Leistungs- und Effizienzsteigerung in der Einschneckenextrusion durch alternative Plastifiziertechnik

Großmann, Marcel

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.

The content of this dissertation deals with theoretical and practical analytics of alternative plastification concepts to increase plasticating capacity and efficiency within single screw extrusion. A continuous increase of screw speeds and specific throughputs caused a significant increase of plasticating capacity within the past 20 years. To control maximum melt temperatures in High-Speed Extruders and to assure a complete melting under high specific throughputs the process lengths increased at the same time. With regard to this aspect, alternative plasticating concepts offer the potential to increase plasticating capacity within significantly shortened process lengths in compact, high-speed and efficient processing units. For this reason this work is focused on the development und proving of a solid/melt separation within the plasticating zone to increase the plasticating capacity within shortened process length. The removal of melt from the screw directly after transition into an outer annular channel has two significant procedural advantages. First of all the melt temperature especially for high screw speeds is not increased further more to the disproportionate increase of dissipation within the screw. In addition based on present knowledge the increase of melt film thickness in screw channel and the formation of a melt poll can be prohibited. High shear rates and dissipation capacities within the fine melt film lead to higher plasticating capacities compared to all known plasticating concepts and extruder designs. In combination with a separately driven feeding screw the solid melt separation is under examination for maximum plasticating capacities within the extrusions concept KoAx-S-Truder (50 mm / 20 D). By the use of an independent working feeding screw the decrease of specific throughput, which forces an increase of melt temperature at the same time, under high screw speed can be prohibited in a wide manner. Within a process length of 350 mm different types of materials are plasticated with maximum throughputs of 270 kg/h and screw speeds up to 300 rpm. The maximum melt temperatures can be kept material specific in recommended range. Due to the removal of melt out of the screw and the short process length the homogenization performing is reduced. In this respect the material and thermal homogeneity is investigated by cross sections of the colored melt string and first-time by a thermal imaging camera. The homogeneity of the dynamic working mixer is excellent but the pressure loss and increase of melt temperature is large at the same time. Therefore a use of this mixer for high speed extrusion applications is not possible. The static working mixer shows poor material homogeneity and a mean increase in melt temperature. By the use of a thermal imaging camera the thermal homogeneity can be measured and analyzed in high definition and accuracy during the plasticating process. Conclusions on material homogeneity are limited at the same time. The identification of material which is melted late is possible due to its poor material and thermal homogeneity. The transfer of this research results to higher screw speeds (>1 m/s) is done by developing a new direct driven extrusion concept High-Speed S-Truder (35 mm / 20 D). Using a grooved feeding section a clear decrease of specific throughput is noticed, followed by a significant increase of melt temperature. A use for high speed applications with maximum screw speeds is possible after all. Despite of the short process length the pressure build up along screw is dominant to the feeding section. Using of a smooth feeding section the maintenance of the specific throughput can be ensured. Therefore the limit of maximum screw speed can be increased to 3,6 m/s. Within a process length of 245 mm throughputs of 350 kg/h (PE-LD, PP-Homopolymer) and 275 kg (PE-LLD, PE100) are possible without exceeding the material specific maximum melt temperatures. Practical tests and 3D-FEM simulations under consideration of a rotating screw prove the operating behavior of a new statically working mixing element (Siebkorbmischer). However the use of this mixing concept is limited by the mean proportion of solid material which is actually passing the solid/melt separation. To ensure the high demand on material and thermal melt homogeneity the use of a dynamic working mixing element is necessary. In this matter new types of dynamic mixers for High-Speed applications have to be developed, which makes a balance between homogeneity, pressure loss and dissipation capacity possible. The results of FEM simulations and practical tests concerning the removal of melt out of screw along the solid/melt separation shows an inhomogeneous melting behavior. In particular the weak knowledge of the forming melting film contour and thickness makes an analytical description of the melting process not possible. The results of an energy efficiency analysis by integrated power measurement equipment show low specific power consumption and document the potential of the High-Speed S-Truder compared to standard single screw extruders. The results of manifold research activities document that direct driven, compact and high speed single screw extruder can penetrate throughput levels of higher class extruder. By reducing the process length and the use of state of the art drive technology (direct drive) the efficiency of single screw extruders can be increased. Keeping the melt temperatures on certain low levels using alternative plasticating concepts, the need of active cooling of the insulated barrels is not necessary with exception of the feeding section.

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Großmann, Marcel: Leistungs- und Effizienzsteigerung in der Einschneckenextrusion durch alternative Plastifiziertechnik. 2012.

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