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Kunststoffproduktion Fraunhofer LBF optimiert Compoundierprozesse

| Redakteur: M.A. Manja Wühr

Welche Mechanismen wirken beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone? Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben ein Werkzeug entwickelt, das einen systematische Untersuchung des Energieeintrages in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder ermöglicht.

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Innovative Messtechniken geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken.
Innovative Messtechniken geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken.
(Bild: Fraunhofer LBF)

Darmstadt – Da bis zu 80 Prozent der gesamten Energie in der Plastifizierzone eingebracht wird, kommt dem Anschmelzen eine besonders große Bedeutung zu. Mit einem neuen Werkzeug, entwickelt am Fraunhofer LBF, lässt sich der Energieeintrag in das Polymer auf das notwendige Minimum reduzieren. Zudem wird das Polymer in einem derart optimierten Prozess thermisch und mechanisch weniger beschädigt, was wiederum die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit des Produktes verbessert.

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Für die systematische Untersuchung des Energieeintrages in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder nutzt das Fraunhofer LBF ein neuartiges Werkzeug, mit dessen Hilfe sich der Querschnitt der Plastifizierzone visualisieren lässt. Dazu setzen die Wissenschaftler eine Hochgeschwindigkeitskamera ein. Mit einer Auflösung von 2000 Einzelbildern pro Sekunde konnten sie erstmalig die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten darstellen, dokumentieren und bewerten. Diese Aufnahmen wurden mit einer hochauflösenden Drehmomenten-Messung kombiniert. Auf diese Weise lässt sich nun der mechanische Energieeintrag ortsaufgelöst jedem visualisierten Zustand zuordnen und die theoretische Temperaturerhöhung berechnen.

Granulatgröße und -form beeinflussen das Aufschmelzen

Mit ihrem neuartigen Blick in die Aufschmelzzone konnten die LBF-Wissenschaftler beispielsweise die plastische Deformation eines Polypropylengranulates beobachten und dokumentieren. Es zeigte sich, dass das Granulat durch eine massive plastische Deformation zum Fließen gebracht wird und lokal initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifiziert. Dabei wird das Granulat zunächst zwischen der aktiven Flanke und der Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgt eine Deformation, welche in zwei Phasen eingeteilt werden kann: Zunächst wird das Granulat verdichtet und in das freie Volumen gepresst. Anschließend wird in dieses vorkompaktierte Volumen massiv Energie durch weitere plastische Deformation eingebracht.

Diese Vorgänge dauern bei einer Schneckendrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute nur rund fünf Millisekunden. Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich kommt es auch zu einer Kompression vor der aktiven Flanke. Die LBF-Wissenschaftler konnten auch klarstellen, dass neben den Materialeigenschaften vor allem geometrische Aspekte, wie beispielsweise die Granulatgröße und –form sowie das freie Volumen im Knetblockbereich, einen wesentlichen Einfluss auf das Aufschmelzen haben. Die Quantifizierung erfolgt mit einer hochauflösenden Drehmomentenmessung.

Neben der Quantifizierung der unterschiedlichen Mechanismen liegt eine weitere Herausforderung für das Fraunhofer LBF auch in der Abbildung eines für den Anwender praktikablen Modells. In dieser Frage arbeitet das Institut eng mit der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zusammen. Durch die Kopplung beider Kompetenzen kann ein direkter Mehrwert für die Compoundier-Industrie erzielt werden.

Treffen Sie die xperten des Fraunhofer LBF auf der K 2016 in Halle 7 am Fraunhofer-Stand SC01.

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