In dem durchgeführten Forschungsprojekt wurden repräsentative Partikel für die Simulationen von Polyolefingranulat und adhäsiven PE-HD-Pulverpartikeln mittels Diskreter-Elemente-Methode (DEM) durch neuartige Kombinationen von Erweiterungen für Kontaktmodelle kalibriert. Für die Simulationen wurden zunächst Partikel verschiedener Kunststoffgranulate und eines Pulvers untersucht, vermessen und in einem nächsten Schritt dann virtuell repräsentative Partikel für die Simulationen erstellt. Zur Kalibrierung des Partikelverhaltens in den Simulationen wurden Rieselversuche mit einem Trichter, dessen Seitenwände im Winkel variabel verstellbar sind, durchgeführt. Bei den Rieselversuchen wurden der Massenstrom und der Schüttwinkel des Materials bestimmt. Zur Justierung der Partikel wurden die Versuche eins zu eins mit der DEM nachsimuliert. Zusätzlich zur Kalibrierung der Partikel wurden Versuche auf einem Doppelschneckenextruder mit PMMA-Gehäuse durchgeführt, um das Verhalten der Partikel in den Simulationen optisch mit den experimentellen Untersuchungen validieren zu können. Es wurden erstmalig Simulationen für adhäsive Materialien in DSE mit mehreren Millionen Partikeln über eine simulierte Zeit von mehreren zehn Sekunden durchgeführt. Dadurch konnte das komplexe Einzugsverhalten bzw. der Verlauf des maximal einziehbaren Massestroms eines pulverförmigen Werkstoffs in den DEM-Simulationen erstmalig gut abgebildet und damit untersucht werden. In den Studien wurde das Einzugsverhalten von Granulaten und Pulvern in DSE sowie Phänomene wie Zirkulation von Feststoff und Materialanhaftungen im Trichter untersucht. Die simulierten Betriebspunkte und entdeckten Phänomene wurden am Ende des Projekts mit Technikumsversuchen validiert. Die Absolutwerte für pulverförmige Werkstoffe weichen teilweise noch von Versuchsergebnissen ab, was höchstwahrscheinlich auf das Fehlen von Kompressibilität der repräsentativen Partikel für Pulver zurückzuführen ist. Das Verhalten der Partikel, insbesondere Adhäsion und Abhängigkeiten von Geometrie- und Verfahrensparametern werden korrekt wiedergegeben und ermöglichen eine Vorhersage des Verhaltens in Bezug auf Einzugsgrenzen. Die Simulationsmethode mit DEM kann auf andere Bereiche außerhalb der Kunststofftechnik übertragen werden. Die Simulation verschiedener Betriebspunkte eines DSE mit verschiedenen Schneckenkonzepten für den Einzugsbereich konnte erfolgreich zur Erstellung von analytischen Funktionen genutzt werden. Die analytischen Funktionen wurden in ein Demonstrationsprogramm integriert. Dieses berechnet unter Eingabe bestimmter Geometrie- und Werkstoffdaten die maximal von einem DSE bestimmter Bauart einziehbaren Masseströme für Granulat oder Pulver als obere Abschätzung. Auch die Skalierbarkeit der Ergebnisse konnte demonstriert werden.
Die Forschungsziele des Vorhabens konnten erreicht werden. Für zukünftige Untersuchungen sollen weiterentwickelte Simulationsmethoden zum Einsatz kommen, bei welchen auftretende Luftströmungen mitberücksichtigt werden.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 06/2020 bis 05/2023 an der Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (Böblinger Straße 70, 70199 Stuttgart, Tel. 0711/685-62811) unter der Leitung von Dipl.-Ing. Alptekin Celik (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr.-Ing. Christian Bonten)
Das IGF-Vorhaben Nr. 20989 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.