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Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienextrusionsanlagen mittels integrativer Prozessmodelle

Neubert, Benedikt Paul August

Eine Möglichkeit kontinuierlich dünnwandige Folien herzustellen ist die Blasfolienextrusionstechnik. Unter Berücksichtigung ökonomischer Gesichtspunkte werden Anstrengungen unternommen, den Ausstoß dieser kunststoffverarbeitenden Anlagen zu steigern. Hierzu wird sowohl auf wissenschaftlicher als auch industrieller Seite versucht, verfahrenstechnische Anlagenkomponenten zu verbessern. Limitierungen hinsichtlich der angestrebten Intensivierung des Anlagenausstoßes lassen sich fast ausschließlich auf die Grenzen in der Extrudatkühlung zurückführen. Demnach steht der Wärmetransport zwischen heißem Folienschlauch und eingesetzter Kühlluft im Vordergrund vieler Untersuchungen. Dabei ist eine Entwicklung neuer oder die Weiterentwicklung bestehender maschinenbaulicher Komponenten eng mit der Notwendigkeit des Prozessverständnisses verknüpft. Besonders ist dies für alle Vorgänge innerhalb der Schlauchbildungszone zutreffend. Im Rahmen dieser Arbeit werden Möglichkeiten aufgezeigt, industriell betriebene Hochleistungsblasfolienextrusionsanlagen unter Verwendung aufgestellter Modellansätze zu analysieren und zu optimieren. Es werden Potentiale zur Leistungssteigerung industrieller Blasfolienextrusionsanlagen und ein alternativer Ansatz zur Übertragung von Folieneigenschaften bzw. Prozesszuständen zwischen Anlagen mit deutlichem Maßstabsunterschied vorgestellt. Der verwendete Modellansatz zur Abbildung industrieller Blasfolienextrusionsanlagen erlaubt die in Realität stattfindenden, dynamischen Wechselwirkungen zwischen eingesetztem Kühlmedium und dessen Einfluss auf die Folienkonturausformung zu beschreiben. Hierzu setzt sich das Modell aus zwei Modulen zusammen. Ein Modul dient der numerischen Berechnung der thermischen und strömungsmechanischen Phänomene, das andere Modul wird zur Beschreibung der Folienkonturausbildung, basierend auf einem rheologischen Materialmodell, verwendet. Um eine modelltechnische Abbildung von Hochleistungsblasfolienextrusionsprozessen zu gewährleisten, erfolgt eine Erweiterung des von Bussmann [Bus10] entwickelten ganzheitlichen Prozessmodells. In dieser Arbeit erfolgt die erstmalige Implementierung einer Blaseninnenkühlung in die Modellbildung. Das sich einstellende Druckprofil und die aktive Beeinflussung des Wärmetransportes auf der Innenseite der Folienkontur werden in die Gesamtbetrachtung einbezogen. Es werden alle den Ausformungsprozess der Folienkontur beeinflussenden Prozessparameter berücksichtigt. Zur genauen Beschreibung des Verstreckprozesses wird darüber hinaus das material- und höhenabhängige Foliengeschwindigkeitsprofil experimentell bestimmt und integriert. In Kombination mit einer zuvor erarbeiteten, prozessnahen Modellkalibrierung kann gezeigt werden, dass sich die angepasste Modellbildung zur Abbildung von Hochleistungsblasfolienextrusionsprozessen eignet. Der erweiterte Modellierungsansatz wird anschließend dazu genutzt, eine konkrete Abkühlsituation an einer industriell betriebenen Blasfolienextrusionsanlage zu analysieren und den Wärmetransport zwischen Kühlluft und (Co-)extrusionsfolie zu verbessern. Es wird gezeigt, dass sich Verbesserungen des Wärmeaustausches durch passiv wirkende Kühlluftführungselemente erreichen lassen. Das Ziel besteht darin, die Interaktion zwischen schnellströmender Kühlluft und ruhender Umgebungsluft weitestgehend hinauszuzögern. Zur Analyse der Strömungs- und Wärmeübertragungsphänomene wird eine automatisierte und standardisierte Möglichkeit vorgestellt, mit der Ergebnisse aus den Strömungssimulationen quantitativ bewertet werden können. Dies beinhaltet u.a. die Bewertung höhenabhängiger Strömungsgeschwindigkeitsprofile der Kühlluft entlang der gekrümmten Folienoberfläche. Unter Verwendung der rechnergestützten Modellierung konnte in der vorliegenden Arbeit eine deutliche Verbesserung der Strömungssituation – bei sonst gleichbleibenden Randbedingungen – realisiert werden. Auch die experimentelle Validierung innerhalb einer industriellen Produktionsumgebung konnte eine verbesserte Strömungsführung bzw. Kühlung der Folie bestätigen. Produktionsseitig ermöglicht die angepasste Kühlluftführung den Anlagenausstoß um bis zu zehn Prozent zu steigern. Dabei werden sowohl industriell geforderte Produkt- als auch prozessnahe Anforderungen berücksichtigt. Virtuell generiertes Prozessverständnis wird dazu genutzt, eine neuartige Methode zur Intensivierung des Wärmeaustausches zu konzeptionieren. Das als Sekundärluftvorkühlung bezeichnete Konzept ermöglicht es das Potential vorliegender Strömungsbedingungen zur Intensivierung der Folienkühlung auszunutzen. Durch gezielte Vorkühlung angesaugter Umgebungsluft kann die Folienkühlung sowohl für den Technikums- als auch Industriemaßstab positiv beeinflusst werden. Neben der Intensivierung der Ausstoßleistung, befassen sich folienproduzierende Unternehmen auch mit der Entwicklung neuer, innovativer Folienrezepturen. Diese werden im Regelfall zunächst auf kleinen Blasfolienextrusionsanlagen im Technikumsmaßstab erprobt, was die Festlegung aller prozessbeeinflussenden Größen beinhaltet. Die nachträgliche Übertragung von Prozesszuständen bzw. Folieneigenschaften auf einen deutlich vergrößerten Maßstab (Düsendurchmesser ≥ 600 mm) stellt Unternehmen vor große Herausforderungen. Der als Scale-up bzw. von Produktions- auf Technikumsanlage als Scale-down bezeichnete Vorgang bedarf einer systematischen und physikalisch begründeten Herangehensweise. Aufbauend auf bestehenden Scale-up / Scale-down Ansätzen, wird eine prozessorientierte Strategie präsentiert. Diese basiert auf der Idee, dass ein Folienelement während der Konturausbildung eine vergleichbare lokale und globale thermomechanische Materialbeanspruchungshistorie erfährt. Es kann gezeigt werden, dass sich die entwickelte Strategie dazu eignet – unter Berücksichtigung notwendiger Einschränkungen – eine Übertragbarkeit sowohl von Prozesszuständen als auch Folieneigenschaften zu gewährleisten. Unter Beachtung anlagenseitiger Randbedingungen und der konsequenten Anwendung numerischer Strömungssimulationen, können im Vorfeld Prozesseinstellungen identifiziert werden, die eine Übertragbarkeit gewährleisten. Ausgehend von einem industriell gefertigten, 3-schichtigen Folienverbund wird anhand von experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass eine Übertragbarkeit auch für Scale-up / Scale-down Faktoren von 10 realisierbar ist.

The blown film extrusion technique is one way to continuously produce thin-walled films. By considering economic aspects, engineers have made efforts to increase the output of such plastics-processing units by improving the process-engineered unit components from a scientific as well as industrial perspective. Yet possible constraints to this endeavor are almost always traced back to limitations in the extrudate cooling. Thus, the heat transport between the hot film tube and the applied cooling air is the primary issue in many investigations. The development of new or the improvement of existing engineered components is closely linked with the necessity of process understanding. This is especially the case for all processes within the bubble formation zone. This current work presents options to analyze and optimize industrially operated high-performance blown film extrusion units by exploiting established model approaches. Presented here are potentials for improving the performance of industrial blown film extrusion units as well as an alternative approach for transferring film properties or process conditions among units with markedly different scales. The applied model approach for mapping industrial blown film extrusion units allows one to describe really occurring, dynamic interactions between the applied cooling medium and its influence on the shaping of the film contour. In this regard, the model is composed of two modules. One module serves for numerically calculating the thermal and fluid-mechanic phenomena; the other module is used for describing the shaping of the film contour, based on a rheological material model. To ensure a model mapping of high-performance blown film extrusion processes, the holistic process model developed by Bussmann [Bus10] is expanded here. This current work shows the first-time implementation of an internal bubble cooling in the modeling. The equilibrating pressure profile and the active influencing of the heat transport on the inner side of the film contour are incorporated in the entire consideration. All the process parameters affecting the shaping process of the film contour are taken into account. Moreover, for precisely describing the stretching process, the material- and height-dependent film velocity profile have been experimentally determined and integrated. Combined with a previously established and process-related model calibration, it can be shown that the adapted modeling is suitable for mapping high-performance blown film extrusion processes. The expanded modeling approach is subsequently used to analyze a concrete cooling situation on an industrially operated, blown film extrusion unit and to improve the heat transport between the cooling air and the (co-)extrusion film. It is shown that improvements in the heat exchange can be attained through passively acting cooling-air circulation elements. The aim here is to prolong, as far as possible, the interaction between the fast-flowing cooling air and the steady ambient air. For analyzing flow- and heat-transfer phenomena, an automated and standardized option is presented with which the results from the flow simulations can be quantitatively evaluated. Among others, this comprises the evaluation of height-dependent flow rate profiles of the cooling air along the curved film surface. By using computer-aided modeling, the present work indicates that a clear improvement in the flow situation with otherwise constant boundary conditions could be realized. In addition, the experimental validation within an industrial production environment could confirm an improved flow control or cooling of the film. On the production side, the adapted cooling air circulation allows an up to 10% increase in the unit output. Industrially required product specifications as well as process-oriented specifications are hereby taken into account. Virtually generated process knowledge is employed here to design a new method for intensifying the heat exchange. This concept, called ‘secondary air pre-cooling’, allows one to exploit the potential of present flow conditions for bolstering the film cooling. Through the targeted pre-cooling of intake air, the film cooling can be positively influenced for the pilot plant- as well as industrial scale. Besides intensifying the output performance, film-producing companies are also dealing with the development of new, cutting-edge film formulations. Generally, these formulations are tested on small, blown film extrusion units on a pilot scale, which serves for setting all process-influencing parameters. The subsequent transfer of process conditions or film properties to a clearly greater scale (die diameters of ≥ 600 mm) poses huge challenges for companies. This so-called ‘scale-up’ process or — from a production plant to pilot plant perspective — ‘scale-down’ process needs to be handled in a systematic and physically substantiated manner. Building on existing scale-up/scale-down approaches, this dissertation presents a process-oriented strategy based on the idea that, during contour shaping, a film element experiences a comparable local and global thermo-mechanical material stress history. It can be shown that the developed strategy is suitable by considering necessary constraints to ensure a transferability of process conditions as well as of film properties. Upon consideration of unit-related boundary conditions and the consequent use of numerical flow simulations, process settings could already be identified which guarantee transferability. Starting from an industrially fabricated, three-layer film composite, it has been shown, based on experimental studies, that transferability can be realized also for scale-up/scale-down factors of 10.

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Neubert, Benedikt Paul August: Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienextrusionsanlagen mittels integrativer Prozessmodelle. 2018.

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