Materialschonende Verarbeitung von Thermoplasten auf Wave-Schnecken

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Christoph Schall

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In der kunststoffverarbeitenden Industrie gibt es grundlegend Entwicklungen in zwei Richtungen. Beide Entwicklungsziele werden im Rahmen der Dissertation behandelt und im folgendem kurz vorgestellt. 1.) Seit jeher steht die Gewinnmaximierung im Fokus der meisten Unternehmen. Für die Extrusion von Kunststoffen, welches das mengenmäßig dominante Verarbeitungsverfahren für Kunststoffen darstellt, wird dies über einen hohen Massedurchsatz bei einem gleichzeitig effizienten Prozess erreicht. Die letzte große Innovation in der Thermoplastextrusion stellt die Verwendung von Barriereschnecken dar, welche im Vergleich zu den vorherig verwendeten Mehrzonen-Schnecken eine höhere Aufschmelzleistung, eine besser beherrschbare Schmelzetemperatur bei besserer Schmelzehomogenität erreichen.Die Barriereschnecken wurde Anfang der 1960er Jahre durch Maillefer patentiert und durch Geyer, Dray und Lawrence, Barr, Hsu, Kim und Weiteren stetig weiterentwickelt. Noch heute kann die Barriereschnecke als universell einsetzbares Schneckenkonzept angesehen werden. Eine Steigerung des Massedurchsatzes bei gleichbleibender Anlagengröße ist mit dem bereits vielfach verbesserten Konzept der Barriereschnecke somit nur noch bedingt möglich. Eine größere Anlage für höhere Massedurchsätze hingegen würde eine schlechtere Energieeffizienz bedeuten, sodass dies als schlechter Kompromiss gesehen werden kann. Um den Massedurchsatz bei gleichbleibender Anlagengröße, und somit auch mit einer guten Energieeffizienz, steigern zu können, müssen somit neue innovative Schneckenkonzepte erforscht werden. Auch wenn das Konzept der Wave-Schnecke bereits 1975 patentiert wurde, wurde diesem Schneckenkonzept im Laufe der Jahrzehnte nur wenig Beachtung entgegengebracht und ist somit in Vergessenheit geraten. Da Wave-Schnecken jedoch durch ihr forciertes disperses Aufschmelzverhalten eine hohe Aufschmelzleistung bei gleichzeitig geringer Schmelzetemperatur und hoher Schmelzehomogenität versprechen, wird dieses Schneckenkonzept ausgiebig untersucht und das Prozessverhalten mit konventionellen Schnecken verglichen. 2.) Das zweite Entwicklungsziel ist deutlich jünger und stellt branchenübergreifend eine wichtige Thematik dar. Durch die allgemein stattfindende Sensibilisierung hin zu einer umweltschonenden Lebensweise und hin zu einer möglichst nachhaltigen Produkterzeugung für Unternehmen, ist die Bestrebung hin zu einer möglichst optimalen Kreislaufwirtschaft entstanden. Hierdurch sollen Ausgangsmaterialien fossilen Ursprungs weitestgehend vermieden und für das Beispiel der Kunststoffbranche durch recycelten Kunststoff ersetzt werden. Hierdurch wird gleichzeitig CO2 eingespart, sowie auch Müll vermieden. Der Weg hin zu einem möglichst geschlossenem Werkstoffkreislauf bringt hierbei für Kunststoffe unter anderem die Herausforderung einer häufigen Verarbeitung mit sich, ohne dass hierbei die Polymerketten zu stark geschädigt werden, da hierdurch auch die Materialeigenschaften negativ beeinflusst werden können. Um eine möglichst hohe Recyclingquote als auch -qualität bei Kunststoffen zu erreichen müssen die Verarbeitungsprozesse somit materialschonend ausgelegt werden. Dies ist dank mangelnder Vorhersagemethoden nicht Stand der Technik. Es wird daher eine Methode, welche eine Vorhersage des Materialabbaus erlaubt, vorgestellt und am Beispiel der Einschneckenextrusion validiert.