Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Zuverlässiger Prozess bei reduziertem Energieeintrag

Hohe Wirtschaftlichkeit bei der Compoundierung

Das initiale Aufschmelzen hat eine hohe Bedeutung für die Compoundierindustrie, da bis zu 80 Prozent der gesamten Energie in der Plastifizierzone und hier im speziellen in der ersten Knetblockstufe eingebracht wird.
Eine Optimierung bzw. Minimierung des Energieeintrags in der Aufschmelzzone hat daher ein vielversprechendes Potenzial für eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit sowie einer Verbesserung der Materialeigenschaften durch schonendere Verarbeitung.

Abb. 1: Verkeilen des Granulats im Zwickelbereich, Kompression des Materials in das freie Volumen, Deformation des kompaktierten Kunststoffgranulats.

Energieeintrag und initiales Aufschmelzen

Für die systematische Untersuchung des Energieeintrags in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder wurde am Fraunhofer LBF ein neuartiges Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe ein Ausschnitt der Plastifizierzone visualisiert werden kann. Mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera kann somit erstmalig die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten dargestellt, dokumentiert und bewertet werden. In Kombination mit einer hochauflösenden Drehmomenten-Messung kann nun der Energieeintrag  ortsaufgelöst jedem visualisierten Zustand zugeordnet und die theoretische Temperaturerhöhung berechnet werden.

Versuchsaufbau zur Visualisierung der plastischen Deformation von Kunststoffgranulat in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder.

Plastische Deformation wird sichtbar

Beispielhaft dargestellt zeigt die Abb. 1 die plastische Deformation eines Polypropylengranulats. Es kann beobachtet werden, dass das Granulat durch eine massive plastische Deformation zum Fließen gebracht wird und lokal Initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifiziert. Dabei wird das Granulat zunächst zwischen der aktiven Flanke und der Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgt eine Deformation, welche in zwei Phasen eingeteilt werden kann. In der ersten Phase wird das Granulat verdichtet und in das freie Volumen gepresst. In einer zweiten Phase wird in dieses vorkompaktierte Volumen, durch weitere plastische Deformation, massiv Energie eingebracht. Diese Vorgänge dauern bei einer Schneckendrehzahl von 1200 Umdrehungen / min lediglich ca. 5 ms. Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich kommt es auch zu einer Kompression vor der aktiven Flanke. Bei weiterer Betrachtung der Vorgänge wird klar, dass neben den Materialeigenschaften vor allem geometrische Aspekte wie z. B. die Granulatgröße und -form und das freie Volumen im Knetblockbereich, einen wesentlichen Einfluss auf das Aufschmelzen haben. Die Quantifizierung erfolgt mit einer hochauflösenden Drehmomentenmessung.

Neben der Herausforderung der Quantifizierung der unterschiedlichen Mechanismen, liegt eine weitere auch in der Abbildung dieser in Form eines für den Anwender praktikablen Modells. In dieser Frage arbeitet das Fraunhofer LBF eng mit der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zusammen. Durch die Kopplung beider Kompetenzen kann ein direkter Mehrwert für die Compoundierindustrie erzielt werden.