von 2000 1/min möglich, ohne die materialspezifischen Grenzen der Schmelzetemperaturen zu überschreiten. Die praktische Untersuchung eines neuartigen, statisch arbeitenden Mischkonzeptes (Siebkorbmischer) und die Ergebnisse von 3D-FEM Simulationen unter Berücksichtigung der Schneckenrotation belegen grundsätzlich die Funktionsweise einer dissipationsarmen Homogenisierung. Das Überschreiten von nicht aufgeschmolzenen Feststoffanteilen über die Grenzen der Feststoff/Schmelze-Trennung hinaus, schränkt die Ergebnisse hinsichtlich der qualitativen Schmelzehomogenität derzeit jedoch noch ein. Zur Sicherstellung der hohen Anforderungen an die thermische und stoffliche Schmelzehomogenität ist der Einsatz dynamisch arbeitender Mischelemente zur Resthomogenisierung notwendig. In dieser Hinsicht sind neuartige dynamische Mischkonzepte notwendig, die im High-Speed Bereich ein Gleichgewicht zwischen den Kriterien Homogenität, Druckverlust und Dissipationsleistung herstellen. Die Ergebnisse von FVM-Simulationen und praktischen Versuchen zur Schmelzeabfuhr entlang der Plastifizierhülse belegen ein inhomogenes Aufschmelzverhalten. Insbesondere fehlende Erkenntnisse über dich sich ausbildende Schmelzefilmkontur und –dicke ermöglicht eine analytische Beschreibung des Aufschmelzverlaufs innerhalb der Plastifizierhülse derzeit nicht. Die Ergebnisse einer Energieeffizienzanalyse durch in die Steuerung integrierte Leistungsmesstechnik zeigen niedrige spezifische Energieverbräuche auch bei hohen Schneckendrehzahlen und belegen das Potenzial des High-Speed S-Truders im Vergleich zu konventionellen Einschneckenextrudern. Die Ergebnisse vielfältiger Arbeiten belegen, dass direkt angetriebene, kompakte und schnell drehende Einschneckenextruder in Durchsatzbereiche größerer Baureihen vordringen können. Die Steigerung der Energieeffizienz von Einschneckenextrudern ist durch eine deutliche Verkürzung der Verfahrenslänge in Kombination mit moderner Antriebstechnik (Direktantrieb) möglich. Die Einhaltung der Schmelzetemperaturgrenzen durch den Einsatz alternativer Plastifiziertechnik erlaubt zusätzlich den Verzicht auf eine aktive Kühlung des isolierten Zylinders mit Ausnahme des Einzugsbereichs.