3D-Simulation verbessert Kunststoffverarbeitung
Während Computersimulationen in den Entwicklungsabteilungen der Automobilindustrie bereits seit Langem zum Standard zählen, spielen diese Verfahren jetzt zunehmend auch in der Kunststofftechnik eine tragende Rolle bei der Verbesserung der Materialeigenschaften und Produktionsverfahren.
Insbesondere in der Kunststoffindustrie werden laut Frank Platte auch heute noch viele Entscheidungen auf Basis von „Erfahrungswerten“ und experimentellen Untersuchungen getroffen. Dabei, so der Geschäftsführer der Ianus Simulation GmbH, Dortmund, ließen sich viele Prozesse durch den Einsatz der Simulationstechnologie deutlich optimieren.
Mithilfe von 3D-Simulation Materialeigenschaften verbessern
„Mithilfe von detaillierten 3D-Simulationen“, so betonte der Experte gegenüber den VDI nachrichten, „können wir produktionsrelevante lokale Temperatur- oder Spannungsspitzen studieren und aufdecken. Zudem bieten diese Verfahren in Zukunft auch die Möglichkeit, neuartige Misch- und Förderelemente auf ihre verbesserten Eigenschaften hin zu untersuchen.“
Für die Verwendung von Gleichdrall-Doppelschneckenextrudern zum Beispiel haben Wissenschaftler innerhalb eines Gemeinschaftsforschungsprojektes zwischen führenden Unternehmen aus der Kunststoffindustrie und dem Kunststofftechnikinstitut KTP der Universität Paderborn die Simulationssoftware Sigma als Alternative zur oftmals angewandten „Trial-and-error“-Methode geschaffen. Die Software liefert Ergebnisse für alle relevanten Prozessgrößen wie Druckverlauf, Füllgrad, Temperaturverlauf, Aufschmelzverlauf, Verweilzeitverhalten oder Antriebsleistung.
Extrud3d: 3D-Simulation für die Kunststoffverarbeitung
Für einen detaillierten Einblick in die für Kunststoffverarbeiter interessanten Prozessgrößen hat Ianus Simulation dazu eine Software namens Extrud3d entwickelt. Sie wird als Modul von der Sigma-Software aufgerufen, welche alle nötigen Parameter übergibt. So können die Anwender laut den Unternehmensangaben in der Simulation erstmalig automatisch in vollgefüllten Bereichen den Extrusionsprozess räumlich und zeitlich voll aufgelöst betrachten. Prozesse von gleichläufigen Doppelschneckenextrudern lassen sich damit bereits vor der Erprobung im Labor umfassend beurteilen, sodass der Kosten- und Zeitbedarf für die Erstellung und Optimierung eines Prozesses bedeutend reduziert werden kann.
Die meisten Anwender der Software nutzen nach Aussage von Prof. Volker Schöppner vom KTP Sigma zur Unterstützung ihrer Versuchsreihen. „Durch die Simulationen“, so der Experte für Kunststoff- und Kautschukverarbeitung, „können Prozesseffekte, wie Drehzahlerhöhung mit anschließender Temperaturerhöhung, abgeschätzt werden. Das verkleinert bei Material- und Maschinenherstellern die Versuchsreihen und führt somit zu teilweise hohen Kostenersparnissen.“
„Ein Unternehmen berechnet gerade mit unserer Software die Auslegung seiner Maschine für die Verarbeitung von Polyester-Flaschenregranulat“, nennt Schöppner als aktuelles Beispiel. Der Anwender hoffe, mit den Ergebnissen bei der Investition für einen Extruder 25 000 € sparen zu können. Und ein Compoundierbetrieb ermittle mit der Software die Betriebspunkte der Produktionsmaschinen anhand der Ergebnisse im Materialentwicklungslabor. Er würde damit einige Versuchstage einsparen, die bei seinen großen Anlagen (Materialdurchsatz 1600 kg/h) teuer würden.
Steigerung der Energieeffizienz durch 3D-Simulation
Doch damit ist das Optimierungspotenzial der Simulationssoftware noch lange nicht ausgereizt. Insbesondere das Thema Energieeffizienz gewinnt nach Ansicht des Wissenschaftlers in der Kunststoffindustrie zunehmend an Bedeutung. So biete beispielsweise der gleichläufige Doppelschneckenextruder sowohl aus verfahrenstechnischer als auch aus konstruktiver Sicht ein hohes Potential zur Steigerung der Energieeffizienz. Um mithilfe der Simulation kosteneffiziente Schneckenkonfigurationen und Betriebspunkte schnell identifizieren zu können, werde deshalb in Sigma/Sigma-Extrud3d derzeit daran gearbeitet, auch monetäre Größen zu erfassen um dem Anwender dadurch die Möglichkeit zur Abschätzung der Betriebskosten zu geben.
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