Untersuchung des Prozessverhaltens neuartiger Einzugszonen-Konzepte für Kautschukextruder

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1 Untersuchung des Prozessverhaltens neuartiger Einzugszonen-Konzepte für Kautschukextruder zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.) der Fakultät für Maschinenbau der Universität Paderborn genehmigte DISSERTATION von Tobias Hallmann, M. Sc. aus Olpe Tag des Kolloquiums: Referent: Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner Korreferent: Prof. Dr. Ulrich Giese

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3 Schriftenreihe Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen Band 1/2013 Tobias Hallmann Untersuchung des Prozessverhaltens neuartiger Einzugszonen-Konzepte für Kautschukextruder D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2013

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2013 Copyright Shaker Verlag 2013 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) der Universität Paderborn in den Jahren 2007 bis 2011, die Fertigstellung während meiner Tätigkeit als Oberingenieur am KTP. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner für die Ermöglichung der Promotion und die kontinuierliche Unterstützung sowie die zahlreichen Diskussionen und Anregungen. Für die Übernahme des Korreferats danke ich Herrn Prof. Dr. Ulrich Giese vom Deutschen Institut für Kautschuktechnologie e.v. in Hannover. Ferner gilt mein Dank allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls für das sehr gute Arbeitsklima, die kooperative Zusammenarbeit und das sprichwörtliche offene Ohr bei Fragestellungen aller Art. Auch danken möchte ich den studentischen Hilfskräften sowie den Studien- und Diplomarbeitern, die mich während dieser Zeit tatkräftig unterstützt haben. Die Ergebnisse der Arbeit sind während gemeinsamer Projekte mit der HF TireTech Group der Harburg-Freudenberger Maschinenbau GmbH entstanden. Den Mitarbeitern von Harburg-Freudenberger danke ich herzlich für die Zusammenarbeit und die Bereitstellung einer Extrusionsanlage, ohne welche die experimentellen Untersuchungen nicht möglich gewesen wären. Tobias Hallmann Paderborn, im Januar 2013

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7 Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit werden zwei Extruderkonzepte untersucht, die in der Einzugszone einen hohen Druckaufbau realisieren sollen, um ein Scherteil in der Einzugszone überströmen zu können. Mit Hilfe des Scherteils soll der Kautschuk bereits in der Einzugszone frühzeitig erwärmt werden. Durch die frühzeitige Erwärmung wird der kalte Kern bereits in der Einzugszone abgebaut oder dessen Bildung sogar vermieden. Dadurch können Mischungen mit einer sehr hohen Viskosität mittels Kaltfütterextrusion wirtschaftlich verarbeitet werden. Das erste untersuchte Extruderkonzept verfügt ähnlich wie in der Thermoplastverarbeitung über eine axialgenutete Einzugszone. Der Fokus der Untersuchungen lag auf einer grundsätzlichen Ermittlung der Einflüsse von Prozess- und Geometrieparametern auf das Druckaufbauvermögen in der Einzugszone und den Massedurchsatz im Vergleich zu einer konventionellen, ungenuteten Einzugszone. In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass das Prinzip der Nutbuchse bei sehr niedrigen Drehzahlen zur Wirkung kommt. Die möglichen Betriebspunkte sind jedoch unwirtschaftlich gegenüber konventionellen Anlagen. Weiterhin wurde mit gleicher Zielsetzung eine verfahrenstechnische Auslegung eines Extruders mit einer gegenläufigen Doppelschnecken-Einzugszone durchgeführt. Im Fokus standen dabei Simulationsrechnungen zum thermischen Verhalten, zur Leistungs- und Drehmomentabschätzung sowie zur Quantifizierung der Einflüsse der Geometrie- und Prozessparameter. Die Eignung der Methode wurde gezeigt und Einflüsse auf die Temperatur und den Energieeintrag dargelegt. This thesis will focus on the analysis of the pressure generating capability of two different cold-feed extruders feed zones. A high pressure generating capability is necessary to use a shearing element in or at the end of the feed zone, which increases the mass temperature and the thermal homogeneity. With this measure the formation of the so-called cold core can be avoided or at least reduced. This leads to higher product quality, higher efficiency and economic extrusion processes. The first extruder concept uses, in allusion to extrusion machinery used for the extrusion of thermoplastics, a grooved barrel to generate a high pressure in the feed zone. The main issue was the determination of the influence of geometry and process parameters on the pressure and throughput behavior compared to a

8 smooth barrel extruder. It could be shown that the influence of the grooved barrel on the pressure is only high at very low rotational speeds. The second extruder concept is equipped with a counter-rotating twin screw feed zone. Analytical calculations were used to estimate the mass temperature profile, the necessary drive torque and power, the mass throughput, the specific energy consumption and the influence of geometry and process parameters on these quantities. The results show general influences of process and geometry parameters on the efficiency and the mass temperature of the extrudate.

9 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I 1 Einleitung Motivation... 1 Historische Entwicklung und Problemstellung... 3 Zielsetzung Stand der Technik Der Kautschuk-Stiftextruder... 8 Weitere Extruderkonzepte zur Verbesserung der Durchmischung Grundsätzliche Stoffeigenschaften von Kautschukschmelzen Rheologische Stoffeigenschaften Thermodynamische Stoffeigenschaften Strömungsbeschreibung Schmelzeextruder Genutete Einzugszonen in der Thermoplastverarbeitung Fließgrenze rußgefüllter Kautschuke Untersuchung axialgenuteter Einzugszonen Experimentelle Ergebnisse mit konstanter Kanaltiefe Grenzfälle konstanter Kanaltiefen Prozessverhalten bei Variation der Wandtemperaturen Einfluss der Gangzahl auf das Prozessverhalten Dekompressive Schneckengestaltung Zusammenfassung der experimentellen Untersuchungen Modellierung und Verifikation Fördersteifigkeit Beschreibung der Förderung in der Einzugszone Gegenläufige Einzugszone Analytische Berechnungen Leistungs- und Temperaturberechnung von Schmelzeextrudern Durchsatzberechnung von gegenläufigen DSE... 94

10 II Inhaltsverzeichnis 6.2 Verfahrenstechnische Auslegung Funktionszonen Untersuchung von Geometrie- und Prozesseinflüssen Auslegung von unterschiedlichen Schneckenkonzepten Zusammenfassung Abkürzungsverzeichnis... III Literaturverzeichnis... VI 10 Lebenslauf... XI