Kontinuierliche Herstellung von Kunststoffprodukten

In den meisten Extrusionsprozessen durchlaufen mehrere Rohstoffe eine komplexe Prozesskette. Entscheidend ist dabei, dass jeder einzelne Prozessschritt optimal auf den Gesamtprozess abgestimmt ist. Nur so können maßgeschneiderte und qualitativ hochwertige Produkte in einem stabilen, ressourcen- und energieeffizienten Prozess hergestellt werden.

Unsere wissenschaftlichen Mitarbeiter erforschen die gesamte Prozesskette der Extrusion von der Aufbereitung über die Schnecken-, Werkzeug- und Prozessauslegung bis hin zur Weiterverarbeitung und Qualitätssicherung. Kennzeichnend für unsere Forschungsaktivitäten ist die integrative Betrachtung aller Prozessschritte. Dies trägt maßgeblich zur Praxisrelevanz und inhaltlichen Qualität unserer Arbeiten bei.

Wir forschen auf dem Gebiet der Extrusion mit folgenden Schwerpunkten:

  • Aufbereitung und Compoundierung
  • Prozesssimulation und Werkzeugauslegung
  • Analyse und Optimierung der Verarbeitungsprozesse

Für unsere Forschungsarbeit steht uns ein hervorragend ausgestattetes Extrusionstechnikum zur Verfügung.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich Extrusion (Verfahrenstechnik)

Der Übergang von einer Linear- zu einer Kreislaufwirtschaft ist angesichts von Klimawandel, Umweltverschmutzung, Bevölkerungswachstum und Ressourcen-abhängigkeit sowohl ökologisch als auch ökonomisch erforderlich. In den 80er und 90er Jahren wurden bereits intensive Anstrengungen zur Entwicklung von Verfahren für die rohstoffliche Wiederverwertung von Kunststoffabfällen unternommen, wobei es aufgrund ungelöster verfahrenstechnischer Problemstellungen und aus wirtschaftlichen Gründen (wie etwa der Unzugänglichkeit von Stoffströmen) bisher nicht zu großtechnischen Anwendungen kam. Die wachsende Problematik der Kunststoffabfallmengen, insbesondere auch der Eintrag von Kunststoffabfällen in Meere und Gewässer, sowie ein größeres Bewusstsein für die Umwelt und ein Bedürfnis nach nachhaltigen Lösungen haben jedoch zu einem neuerlichen Interesse an der rohstofflichen Verwertung geführt.

Aktueller Forschungsschwerpunkt seitens des IKVs liegt auf dem Einsatz von einem Doppelschneckenextruder für die kontinuierliche Depolymerisation von Polystyrol. Erste Ergebnisse zeigen eine Kondensatausbeute von über 60 %. Das gewonnene Kondensat kann durch eine nachgeschaltete Destillation und Fraktionierung getrennt werden und für eine anschließende Polymerisation genutzt werden.

Der nachhaltige Umgang mit Ressourcen erfordert ein Umdenken in Bezug auf das Abfallmanagement. In diesem Zusammenhang gewinnt das Kunststoffrecycling zunehmend an Bedeutung. Beim werkstofflichen Recycling spielen mengenmäßig vor allem Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) eine wichtige Rolle. Die sortenreine Trennung dieser beiden Kunststoffe ist häufig nicht realisierbar, sodass bei der Aufbereitung der jeweiligen Polyolefin-Rezyklate kostenintensive Kompatibilisatoren aufgrund der Fremdpolymeranteile eingesetzt werden müssen.

In diesem Forschungsvorhaben soll daher ein neuartiges Verfahren entwickelt werden, um die Verträglichkeit von PP- bzw. PE-Rezyklat-Blends ohne den Einsatz von Kompatibilisatoren im kontinuierlichen Aufbereitungsprozess zu verbessern. Mit dem Ziel, die Verträglichkeit der Blendpartner zu steigern, wird die Plasmatechnologie zur Funktionalisierung der Schmelze eingesetzt. Die Plasmabehandlung der Kunststoffschmelze bietet die Möglichkeit, funktionelle Gruppen in die Polymerkette gezielt einzubauen und die Haftfestigkeit an den Grenzflächen der Phasen innerhalb des Polymerblends zu steigern.

Im Fokus der Forschung steht, die Interaktionen und Wechselwirkungen zwischen Atmosphärendruckplasma und Kunststoffschmelze in stationären, in diskontinuierlichen sowie in kontinuierlichen Prozessen systematisch zu analysieren.

>> Weitere Informationen und Projekte zum Thema Kreislaufwirtschaft und Recycling am IKV

In vielen mechanisch belasteten Bauteilen werden faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Ein geeignetes Recyclingskonzept zur Wiederverwendung der Fasermaterialien besteht jedoch nicht. Bei Kohlenstofffasern (CF) kann die Faser über kostenintensive Verfahren entweder solvolytisch oder pyrolytisch wiedergewonnen werden. Glasfasern (GF) werden aufgrund ihres geringen Materialwertes am Ende ihres Lebenszyklaus beispielsweise als kostengünstiger Füllstoff im Sheet Moulding Compound Bereich oder im Straßenbau eingesetzt.

Eine alternative Möglichkeit bieten thermoplastische Fasern, welche vielversprechende mechanische Eigenschaften und wirtschaftliche Recyclingmöglichkeiten aufweisen. Ziel dieses Vorhabens ist es daher, Kunststoffe auf Basis von Thermoplastfasern für den Einsatz in technischen Bauteilen zu befähigen. Hierzu werden durch systematische Versuche der Herstellungsprozess und die Materialzusammensetzung gezielt auf die Leistungsfähigkeit des Materialverbundes in einem faserschonenden Prozess optimiert werden. Zusätzlich werden der Einfluss der Weiterverarbeitung und die Recyclingfähigkeit der Compounds analysiert. Somit wird die Prozesskette von der Materialentwicklung über die Aufbereitung und Weiterverarbeitung bis zum Recycling berücksichtigt.

Aktueller Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Einsatz von PET-Fasern in einer PP-Matrix und der geeigneten Wahl des Kompatibilisators für die Matrix‑Faser‑Anhaftung.

In vielen Branchen werden Kunststoffe mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei geringer Dichte nachgefragt. Um diese Eigenschaften zu erreichen, werden Füllstoffe eingesetzt – zunehmend Nanofüllstoffe, wie beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen. Sie versprechen wegen ihrer großen spezifischen Oberfläche und der daraus resultierenden großen Füllstoff-Polymer-Interaktionsfläche deutliche Eigenschaftsverbesserungen bei geringen Füllstoffanteilen. Versuche, Graphen- beziehungsweise CNT-basierte Komposite mithilfe eines Doppelschneckenextruders im industrienahen Maßstab herzustellen, haben jedoch gezeigt, dass bisher keine ausreichende Dispergierungsgüte im Schmelzemischen und somit auch keine überproportionale Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Endprodukt erzielt werden kann.

 

Aktueller Forschungsschwerpunkt seitens des IKV liegt auf der Verbesserung der Dispergierungsgüte der Nanofüllstoffe. Dafür wird in den Prozess der reaktiven Extrusion ein diskontinuierliches sowie ein kontinuierliches Ultraschall-Dispergiersystem integriert. Weiterhin sollen durch die Kombination von nano- und makroskaligen Füllstoffen Synergieeffekte zwischen den Füllstoffen erzeugt werden und die Kompatibilität der Kohlenstoff-basierten Füllstoffe mit der PA6-Matrix durch verschiedenste Copolymerisationen gesteigert werden.

Das IKV erforscht in unterschiedlichen Forschungsprojekten den Einfluss der Verarbeitungsparameter in der Compoundierung und der eingesetzten Füllstoffe auf die resultierenden Materialeigenschaften. Hierdurch konnten elektrisch und thermisch leitfähige Kunststoffcompounds für den Einsatz in Brennstoffzellen, Wärmetauschern oder für dreidimensionale Schaltungsträger im 2K-Spritzgießprozess entwickelt werden. Diese Kunststoffcompounds weisen neben ihrer funktionellen Materialeigenschaft eine gute Verarbeitbarkeit und gute mechanische Eigenschaften auf. 

Bei der Herstellung von diesen technischen Bauteilen werden spezielle Materialrezepturen benötigt. Dabei stehen die funktionellen Materialeigenschaften, wie bspw. eine hohe elektrische Leitfähigkeit, mit den allgemeinen Materialeigenschaften oftmals im Widerspruch. Für die Funktionalisierung von Kunststoffen muss dabei oft ein sehr hoher Füllstoffanteil von über 50 Gew.-% in den Kunststoff eingearbeitet werden. Dadurch werden die Verarbeitungseigenschaften und auch die mechanischen Eigenschaften abhängig vom eingesetzten Füllstoff stark beeinflusst. Bei der Entwicklung von hochgefüllten Kunststoffcompounds muss daher durchgängig die resultierenden Materialeigenschaften betrachtet werden. Nur dann kann ein für die Anwendung geeigentes Kunststoffcompound entwickelt werden. 

Für einen maximalen Wärmeentzug ist eine enganliegende Kühlluftströmung an der Folienblase von großer Wichtigkeit. Die Kühlluftströmung wird jedoch durch den sogenannten Coanda-Effekt negativ beeinflusst, welcher zu einem Anhaften der Kühlluft an der Düsenlippe des Kühlrings führt. Durch diese Anhaftung kann sich Totgebiet im Strömungsfeld ausbilden, wodurch sich der konvektive Wärmeentzug reduziert.

In einem aktuellen Forschungsvorhaben soll daher eine Optimierung bestehender Kühlringe vorgenommen werden, sodass durch die Vermeidung des Coanda-Effekts Kühlleistungssteigerungen möglich sind.

Zunächst wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, mit welchen die Kühlluftströmung im Bereich der Schlauchbildungszone in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter, Düsenlippengeometrien sowie Kühlluftvolumenstromanteilen untersucht wird. Die Validierung des Modells erfolgt anhand einer Strömungsvisualisierung des Kühlluftstroms im realen Prozess, wofür ein entsprechender Versuchstand konzipiert wird. Auf Basis der Simulationen wird zudem eine flexible Düsenlippe entwickelt und erprobt, mit der eine Anpassung der Strömungsverhältnisse und somit eine Optimierung des Prozesses im laufenden Betrieb möglich ist. Da eine optimierte Kühlluftströmung einen höheren Wärmeentzug zur Folge hat, wird zudem der Einfluss den Massedurchsatz als auch auf die optischen sowie der mechanischen Folieneigenschaften (Bruchspannung und -dehnung) untersucht.

Anwendungen von Kunststofffolien reichen von einfachen Tragetaschen bis hin zu Abdeckplanen in der Landwirtschaft. Wesentliches Optimierungsziel der Folienhersteller ist neben der Materialeffizienz vor allem der Ausstoß der Produktionsprozesse. Limitiert wird der Ausstoß insbesondere durch den geringen Wärmeübergangskoeffizienten der Kühlluft, welcher sich jedoch durch eine gezielte Führung der Luft innerhalb der Schlauchbildungszone erhöhen lässt.

Daher wird am IKV an der Entwicklung eines adaptiven Luftkühlringes geforscht, der durch eine flexible Anpassung der Geometrie des Strömungsquerschnittes während der Extrusion im Bereich der Folienblase eine signifikante Steigerung des Massedurchsatzes bei gleichzeitig stabiler Folienblase ermöglichen soll.

In einem ersten Schritt wird eine geeignete Geometrie, welche die Luftführung des Kühlrings aufweisen muss, identifiziert. Auf diesen Ergebnissen folgt die Entwicklung des Kühlrings mit einer elastischen Luftführungsmembran. Die Einflüsse des Kühlrings auf die Folieneigenschaften und den erzielbaren Massedurchsatz werden in praktischen Versuchen ermittelt. Um zudem den Einsatz in der Produktion zu erleichtern, wird ein Konzept zum Betrieb des adaptiven Kühlrings entwickelt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen den Mehrwert eines solchen Systems, da Massedurchsatzsteigerungen von mehr als 30 % möglich sind.

Eine Möglichkeit zur Rohstoffeinsparung bei der Blasfolienextrusion besteht in der Herstellung geschäumter Mehrschichtfolien. Im vorangegangenen IGF-Vorhaben 18977 N konnte eine solche Technologie bereits grundlegend erprobt werden.

Gewünschte mechanische Eigenschaften wie Bruchspannung und -dehnung können bisher nur durch eine Überdimensionierung erreicht werden, da bislang keine präzise Auslegung aufgrund des fehlenden Wissens über die Wirkzusammenhänge zwischen der Molekularstruktur des Kunststoffes und dem Schäumvorgang in der Blasfolienextrusion erfolgen kann.

Das Ziel eines neuen Forschungsvorhabens besteht daher in der Charakterisierung dieser Wirkzusammenhänge. Hierzu werden Untersuchungen mit verschiedenen blasfolientypischen Polyolefinen durchgeführt, die hinsichtlich ihrer Molekülstruktur und Materialeigenschaften charakterisiert werden. Anschließend werden Extrusionsversuche durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Materialstruktur, Prozessführung und Schaumeigenschaften zu bestimmen. Zudem werden für die unterschiedlichen Materialien Empfehlungen für die Prozessführung abgeleitet. Durch einen Vergleich von Schaumstruktur und molekularem Aufbau des Kunststoffes wird die Übertragbarkeit auf andere Kunststoffe (PE-LLDPE, PE-HD und PP) vereinfacht. Für eine weitere Steigerung der Kosteneffizienz der Folienherstellung wird zusätzlich der Einsatz von Rezyklat untersucht.

Während die Schmelze im Extruder und im Werkzeug primär auf Scherung belastet wird, kommt es bei der Schaumextrusion beim Aufschäumen des Kunststoffs zu einer biaxialen Dehnbeanspruchung der Schmelze. Übliche zur Materialcharakterisierung herangezogene Kennwerte, wie z. B. die Scherviskosität oder die Schmelze-Massefließrate, lassen folglich keine Rückschlüsse auf die Verschäumbarkeit eines Kunststoffs zu.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, mithilfe einer prozessintegrierten neuen Messmethode zur Dehnviskositätsbestimmung treibmittelbeladener Schmelzen, umfassende Kenntnis über das Materialverhalten unter uni- und biaxialer Dehnbeanspruchung zu gewinnen.

Zunächst wird ein Inline-Rheometerwerkzeug entwickelt und erprobt, das unter verarbeitungstypischen Bedingungen zur Charakterisierung der treibmittelbeladenen Schmelzen dient. Dadurch wird die tiefgreifende und systematische Analyse der dehnrheologischen Kennwerte mit und ohne Treibmittelbeladung ermöglicht. Die ermittelten Materialeigenschaften werden anschließend mit resultierenden Produkteigenschaften korreliert.

Das Gesamtziel des Verbundprojekts Schaum-MRS-Reaktor ist die Entwicklung eines Reaktors zur entkoppelten reaktiven Modifikation von Kunststoffen zur Integration in den Schaumextrusionsprozess. Die reaktive Modifikation von Kunststoffen wird zur Verbesserung von für den Schäumprozess und die Schaumeigenschaften relevanter Schmelzeeigenschaften eingesetzt. Beispiele sind die Kettenverlängerung von PET und die chemische Vernetzung von PE. Beide Schäumprozesse unterliegen heute vielfältigen Einschränkungen (mehrstufige Prozesse, eingeschränkte Massedurchsätze) welche verhindern, dass die Verfahren sich von Nischenprodukten zu Massenwaren weiterentwickeln.

Entwicklungsziel ist eine Technologie, die eine effiziente Produktion maßgeschneiderter Schaumprodukte erlaubt, indem die Materialmodifizierung in den Produktionsprozess integriert und mehrstufige Prozessketten substituiert werden. Dazu wurde basierend auf einem Mehrwellenextruder ein Reaktor entwickelt, welcher durch die große Reaktionsoberfläche und eine definierte Verweilzeit eine kontrollierte, vom restlichen Prozess entkoppelte reaktive Modifikation ermöglicht.

Nach der Erarbeitung der Anforderungen an die reaktiven Prozesse (Fraunhofer UMSICHT, A. Schulman), wurde hierauf aufbauend ein Prototyp-Reaktors konzipiert und gefertigt (Gneuss), welcher in einer Laboranlage systematisch getestet wird (IKV). Dabei werden die im Labormaßstab produzierte Schäume bei Kunststoffproduzenten getestet (Trocellen, Inde Plastik).

Die wesentlichen Eigenschaften geschäumter Bauteile werden nicht nur durch den Werkstoff, sondern auch durch die Schaumstruktur stark beeinflusst. Trotz der enormen Bedeutung der Schaumstruktur auf die Extrudateigenschaften existieren für Kunststoffschäume keine durchgängigen Möglichkeiten zur Inline‑Qualitätssicherung.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein Regelungskonzept für den Schaumextrusionsprozess auf Basis einer Inline-Schaumstrukturanalyse aufzubauen. Der Lösungsansatz basiert auf der digitalen Bildverarbeitung. Im Fokus steht die Entwicklung eines optischen Inspektionssystems zur prozessintegrierten Schaumstrukturcharakterisierung geschäumter Platten und Folien. Das Messsystem basiert auf einer bildanalytischen Erfassung der Schaumstruktur anhand von Schnittkanten- und Oberflächenbildern. Die Datenerfassung wird mit einem Klassifikationsmodell gekoppelt, um die Zellmorphologie systematisch und zugleich zuverlässig hinsichtlich geeigneter Qualitätskriterien zu bewerten.

Das Gesamtsystem bietet die Möglichkeit, Veränderungen in der Schaumstruktur frühzeitig zu erkennen. In Kombination mit einer Handlungsempfehlung auf Basis der qualitätsrelevanten Prozessparameter, wird der Anlagenbediener zeitaktuell zu einer Prozessoptimierung befähigt.

Die rohstoff- und verarbeitungsabhängige Belagsbildung auf hochglänzenden Walzenoberflächen begünstigt lokal differierende Wärmeübergangskoeffizienten, wodurch die optischen und mechanischen Eigenschaften der Folie herabgesetzt werden. Um dennoch hohe Produktqualitäten bei der Folienextrusion zu gewährleisten und Ausschussproduktion zu vermeiden, werden die Walzenoberflächen manuell im Stillstand gereinigt, was zu hohen Kosten infolge von Produktionsausfällen führt.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erhöhung des Prozessverständnisses zur Entstehung von Ablagerungen auf Walzenoberflächen und die Entwicklung eines auf der digitalen Bildverarbeitung basierenden Systems zur stillstandfreien Walzenreinigung.

Zunächst erfolgt der Aufbau eines kamerabasierten Messsystems sowie die Entwicklung geeigneter Bildverarbeitungsalgorithmen zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Belagsbildung auf der Kühlwalzenoberfläche. Um mögliche Einflüsse der Rezeptur, wie beispielsweise das Molekulargewicht, die Polarität oder einer Rezepturkomponente auf die Belagsbildung zu erforschen, werden die Ablagerungen in Extrusionsversuchen gezielt hervorgerufen und mittels Infrarotspektroskopie charakterisiert. So ist es möglich, eine Korrelation zwischen den physikalischen Eigenschaften eines Kunststoffs und der Tendenz zur Belagsbildung zu ermitteln und prozesstechnische Handlungsempfehlungen auszusprechen. Zur rückstandsfreien Entfernung nicht vermeidbarer Rückstände erfolgt die Entwicklung eines mit dem optischen Messsystem gekoppelten Reinigungssystems.

Dornhalterwerkzeuge gehören zu den etablierten Extrusionswerkzeugen zur Herstellung von Kunststoffhalbzeugen wie Rohre oder Schläuche. Sie zeichnen sich durch ihren einfachen, modularen Aufbau und ihr betriebspunktunabhängiges Verhalten mit sehr gleichmäßigen Austrittsvolumenströmen aus. Nachteilig gegenüber anderen Werkzeugen ist das konstruktionsbedingte Auftreten von Bindenähten im Extrudat. Diese entstehen beim Umströmen der Dornhalterstege und setzen die mechanischen und optischen Eigenschaften des Extrudats herab.

In diesem Vorhaben wird die Vermeidung von Bindenähten in Dornhalterwerkzeugen mittels eines neuartigen Ansatzes untersucht. Die Dornhalterstege werden nach dem Vorbild statischer Mischelementen umgestaltet. Ziel ist es, Querströmungen zu erzeugen, die zu Schmelzeumlagerungen führen. Dadurch soll die Schmelze homogenisiert und der Bindenahteinfluss auf mechanische und optische Extrudateigenschaften reduziert werden. In simulativen Untersuchungen wurden neuartige Stegdesigns identifiziert. Die Stege werden nun mittels Selektivem Laserschmelzens (SLM) gefertigt und in Praxisversuchen getestet. Die so hergestellten Extrudate werden einer Prüfung der optischen und mechanischen Eigenschaften unterzogen.

Durch die Ergebnisse des Vorhabens soll eine neuartige, innovative und wirtschaftliche Werkzeugtechnik bereitgestellt werden, deren primäres Einsatzgebiet die Rohrextrusion und die Hohlkörperherstellung mittels Blasformen darstellt.

Charakteristisch für thermogeformte Produkte ist eine inhomogene Wanddickenverteilung, die sich durch lokal unterschiedliche Verstreckgrade der Kunststofffolie ergibt. Die dünnsten Wanddicken des Bauteils stellen häufig Schwachstellen dar, sodass das Produkt auf diese Stelle hin dimensioniert wird. Durch eine Anpassung bzw. Homogenisierung der Wanddickenverteilung kann das Überdimensionieren der vergleichsweisen dicken Bauteilbereiche verhindert sowie die Materialeffizienz gesteigert werden.

Die Wanddickenverteilung kann durch eine Temperaturprofilierung erfolgen. Durch lokal unterschiedliche Folientemperaturen kann die Wanddickenverteilung angepasst werden. Bereiche der Folie mit hoher Verstreckung, die zu Dünnstellen im Produkt führen, wird aktiv mittels Kühlstempel Wärme entzogen. Somit wird die Folie lokal weniger verstreckt und die kritischen Wandbereiche verstärkt.

Die verfahrenstechnische Veränderung besteht darin, dass das Halbzeug nach der homogenen Erwärmung und dem Umsetzen in die Formstation durch einen Kühlstempel lokal abgekühlt wird. Der Kühlstempel ersetzt dabei den konventionellen Vorstreckstempel. Durch die Temperaturprofilierung werden die stark temperaturabhängigen Verstreckeigenschaften des Kunststoffs lokal angepasst und somit die Verstreckwiderstände beeinflusst. Die Becherbauteile mit verschiedenen Wanddickenverteilungen werden außerdem auf ihre Topload-Stabilität mittels Stauchtests geprüft, um so eine Aussage über die mechanische Belastbarkeit der Wanddickenverteilungen zu ermöglichen.

Beim Thermoformen werden zur Homogenisierung der Wanddickenverteilung der Formteile Vorstreckstempel eingesetzt. Die Auslegung der Stempel erfolgt noch immer zu einem großen Teil empirisch in aufwendigen Iterationsschleifen. Durch den Einsatz von Umformsimulationen kann der Entwicklungsprozess von Vorstreckstempeln sowie die Inbetriebnahme verkürzt werden. Herausfordernd ist jedoch die Modellierung der Stempel/Halbzeug-Interaktion. Insbesondere die Bestimmung realer Reibkoeffizienten ist extrem aufwendig und führt zu ungenauen Ergebnissen.

Daher soll über einen Reverse-Engineering-Ansatz die Bestimmung der für die Umformsimulation erforderlichen Reibkoeffizienten durch Ermittlung von Ersatzreibwerten vereinfacht werden. Dazu werden einerseits Umformsimulationen mit verschiedenen Reibwerten durchgeführt und der Einfluss auf die Wanddickenverteilung des simulierten Formteils analysiert. Andererseits werden Vorstreckstempel mit unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten hergestellt, die beim Einsatz zu unterschiedlichen Wanddickenverteilungen der Formteile führen.

Durch einen Vergleich der resultierenden Wanddicken der Formteile der Simulation und der Experimente wird der Zusammenhang zwischen den simulativ zu verwenden Reibwerten und den Oberflächenrauigkeiten des Stempels erfasst. Anschließend wird überprüft, inwieweit sich die Erkenntnisse aus diesem Reverse-Engineering Ansatz auf andere Formteil- bzw. Stempelgeometrien übertragen lassen. 

Entscheidende Qualitätskriterien für extrusionsblasgeformte Hohlkörper sind sowohl die Wanddicke und ihre Verteilung als auch die Geometrie des Vorformlings. Durch eine anforderungsgerechte Wanddickenverteilung werden mechanischen Formteilbelastungen optimal verteilt. Gleichzeitig resultiert ein verringerter Materialaufaufwand sowie eine verbesserte Produktivität des Blasformprozesses. Um ein Formteil mit einer gleichmäßigen Wanddickenverteilung herstellen zu können, muss eine Profilierung des Vorformlings entsprechend der inhomogenen Verstreckgrade beim Aufblasvorgang berücksichtigt werden. Nach der Entformung wird die Wanddicke mithilfe von Einzelpunktmessungen erfasst. Das punktuelle Messen der Wanddicke ist zeitaufwendig und anfällig für Einflüsse durch den Anwender. Insbesondere für komplex geformte Formteile oder für Hohlkörper, die eine 100 %-Kontrolle erfordern, wie Gefahrgutverpackungen, eignet sich dieses arbeitsintensive Vorgehen nur begrenzt.

In diesem Forschungsprojekt soll ein neues Verfahren zur berührungslosen Überwachung des Vorformlings ein thermografiebasiertes Verfahren entwickelt werden. Dieses Verfahren soll die prozessintegrierte Überwachung der äußeren Abmessungen des Vorformlings sowie der Wanddicke und der Temperaturverteilung ermöglichen.

Das Extrusionsblasformen ermöglicht die wirtschaftliche Herstellung von Kunststoffhohlkörpern mit komplexen Geometrien und unterschiedlichsten Volumina. Steigende Anforderungen an die Produktqualität haben auf dem Blasformsektor zu Veränderungen und verstärkten Qualitätsbemühungen bei Maschinenherstellern und Verarbeitern geführt.

In diesem Forschungsprojekt wird der Einsatz einer variothermen Temperierung im Blasformwerkzeug untersucht, um so die Bauteilqualität zu verbessern. Zunächst werden Werkzeugeinsätze für das Blasformwerkzeug mit variothermer Temperierung thermisch ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Anhand dieser Werkzeugeinsätze kann die variotherme Temperierung für die kritischen Bereiche Quetschnaht, Insert und Oberfläche getrennt untersucht werden. Die Untersuchungen werden hinsichtlich des Prozesses, der Zykluszeit, des Energieverbrauchs und der entstehenden Kosten gegenüber der erzielbaren Bauteilqualität bewertet. Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass durch eine variotherme Werkzeugtemperierung die Bauteilqualität verbessert werden kann. Durch diese Verbesserung ist es möglich, die Materialeffizienz blasgeformter Produkte zu steigern.

Aktuelle Forschungsprojekte im Bereich Extrusion (Simulation)

Eine hohe stoffliche und thermische Schmelzehomogenität ist von entscheidender Bedeutung für eine defektfreie und schwankungsarme Herstellung von Extrudaten. Um eine ausreichende Homogenität zu erreichen, werden statische Mischer eingesetzt, die die Eigenschaften der Schmelze durch Aufteilung und Rekombination der Schmelze vergleichmäßigen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mittels Strömungssimulation in der Software OpenFOAM statische Mischer zu entwickeln, die eine bessere Mischwirkung bei geringerem Druckverlust aufweisen. Zur Maximierung der Designfreiheit wird eine additive Fertigung der Mischer mittels Selective Laser Melting vorgesehen. Da Wärmeabfuhr einen Ansatz zur Bekämpfung von lokalen Temperaturspitzen der Schmelze darstellt, werden auch die Geometrien der Mischerstege zur Öltemperierung überarbeitet.

Mit der Lagrange-Methode sollen automatisiert Geometrien bestimmt werden, die einen minimalen Druckverlust, maximale stoffliche und thermische Schmelzehomogenität, sowie optimale Temperierkanalgeometrien aufweisen. Anschließend werden die vielversprechendsten Varianten additiv gefertigt und experimentell verglichen, um das Betriebsverhalten zu bewerten. Eine Wirtschaftlichkeitsanalyse ergab, dass die Geometrie zu Preisen von unter 1000 € gefertigt werden kann und daher eine attraktive Nachrüstlösung insbesondere auch für kleine und mittlere Unternehmen darstellt.

Um Extrudate hoher Qualität herzustellen zu können, muss die Schmelze eine hohe Homogenität aufweisen. Sie muss dabei nicht nur stofflich und thermisch homogen sein, sondern darf auch keine Agglomerate aus Füllstoffen aufweisen. In der Praxis stellt dies oftmals ein Mischelement an der Schneckenspitze sicher, indem es die Schmelze dispersiv und distributiv mischt. Die Auslegung des Mischelements erfolgt größtenteils auf Basis von Erfahrungswissen und Experimenten, was kostenintensiv ist und nicht zu optimalen, genau auf den Prozess abgestimmten Mischelementen führt.

Daher entwickeln Wissenschaftler des IKV und des Lehrstuhls für computergestützte Analyse technischer Systeme (CATS) eine Methodik zur automatisierten Auslegung von Mischelementen in Einschneckenextrudern. Die Grundlage dieser Methodik ist ein Simulationsmodell, das nicht nur Strömungs- und Mischvorgänge erfasst, sondern auch die Interaktionen zwischen dem dispersiv mischenden Scherteil und dem distributiv mischenden Teil wiedergibt. Hierfür ist gerade eine korrekte Wiedergabe des Schmelzeverhaltens in den sehr engen Scherspalten nötig. Durch Anpassung der Strömungssimulation-Software OpenFOAM konnte dies erreicht werden.

Darüber hinaus wurden ein auf diesen Simulationen aufbauendes Konzept zur automatisierten Optimierung von Mischteilen entwickelt, das erst einzelne repräsentative Fließhindernisse optimiert und diese dann zu einem Mischelement zusammenfügt. So kann bei der Optimierung in signifikantem Maße Rechenzeit eingespart werden.

Ziel der Werkzeugauslegung von Wendelverteilern für die Blasfolienextrusion ist eine homogene Geschwindigkeitsverteilung am Werkzeugaustritt. Eine große Herausforderung ist hierbei die Kompensation thermischer Effekte im Vorverteiler, die zu einem ungleichmäßigen Fließen des Kunststoffs in den Wendeln führen. Gründe dafür sind lokal unterschiedliche dissipative Schererwärmungen der Schmelze und Temperaturunterschiede im Werkzeug entlang der einzelnen Wendeln.

In diesem Vorhaben wird die Beeinflussung der Masseströme durch Düsen als lokal verstellbare Fließwiderstände erprobt, die zwischen Vor- und Hauptverteiler in das Werkzeug integriert werden. Zunächst werden verschiedene Düsenkonzepte simulativ ausgelegt, durch praktische Laborversuche evaluiert und anschließend optimiert. Das entwickelte Konzept wird im Blasfolienextrusionsprozess praktisch erprobt und Zusammenhänge zwischen Prozesspunkten, Düseneinstellungen und resultierenden Durchsatzverteilungen erarbeitet.

Mit dem entwickelten Ansatz können für Blasfolien- und Rohrextrusion Qualitätssteigerungen und Ressourcenersparnisse durch engere Dickentoleranzen in den Produkten erzielt werden. Die Umsetzbarkeit wird dadurch begünstigt, dass das vorgeschlagene Konzept die Möglichkeit zur Nachrüstung in bereits bestehende Anlagen vorsieht.

Die Planlage gewinnt mit der steigenden Automatisierung der Anlagen ständig an als Qualitätskriterium Bedeutung, da sie die Geschwindigkeit der Weiterarbeitung der Folie z. B. im Drucken beeinflusst. Die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern und Folienplanlage sind - nicht zuletzt aufgrund der schlechten Messbarkeit der Planlage - bisher kaum erforscht.

Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die prozesstechnischen Einflussfaktoren auf die Folienplanlage zu identifizieren sowie die Bahnqualität durch die gezielte Vermeidung von ungünstigen Betriebspunkten deutlich zu verbessern. Hierzu erfolgt durch eine Analyse der strömungstechnischen und thermischen Phänomene bei der Blasenbildung, -abkühlung und Folienflachlegung mit den Methoden der digitalen Bildverarbeitung.

Zentrales Ergebnis dieses Projekts wird ein neu entwickeltes, objektives und quantitatives Kriterium zur Bewertung der Planlage sein. Durch Nutzung dieses Kriteriums können der Massedurchsatz und die Folienqualität erhöht werden.

Obwohl in der modernen Produktionstechnik große Datenmengen anfallen, sind diese bisher weder einfach zugänglich, noch vernetzt und so interpretierbar, dass daraus Wissen generiert werden kann. Das Exzellenzcluster "Internet of Production" verfolgt die Vision, ein neues Niveau bereichsübergreifender Kollaboration zu ermöglichen, indem semantisch adäquate und kontextbezogene Daten aus Entwicklung, Produktion und Nutzung in Echtzeit und optimaler Auflösung zur Verfügung gestellt werden.

Im Rahmen des Internet of Production wird daher im Bereich der Extrusion untersucht, welche Methoden sich eignen, um mit bestehenden Modellen des Extrusionsprozesses ohne Präzisionsverlust vereinfacht und schneller simulieren zu können. Zusätzlich wird untersucht, wie derartig reduzierte Modelle verschiedener Komponenten miteinander verknüpft werden können, um im Prozess erfasste Daten zielgerichtet zurückzuführen und die Produktqualität auch für nicht perfekt eingeschwungen Prozesse noch genauer vorhersagen zu können.

Die Wanddickenverteilung ist bei thermogeformten Formteilen eine qualitätsrelevante Eigenschaft und ergibt sich durch die lokal inhomogene Materialverstreckung. Je nach Wanddickenverteilung unterscheiden sich die Formteileigenschaften wie die Topload-Festigkeit. In der Produktion kann durch Störeinflüsse, wie z. B. eine Änderung der Umgebungstemperatur, die Wanddickenausbildung beeinflusst und damit die Formteilqualität beeinträchtigt werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, die Vorhersage der Wanddickenverteilung unter Produktionsbedingungen durch einen digitalen Zwilling des Thermoformprozess umzusetzen. Bei dem digitalen Zwilling handelt es sich um eine Prozesssimulation, die die Wanddickenverteilung während der Produktion auf Basis von Live-Daten der Anlagensensorik approximiert. Auf Basis dieser Daten kann die Auswirkung von Schwankungen im Prozess auf die Wanddickenverteilung vorhergesagt werden.

Der digitale Zwilling wird in dem Forschungsvorhaben durch verschiedene Materialmodelle   und Modelle zur Beschreibung der Temperaturverteilung des Halbezeugs umgesetzt, die sich hinsichtlich der benötigten Rechenzeit und der Genauigkeit unterscheiden. Anschließend werden die Modelle bewertet und darauf basierend eine geeignete und effiziente Konfiguration ausgewählt. Im weiteren Verlauf wird die Vorhersage der Auswirkungen von beispielsweise Temperaturschwankungen der Anlagenumgebung auf die Wanddickenverteilung der Forteile untersucht.

Das Ergebnis des Forschungsvorhabens ist eine Methodik zum Aufbau eines digitalen Zwillings des Thermoformprozess zur Vorhersage der Wanddickenverteilungen produzierter Formteile. Mit dem digitalen Zwilling kann die Effizienz der Thermoformanlage erhöht werden, da Ausschuss frühzeitig erkannt und der Prozess angepasst werden kann.

Aufgrund des steigenden Einsatzes von Digitalisierungsansätzen in Extrusionsprozessen, sind in den nächsten Jahren erhebliche Veränderungen in der industriellen Praxis zu erwarten. Durch die konsequente Nutzung digitaler Daten werden in der Produktion Effizienz- sowie Qualitätssteigerungen bei reduziertem Materialeinsatz ermöglicht. Gleichzeitig bieten sich vielversprechende Chancen neue, digitale Geschäftsmodelle in kunststoffverarbeitenden Unternehmen zu etablieren, sodass eine nachhaltige Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit erfolgt.

Das IKV erforscht das Potenzial datengetriebener Optimierungen von Extrusionsprozessen sowie den Einsatz der ungenutzten Vielfalt von Produktions- und Simulationsdaten vor- und nachgelagerter Produktionsschritte (z. B. der Compoundierung und der Weiterverarbeitung im Thermoformverfahren). Ziel der Vernetzung einzelner Assets entlang der Wertschöpfungskette ist die Verwendung von Daten zum Aufbau flexibler Fertigungszellen zur Steigerung des Automatisierungsgrades. Die betriebsübergreifende Vernetzung der Planungs- und Produktionsebene führt so zu einer Steigerung der Produktivität und der Produktqualität bei reduzierten Kosten.

Mit dem Aufbau des am IKV entstehenden „Plastics Innovation Center 4.0“ wird die Extrusion als Schnittstellentechnologie in den Aufbau autonomer Fertigungszellen integriert und der Mehrwert der Digitalisierung von Extrusionsprozessen aufgezeigt.

Wir erarbeiten Lösungen für die Industrie

Die Extrusion ist das bedeutendste Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Halbzeugen und Produkten aus Kunststoff. Das zeigt sich zum Beispiel in den jährlich verarbeiteten Rohstoffmengen. Die Anwendungsbereiche dieser Verarbeitungstechnologie sind äußerst vielfältig: Extrusionsprodukte reichen von Verpackungen im Lebensmittel- und Konsumgüterbereich über technische Profile aus dem Möbel- und Fensterbau bis hin zu blasgeformten Hohlkörpern für Getränke oder Kraftstofftanks. Darüber hinaus kommt die Technologie der Extrusion auch bei der Aufbereitung und Compoundierung von thermoplastischen Materialien zum Einsatz.

Die anwendungsnahen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IKV sind gekennzeichnet durch die integrative Betrachtung aller Prozessschritte. Nur so können maßgeschneiderte und qualitativ hochwertige Produkte in einem stabilen, ressourcen- und energieeffizienten Prozess hergestellt werden.

Häufige Fragestellungen

Kooperationsprojekte mit unseren Partnern aus der Industrie behandeln oft mehrere der folgenden  Fragestellungen, für die wir individuelle und unmittelbar umsetzbare Lösungen erarbeiten:

  • Extrusionsgerechte Materialauswahl
  • Entwicklung funktionaler Compounds und Herstellung von Compounds im Labormaßstab
  • Werkzeug- und Prozessauslegung mittels Simulation
  • Analyse des Einfluss des Verarbeitungsprozesses auf die Halbzeugeigenschaften
  • Machbarkeitsstudien und Bewertung der Verarbeitbarkeit
  • Bewertung der Weiterverarbeitbarkeit von Halbzeugen
  • Ermittlung von Verarbeitungseigenschaften
  • Verfahrensentwicklung und -analyse
  • Parameterstudien und Optimierung
  • Verfahrensauswahl

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