Bei dem vom FFG geförderten Projekt geht es um die verfahrenstechnische Beschreibung eines gleichlaufenden konischen Doppelschneckenextruders von M-A-S (Maschinen und Anlagenbau Schulz GmbH). Am Lehrstuhl wurde dafür ein analytisches Programm für die Berechnung des Düsendrucks entwickelt. Die bisherigen Berechnungsergebnisse der Ausstoßzone wurden durch Messungen an einem Versuchsextruder bei M-A-S in Pucking bestätigt.

Durch die konische Geometrie der Schnecken steht besonders im Einzugsbereich ein großes freies Volumen für Schüttgüter mit niedriger Dichte zur Verfügung. So können z.B.: Flakes aus dem Recycling mit einer Schüttgutdichte von ca. 300 kg/m³ gut verarbeitet werden. Der Druckaufbau, verstärkt durch die Konizität ermöglicht eine Direktextrusion des Materials, ohne dass eine Schmelzepumpe verwendet werden muss.

In der Extrusion sind im Bereich des Einzuges die Schüttguteigenschaften des Granulates von besonderer Wichtigkeit. Neben der Dichte und der Druckanisotropie spielt der Reibwert zwischen dem Material selbst, sowie der Reibung zur Maschine eine große Rolle auf die Förderung. Als Beispiel dafür dient eine Messung der Dichte an PET Flakes bei unterschiedlichen Drücken.

Ein weiteres wichtiges Thema ist die Druckanisotropie, welche das Verhältnis des radialen Drucks zum axialen darstellt. Der Koeffizient kann beliebige Werte zwischen Null und Eins annehmen, wobei eine Abhängigkeit von Temperatur und Druck gegeben ist.

Der Reibwert kann mittels einer Reibwertapparatur gemessen werden. Dabei wird durch den Druckaufbau entlang des Zylinders, dem benötigten Drehmoment und der Drehzahl auf den Reibwert zwischen dem Schüttgut und dem Zylinder zurückgerechnet.

In diesem Projekt wurde gemeinsam mit der battenfeld-cincinnati Austria GmbH eine Messmethode entwickelt, welche durch den Einsatz dielektrischer Tracer die Bestimmung der Verweilzeit ermöglicht.

Es wird ein Tracer (Bleizirkonat/-titanat) punktförmig aufgegeben und die zeitliche Veränderung der Kapazität gemessen. Dies ergibt die Verweilzeitverteilung. Dafür wurden Düsen gebaut, in welche Kondensatorplatten eingebaut sind. Die Frequenz der Ladevorgänge ist direkt proportional der Konzentration des Tracers im Schmelzestrom. In der Graphik sind drei aufgenommene Kurven aufgetragen. Mit der Erhöhung der Drehzahl verkürzt sich die Verweilzeit, während eine Erhöhung der Einwaage nur einen Einfluss auf die gemessene Frequenz (Konzentration) hat.

Neben analytischen Berechnungen werden Schnecken, Düsen und Werkzeuge auch mit 3D-Strömungs- und Struktursimulationen ausgelegt.

Beiden Verfahren liegen die Erhaltungssätze zu Grunde. Bei den Strömungssimulationen wird unter anderem Ansys Polyflow verwendet. Am Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung wurden und werden sowohl Berechnungsprogramme für Einschnecken- und Doppelschneckenextruder, wie auch für Schubschnecken entwickelt.

Bei Berechnungen der Düsen stellen besonders die viskoelastischen Eigenschaften des Kunststoffes eine große Herausforderung dar.