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Modellbildung von Produktwechselprozessen in Extrusionswerkzeugen

Szöke, Levente

Die effiziente Durchführung von Produktwechseln bietet insbesondere bei der kontinuierlichen Herstellung von Waren aus Kunststoff hohe Einsparpotenziale bezüglich Material- und Energiebedarf sowie Anlagenverfügbarkeit. Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte ist die Zielsetzung dieser Arbeit, Produktwechselvorgänge in Extrusionsprozessen wissenschaftlich zu untersuchen und durch eine geeignete Modellbildung beschreibbar zu machen. Für die Ermittlung eines abgeschlossenen Wechsels ist die Fließgeschichte entlang des Stromfadens der längsten Verweilzeit im Kanal zu berücksichtigen. Als Messmethode zur Beurteilung abgeschlossener Wechsel hat sich die Messung von Proben- bzw. Folienoberflächen mittels Spektralphotometer bewährt. Die Prognose von Wechselvorgängen gelingt durch das in dieser Arbeit vorgestellte analytische Modell. Dies zeigt sich anhand des Vergleichs der berechneten und der experimentell ermittelten Wechselmassen. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine starke Abhängigkeit der Wechselvorgänge zu den strömungsmechanischen Materialeigenschaften. Es ist insbesondere ein deutlicher Einfluss des Viskositätsverhältnisses beider Wechselpartner zu identifizieren. Auf die Viskositäten der Wechselpartner nimmt dabei neben der Geometrie des Werkzeuges vor allem der Betriebspunkt des Prozesses Einfluss. Durch die Annahme, dass vornehmlich die Eigenschaften des Zielmaterials, vor allem die Schubspannung, den Wechsel dominieren, wird es möglich, den Wechsel auf den einzelnen Abschnitten eines Stromfadens längster Verweilzeit zu prognostizieren. Zur Bestimmung des Wechselverhaltens in Extrusionswerkzeugen werden im Allgemeinen numerische Mehrschichtsimulationen vorgeschlagen. Um auch quantitative Ergebnisse zu erzielen, wird die Simulation mit Hilfe des analytischen Ansatzes kalibriert. In Verarbeitungsanlagen kommt es bei allen realen Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Verweilzeit im Extrusionssystem zu Alterungsphänomenen. Bei Produktwechseln mit niedrigem Viskositätsverhältnis der Wechselpartner entstehen insbesondere in den wandnahen Schichten verhältnismäßig lange Verweilzeiten. Eine thermo-rheologische Charakterisierung von Polyolefinen zeigt unter praxisrelevanten Randbedingungen deutliche Änderungen der makromolekularen Kettenstruktur zu einem Auf- bzw. Abbau. Die Messergebnisse deuten auf eine zusätzliche Abhängigkeit der Alterungsphänomene von der Schergeschwindigkeit hin, die das Material erfährt. Die betriebspunktabhängigen Einflüsse auf Wechselprozesse lassen sich auf eine Veränderung der strömungsmechanischen Materialeigenschaften zurückführen. So sind Einsparungen der Wechselmasse in Abhängigkeit von der Massetemperatur damit zu begründen, dass ein höheres Verhältnis der Viskositäten von Ziel- zu Ausgangsmaterial erreicht wird. Ein solcher Effekt auf das Viskositätsverhältnis wird durch unterschiedliche Resultate bei der Ermittlung der jeweiligen Temperaturverschiebungsfaktoren erkennbar und quantitativ berechenbar. Anhand der Untersuchungen ist davon auszugehen, dass Wechsel aufgrund hoher Schubspannungen immer bei maximalem Durchsatz durchzuführen sind. Einsparungen der Wechselmasse durch wiederholte Variationen des Durchsatzes während eines Wechsels zeigen sich nicht.

More efficient product changing processes lead to economic advantages by saving additional material, energy and production time especially by continuous production of polymer products. Taking different aspects into consideration it is the main objective of this work to analyse product changing processes and be able to describe them with a proper mathematical model. To determine completed changing processes the history of the melt flow along the streamline at the highest residence time in the channel is taken into account. As a measuring method for the evaluation of completed changes the sampling of probe surfaces with a spectrophotometer measuring colour values has proven to be most useful. Changing processes are predicted by the analytical model presented in this work, which is shown by comparison of the calculated and the experimentally determined changeover masses. A strong dependence of the changing processes to the fluid mechanical material properties is shown. In particular a significant influence from the viscosity ratio of the changing partners was identified. The viscosities are mainly influenced by the flow channel design and the operation point. Assuming that the shear stresses resulting from the target material dominate the whole changing process a prediction of the progress along the streamline of highest residence time in sections is possible. The usage of numerical multiphase simulations are proposed to determine the change of behaviour in extrusion dies. This already showed a good qualitative way to identify critical areas of long residence times in the die design. In order to obtain quantitative results, the simulation is calibrated by means of the analytical approach. During the processing of all real polymers phenomena of aging are observable depending on temperature and residence time in the extrusion system. Especially high residence times result at product changes with low viscosity ratios in layers near the channel wall. Normally fluid mechanical properties after long durations under thermal load are measured to test the stability of materials. Analysing the changes to the properties or the way of structural changes caused by aging are not mainly focused. Thermo-rheological characterizations of polyolefines show significant alterations of the macromolecular chain structure to coupling/crosslinking or scission under practical conditions. The measurement results indicate an additional dependence between aging and the experienced shear rate. Influences on changing processes resulting from variation of operation points are attributed to a change in the fluid mechanical material properties. The variation of the material temperature affects the changeover mass by leading to lower or higher viscosity ratios of the changing partners. Such influences on the viscosity ratio are noticeable from different temperature shifting factors of the materials, which can be used to calculate the outcome for the changing process. The studies show advantages performing the material changes at maximal throughputs resulting from high shear stresses. A repeatedly variation of the mass flow during the changing process shows no positive effect on the changeover mass.

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Szöke, Levente: Modellbildung von Produktwechselprozessen in Extrusionswerkzeugen. 2014.

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