Fraunhofer LBF/Messe K 2016 Düsseldorf Kunstoff-Compoundierprozess optimiert-Einblick in die Schmelzzone

Versuchsaufbau zur Visualisierung der plastischen Deformation von Kunststoffgranulat.
Versuchsaufbau zur Visualisierung der plastischen Deformation von Kunststoffgranulat.

Aufklärung in der Schmelzzone - Neue Messtechnik von Fraunhofer optimiert Compoundierprozess: Systemkosten werden reduziert und Materialeigenschaften verbessert. Fraunhofer stellt diese neuen Forschungsergebnisse auf der diesjährigen Messe K von 19.-26.10.2016 in Düsseldorf vor.

Doppelschneckenextrudern sind Spezialmaschinen für die Compoundierung von Kunststoffen. Bei diesem Vorgang sind Rotation, Scherung, Wärme und Druck entscheidende Kenngrößen. Für Forscher blieb jedoch bisher eine Frage stets unbeantwortet: Welche Mechanismen laufen beim Anschmelzen des Polymers ab und welcher Energieeintrag wirkt in der Schmelzzone auf den Kunststoff?

Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) ist es gelungen Einblicke in diese Prozesse zu erhalten. Mit verschiedenen Messtechniken ermöglicht Fraunhofer der Compoundier-Industrie in Zukunft eine material- und prozessspezifische Gestaltung der Schmelzzone. U. a. ist es bei gleicher Prozesssicherheit möglich, den Energieeintrag in das Polymer auf ein Minimum zu reduzieren, um auf diese Weise die Kosten des Gesamtprozesses zu reduzieren.

Im optimierten Prozess wird das Polymer im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren thermisch und mechanisch weniger stark beschädigt, dadurch verbessern sich mechanische Eigenschaften und die chemische Beständigkeit des Produkts. Das Verfahren reduziert auch Emissionen, die während der Verarbeitung des Polymers entstehen.
Für die Compoundier-Industrie hat das initiale Aufschmelzen eine große Bedeutung, da bis zu 80 Prozent der gesamten Energie in der Plastifizierzone, v. a. in der ersten Knetblockstufe eingebracht wird. Ein optimierter bzw. minimierter Energieeintrag hat Potenzial, die Wirtschaftlichkeit zu verbessern und Materialeigenschaften durch schonende Verarbeitung zu verbessern.

Plastische Deformation wird sichtbar

Mit dem neuen Messverfahren (Bild 1) ist es möglich, den Querschnitt der Plastifizierzone mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera zu visualisieren. Die Kamera hat eine Auflösung von 2.000 Einzelbildern pro Sekunde. Somit gelang es den Forschern erstmals die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen des Kunststoffgranulats darzustellen, zu dokumentieren und anschließend zu bewerten. Die Kameraaufnahmen wurden mit einer hochauflösenden Drehmomenten-Messung kombiniert, um den mechanischen Energieeintrag ortsaufgelöst zu messen. Bei jedem visualisierten Zustand wird der Energieeintrag zugeordnet und die theoretische Temperaturerhöhung berechnet.
Mit dem Blick in die Aufschmelzzone konnten LBF-Wissenschaftler beispielsweise die plastische Deformation eines Polypropylengranulates beobachten (Bild 2): Das Granulat wird durch massive plastische Deformation zum Fließen gebracht und lokal initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifiziert. Dabei wird das Granulat zunächst zwischen der aktiven Flanke und Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgt die Deformation in zwei Schritten:

  • Schritt 1: Das Granulat verdichtet und wird in das freie Volumen gepresst.
  • Schritt 2: In das vorkompaktierte Volumen wird massiv Energie durch weitere plastische Deformationen eingebracht.

Diese Vorgänge dauern bei einer Schneckendrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute ca. fünf Millisekunden.

Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich kommt es auch zu einer Kompression