Alternative Schneckenkonzepte für kleine bis mittelgroße Kautschukextruder

In der Kautschukextrusion kommen aktuell überwiegend kaltgefütterte Stiftextruder zum Einsatz, da diese eine gute thermische und stoffliche Homogenisierung der Kautschukmischung ermöglichen. Sie haben sich über die Zeit als Mittel der Wahl etabliert, um dem Entstehen des sogenannten kalten Kerns entgegenzuwirken. So wird heutzutage nahezu jedes Gummiprodukt unter Verwendung von Stiftextrudern hergestellt. Dies betrifft sowohl Reifen als auch die technischen Elastomer-Erzeugnisse. Aufgrund des gestiegenen Kostendrucks zielen die verarbeitenden Unternehmen auf einen möglichst hohen Durchsatz der Extruder ab, um einen hohen Output ihres Produkts erzielen zu können.
Die Stifte des Kautschukstiftextruders behindern jedoch auch das Fließen des Kautschuks und verringern dadurch die Förderwirkung und den Durchsatz des Extruders im Vergleich zu herkömmlichen Schnecken mit Fördergewinde im Glattrohrzylinder. Jedoch gibt es bisher kein Konzept, dass die Vorteile der guten Homogenisierung des Stiftextruders mit den höheren Durchsätzen eines Fördergewindes in Einklang bringt und gleichzeitig die geforderte Produktqualität sicherstellen kann.
Die Entwicklung neuer Schneckenkonzepte ist häufig mit hohen finanziellen Risiken behaftet, besonders wenn diese experimentell erfolgt und anschließend ein Scale-Up durchgeführt wird. Simulationen zur Absicherung von Konzepten sind ebenfalls sehr komplex und erfordern einen hohen zeitlichen Aufwand. Daher wird in der Industrie, besonders in kleineren Unternehmen weiterhin auf den Stiftextruder zurückgegriffen, um das Risiko zu meiden.
Um ein entsprechendes alternatives Konzept zu finden, soll daher in diesem Projekt zunächst ein Ansatz zur CFD-Simulation aufgestellt und durch experimentelle Daten verifiziert werden. Simulative Untersuchungen mithilfe der Software Ansys Fluent an verschiedensten Schneckengeometrien auf der Basis radialer und axialer Stegversätze sollen dann dazu dienen, eine breite Datenbasis für die Untersuchung der thermischen und stofflichen Mischgüte solcher Konzepte bereitzustellen. Hierzu werden 25 Geometrien untersucht, die aus einem CCD-Versuchsplan abgeleitet wurden. Variiert wurden dabei der radiale und Axiale Stegversatz, die Anzahl der Versätze, sowie die Gangsteigung.
Zudem werden drei unterschiedliche Kautschukmischungen auf der Basis von EPDM, SBR und NR mit unterschiedlichen Eigenschaften simuliert, welche gemeinsam mit dem projektbegleitenden Ausschuss festgelegt wurden, sodass eine Relevanz der Mischungen für die Industrie sichergestellt ist. Die Simulationen sollen dabei unter Berücksichtigung des kalten Kerns durchgeführt werden. Dazu wird eine Aufteilung der Inletflächen vorgenommen, was es ermöglicht, dass zwar ein Material mit identischer Modellierung der Materialeigenschaften jedoch unterschiedlichen Temperaturen am Einlass des Strömungsgebiets vorgegeben wird. Somit ergeben sich zwei unterschiedliche Strömungen mit abweichender Viskosität des Materials.
Um die Ergebnisse der Simulationen zu bewerten, wird zum einen die thermische Mischgüte beurteilt, indem die Temperaturverteilung am Auslass des simulierten Strömungsgebiets bewertet wird. Dabei ist erkennbar, ob die Schneckengeometrie geeignet ist, um den kalten Kern abzubauen und zudem den Kautschuk nicht zu stark durch Schereffekte erwärmt, da ein Anvernetzen zwingend vermieden werden muss. Außerdem soll die stoffliche Mischgüte bewertet werden. Dazu wird die Methode der Pathlines in Kombination mit der Delaunay-Triangulation verwendet. Durch die Triangulation kann eine Aussage über die Gleichmäßigkeit der Partikelverteilung am Auslass des Strömungsgebiets getroffen werden.
Nach der Auswahl der drei besten Schnecken auf Basis der Simulationsergebnisse werden diese Schnecken gefertigt und experimentell untersucht. Dazu kommt ein am KTP vorhandener 60mm Kautschukextruder der Firma Troester zum Einsatz, dessen Stiftbohrungen mit Blindstiften verschlossen werden. Um die thermische Homogenität beurteilen zu können, kommt ein Messschwert an der Schneckenspitze zum Einsatz, welches sieben Messstellen aufweist. Über dieses kann die Abweichung der Temperaturen untereinander betrachtet werden. Zudem kann auch der gewichtete Durchschnitt der Temperatur ausgegeben werden, wodurch die Definition einer maximalen Temperatur für jede Kautschukmischung möglich ist. Die Beurteilung der stofflichen Homogenität wird durch die Verwendung von blauen und gelben Kautschukstreifen ermöglicht. Durch den gleichzeitigen Einzug der beiden Streifen kann anhand von Glanzschnitten aus Dead-Stops die Durchmischung des Materials analysiert werden, indem der Anteil der vermischten Fläche (grün) berechnet wird. Dies ermöglicht auch eine Betrachtung der Homogenisierungswirkung entlang der Schnecken.
Die Ergebnisse des 60mm Extruders sollen dann in einem weiteren Schritt auf abweichenden Anlagengrößen validiert werden. Aus den so gewonnenen Ergebnissen können Empfehlungen zur Gestaltung möglicher alternativer Schneckenkonzepte für die Kautschukextrusion abgeleitet werden.