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Plastifizieren

Die bedeutendste Bauart von Plastifiziersystemen stellen sogenannte Schubschnecken-Plastifiziersysteme dar. Dabei dient die Schnecke nicht nur dem Aufschmelzen des Kunststoffgranulats, sondern auch als Kolben zum Injizieren der Polymerschmelze in die Formnester. Der wesentliche Vorteil dieser Systeme liegt darin, dass ein Großteil der zum Aufschmelzen nötigen Energie durch Reibung und nur ein kleiner Teil durch Wärmeleitung eingebracht wird.

Um sicherzustellen, dass die verschiedensten Polymere in der Plastifiziereinheit vollständig aufgeschmolzen und ausreichend homogenisiert werden, gibt es unterschiedlichste Schneckengeometrien, die ständig weiterentwickelt werden. Um diesen Entwicklungsprozess zu beschleunigen forschen wir an mathematischen Modellen und numerischen Simulationen mit deren Hilfe der Einfluss von Geometrie- und Prozessparameteränderungen auf das Förder-, Aufschmelz- und Mischverhalten bewertet werden können.

Simulation granularer Medien

Neben der Simulation der Schmelzeströmung mit klassischen CFD (computational fluid dynamics) Methoden beschäftigen wir uns mit der Strömungssimulation in granularen Medien mittles DEM (discrete element methode). Damit kann zum Beispiel das Einzugsverhalten des Kunststoffgranulats vom Trichter in die Einzugszone der Schnecke untersucht und die Geometrie der Einfüllöffnung optimiert werden.

Förder- und Aufschmelzverhalten

In den Bereichen Spritzgießen und Extrusion hat die Optimierung der Plastifiziersysteme hinsichtlich Massedurchsatz und Schmelzequalität höchste Priorität. Aufgrund der Tatsache, dass sich diese beiden Eigenschaften zumeist gegensätzlich beeinflussen besteht die Kunst darin, einen optimalen Kompromiss, bzw. eine optimale Kombination bestehend aus Schneckengeometrie, Zylinderkonfiguration und Prozessparameter zu finden. Der Fokus liegt dabei auf Standard 3-Zonen Schnecken, sowie Barriereschnecken. An dieser Stelle kommen wiederum Simulationen ins Spiel. Ausreichend genaue Materialcharakterisierung, sowie passende Materialmodelle sind die Grundlage einer qualitativ hochwertigen Prozesssimulation. Deshalb kommen neueste Messgeräte zum Einsatz, um die rheologischen, thermodynamischen, sowie technologischen Materialparameter vollständig zu ermitteln. Unter Verwendung von geeigneten Geometriedefinitionen, mathematischen und physikalischen Ansätzen, sowie entsprechenden Aufschmelzmodellen können sowohl Druck/Durchsatz- und Aufschmelzverhalten, als auch Druckverlauf und Leistungsaufnahme berechnet werden.

Um die erhaltenen Simulationsergebnisse verifizieren zu können, sind Plastifizierversuche in Kombination mit entsprechender Messsensorik/Messmethoden notwendig.  Ein Kernbaustein einer Plastifizier-Simulation ist die Bestimmung des Aufschmelzverhaltens. Die Ermittlung des Aufschmelzverhaltens erfolgt heutzutage meist durch Schneckenziehversuche. Aufgrund der Tatsache, dass diese Versuche sehr ungenau, zeitaufwändig und somit kostspielig sind, wurde nach alternativen Messtechniken geforscht. Es hat sich herausgestellt, dass es mit Hilfe von Drucksignalen in Kombination mit Ultraschallsignalen möglich ist, den Aufschmelzverlauf noch während des Dosierprozesses (in-situ) zu messen und anschließend auszuwerten. Voraussetzung ist dabei eine spezielle Analysemethode für die Bestimmung der Feststoffbettbreite zwischen der passiven und der aktiven Schneckenflanke.

Thermische und stoffliche Schmelzehomogenität

Sowohl die stoffliche (z.B. Verteilung von Füllstoffen, Farbverteilung, etc.) als auch die thermische Homogenität der Kunststoffschmelze haben einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der spritzgegossenen Bauteile. Um das Mischverhalten von Schneckenplastifiziersystemen zu verbessern, werden in deren Schmelzeförderzone sogenannte Scher- und Mischteile eingesetzt. Mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen untersuchen wir den Einfluss von Geometrie- und Prozessparameteränderungen auf das Strömungsverhalten und nutzen verschiedene Gütekriterien zur Bewertung der Mischeffektivität in diesen Mischköpfen. Die Softwarepakete OpenFOAM™ und CAESES™ erlauben uns die automatisierte Durchführung von Designstudien, beginnend bei der Geometrieerstellung, über die Simulation bis hin zur Auswertung.

Variation der Schmelzetemperatur im Schneckenvorraum

Üblicherweise geht man beim Spritzgießen davon aus, dass die Kunststoffschmelze die am Massezylinder eingestellte Solltemperatur aufweist. Dies ist insbesondere bei großen Plastifiziervolumen nicht mehr zutreffend. In diesem Fall ist im Schneckenvoraum mit starken Temperaturgradienten in Richtung der Schneckenspitze zu rechnen. Im Rahmen unserer Forschung beschäftigen wir uns damit, wie diese Temperaturunterschiede durch geeignete Maßnahmen im Prozess beeinflusst werden können. Die Abbildungen zeigen die Temperaturprofile im Schneckenvorraum bei der Variation von Prozessparametern bzw. unter Einsatz einer unterfütterten Fahrweise des Plastifziervorgangs.