Solids Conveying, Melting and Melt Conveying in Single Screw Extruders and Extrusion Dies

Kunststoffe sind aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken. In der Kunststoffverarbeitung nehmen Einschneckenextruder eine Sonderstellung ein, da sie aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und des guten Preis-/Leistungsverhältnisses, überall eingesetzt werden, wo es möglich ist. Zur Optimierung dieser Maschinen werden die einzelnen Vorgänge im Extrusionsprozess modelliert. Gute Modelle stellen nicht nur das reale Verhalten nach, sondern erlauben auch einen Einblick in den Prozess, um diesen besser verstehen und optimieren zu können.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Untermodellen, die zur Modellierung der Vorgänge in der Feststoffförderzone, der Verzögerungszone, der Aufschmelzzone und der Extrusionsdüse benötigt werden. In Bezug auf die Feststoffförderzone wird ein neues, deutlich besseres Modell zur Beschreibung der druck- und temperaturabhängigen Schüttdichte im Schneckenkanal entwickelt. Weiters wird gezeigt, dass der äußere Reibungskoeffizient nicht nur wie bereits bekannt von Druck und Temperatur abhängig ist, sondern auch von der Granulatform und dem zurückgelegen Reibweg. Die Granulatform hat auch einen deutlichen Einfluss auf die Schüttdichte. In Bezug auf die Verzögerungszone und die Ausschmelzzone wird das so genannte „Schleppströmungsinduzierte Aufschmelzen“ untersucht. Auch hierbei zeigt sich eine Abhängigkeit von der Granulatform und dem Druck. Beides wird in klassischen Modellen nicht berücksichtigt. Wichtige Inhalte dieser Arbeit sind auch die Modellierung und die experimentelle Bestimmung des Aufschmelzverhaltens von Kunststoffmischungen. Im Vergleich zu den Reinmaterialien zeigen diese ein deutlich reduziertes Aufschmelzverhalten. Es wird eine Methode gezeigt, die einerseits theoretisch erreichbare Werte von Schubspannung und Aufschmelzleitung von Kunststoffmischungen berechnet und andererseits experimentell ermittelte Synergiefaktoren berücksichtigt. Diese Synergiefaktoren beschreiben die Abweichung der experimentell ermittelten Werte von den theoretisch erreichbaren. Für die Berechnung der theoretisch erreichbaren Werte von Schubspannung und Aufschmelzleitung wird von den experimentell ermittelten Daten der Reinmaterialien ausgegangen, weil die bestehenden Berechnungsmodelle für Reinmaterialien das experimentell ermittelte Verhalten nur teilweise gut beschreiben können. Weiters wird eine numerische Methode zur Berechnung eindimensionaler Strömungen vorgestellt, die es ermöglicht, sowohl schwierige Viskositätsmodelle als auch Mehrschichtströmungen zu berechnen. Grundsätzlich handelt es sich dabei um eine numerische Integrationsmethode, die zwischen analytischen Berechnungen und CFD-Lösungen angesiedelt ist. Durch die Flexibilität des Modells können unterschiedliche Randbedingungen wie eine asymmetrische Strömung, die Bewegung einer Wand, Wandgleiten oder Zwischenschichtgleiten berücksichtigt werden. Die entwickelten Modelle berücksichtigen stets die zu Grunde liegenden physikalischen Grundlagen und sind daher gut extrapolierbar. Die entwickelten Modelle und Methoden und die aus den Modellversuchen gewonnenen Erkenntnisse tragen zu besserem Verständnis der Einschneckenextrusion bei und helfen bei deren weiterer Optimierung.