Extrusion

Bauteilauslegung mit thermischen und strömungsmechanischen Simulationsmethoden

Für die Entwicklung neuer Bauteile und Aggregate setzt Coperion komplexe Simulationsmethoden ein. Thermische Berechnungen des Bauteils werden dabei mit strömungsmechanischen Berechnungen im Fließkanal gekoppelt, um eine sichere Auslegung und Vorhersage zu ermöglichen.

Beispielsweise wurden bei der Neuentwicklung des Spritzkopfs SK 92 für Durchsätze bis zu 5 t/h die Fließkanalgeometrie und Beheizung optimal aufeinander abgestimmt, um einen gleichmäßigen Produktfluss über die gesamte Breite der Lochleiste zu erreichen.

Transiente Zwei-Phasen-Simulation zur Berechnung teilgefüllter Schneckenabschnitte

Berechnungen in vollgefüllten Abschnitten des Schneckenkanals, wie z.B. in der Druckaufbauzone, entsprechen dem Stand der Technik. Mittels einer transienten Zwei-Phasen-Simulation gelingt es Coperion darüber hinaus, die Strömung in Abschnitten des Verfahrensteils mit teilgefüllten Schneckenelement nachzustellen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, Strömungsvorgänge in teilgefüllten Schneckenbereichen besser zu verstehen. Die Erkenntnisse fließen in die Entwicklung neuer Schneckenelemente und -konfigurationen ein.

Transiente Mehrphasensimulation zur Berechnung der distributiven Mischgüte

Mit einer transienten Mehrphasensimulation ist Coperion in der Lage, die Mischgüte verschiedener Schneckenelemente im Verfahrensteil des Extruders zu simulieren. Die Simulation berücksichtigt den kontinuierlichen Zu- und Abstrom der zu mischenden Komponenten im Modellraum und entspricht somit den realen Bedingungen im Verfahrensteil des Extruders. Basierend auf den gewählten Anfangs- und Randbedingungen errechnet das Modell einen stationären Zustand, der dem kontinuierlichen Betrieb des Doppelschneckenextruders entspricht.

Über eine geeignete Auswertung kann die Mischgüte des Compounds am Austritt aus dem Modellraum ermittelt werden. Für unterschiedliche Prozessbedingungen (Schneckendrehzahl, Durchsatz) können so die Mischwirkungen unterschiedlicher Mischelemente und Elementkombinationen verglichen werden.

Distributive Mischwirkung unterschiedlicher Schneckenelemente

Mittels einer instationären Simulation des Geschwindigkeitsfelds können die Bahnen masseloser Partikel beim Durchströmen des Schneckenelements im Prozessteil nachverfolgt werden. Der Vergleich zwischen einem Knetblock mit einem Versatzwinkel von 45° und einem Knetblock mit einem Versatzwinkel von 90° zeigt deutlich die unterschiedlichen Partikelbahnen. Der 45° Knetblock besitzt eine deutlich bessere Förderwirkung, die jedoch eine geringere Mischwirkung zur Folge hat. Umgekehrt verfügt der 90° Knetblock über eine deutlich bessere Mischwirkung, trägt aber nicht zur Förderung der Schmelze bei. Derartige Ergebnisse fließen in die Entwicklung von Sonderelementen und deren Geometrie ein.

Druckaufbau in vollgefüllten Schneckenabschnitten

Die Optimierung des Druckaufbauvermögens des gleichläufigen Doppelschneckenextruders ist  ein stetiges Entwicklungsziel. Durch geeignete, instationäre Simulationsmethoden werden bei Coperion die einzelnen Elemente hinsichtlich Druckaufbau charakterisiert. So lässt sich der Einfluss verschiedener Elementgeometrien untersuchen.

Eine optimierte Druckaufbauzone kann zu Energieeinsparungen bei der Herstellung des Produkts sowie zu einer verbesserten Produktqualität beitragen. Weiter können diese Simulationsmethoden angewandt werden, um Aussagen über den Verschleiß verschiedener Schneckenkonfigurationen zu treffen.

Druckverlustoptimierung von Austragsaggregaten

Coperion setzt bei der Weiterentwicklung seiner Austragsaggregate auf die Berechnung der Strömungsverhältnisse mittels CFD-Methoden. So kann der Druckverlust für den jeweiligen Einsatzbereich sehr genau vorhergesagt werden und eine Auswahl verschiedener Varianten abgewogen werden.

Produktbeanspruchung von Schneckenelementen

Durch die quasistationäre Simulation von Schneckenelemeten lässt sich die Scherrate bei unterschiedlichen Prozessparametern anschaulich darstellen. Selbst bei hohen Schneckendrehzahlen bleibt die mittlere Produktbeanspruchung dank der optimalen Schneckengeometrie von Coperion auf einem niedrigen Niveau.

Anhand solcher Betrachtungen ist es uns möglich, Schneckenelemente und Mischelemente optimal auf deren Einsatzgebiet abzustimmen.

Optimierte Auslegung von Aggregaten durch hohes Detailverständnis der Strömungsvorgänge

Die bei Coperion verwendeten CFD-Methoden ermöglichen den Blick auf kleinste Details in unseren Maschinen – so beispielsweise auf die Sieblagen unserer Siebwechsler SWZ. Mit der Modellierung und Berechnung der einzelnen Sieblager können wir gezielte Optimierungen an den Bauteilen durchführen.

Mit Hilfe der Simulation der realen Siebgeometrien erstellen wir eine Auswertung des Druckverlust jeder einzelnen Sieblage. Die Änderung des Druckverlust aufgrund einer Veränderung der Maschenweite oder des Drahtdurchmessers kann so präzise berechnet werden. Die Betrachtung der Haupt- und Querströmungen ermöglicht es, bei der Auslegung des Siebwechslers den geringsten Druckverlust zu erreichen.