Der Planetwalzenextruder hat sich als Spezialist unter den Compoundierextrudern für die Aufbereitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen etabliert. Im Vergleich zu anderen Extrusionssystemen ist der Kenntnistand zum Materialtransport, des Energieeintrags und des Aufschmelzens in der Maschine jedoch mangelhaft. Insbesondere analytische Modelle zur Beschreibung des Prozessverhaltens von Planetwalzenextrudern fehlen vollständig. Dies wird bei der Auslegung und Optimierung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder durch die steigende Komplexität der Prozesse zunehmend zum Problem. Diese Arbeit zum Thema "Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders" soll einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderung liefern. In der vorliegenden Arbeit wird eine mathematische Beschreibung der Geometrie- und Geschwindigkeitsverhältnisse im Planetwalzenextruder entwickelt. Darauf aufbauend werden Modellierungsansätze aus der Ein- und Doppelschneckenextrudertheorie an die Geometrie- und Prozessbedingungen des Planetwalzenextruders angepasst. Hierzu werden die Teilbereiche Materialförderung, Plastifizierung, Temperatur- und Leistungseintrag getrennt modelliert und anschließend gekoppelt. Experimentelle Betrachtungen werden dabei für die Modellbildung und Validierung genutzt. Damit steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das wichtige Prozesskenngrößen wie Druck, Temperatur, Aufschmelzgrad, Viskosität, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit entlang des Planetwalzenextruders bestimmen und darstellen kann. Für die untersuchten Materialien wird in den Berechnungen eine Vorhersageunsicherheit von etwa 20 % erreicht. Die entwickelten Modelle stellen damit einen ersten Schritt für eine simulationsunterstützte Auslegung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder dar.
The planetary roller extruder has established itself as a compounding specialist for temperature-sensitive materials in the processing of plastics. However, compared to other extrusion systems, the knowledge of the melt transport, energy input and melting processes in the machine is considered to be insufficient. In particular, analytical models describing the process behavior of the planetary roller extruder are missing completely. This is becoming an increasing problem in the design and optimization of extrusion processes with the planetary roller extruder due to the increasing complexity of the extrusion processes. The elaboration on the topic "Modeling and pre-estimation of the operating behavior of a planetary roller extruder" is intended to contribute to solving this challenge. In this work, a description of the geometry and velocity conditions in the planetary roller extruder was developed. Based on this, modeling approaches from the single-screw and twin-screw extruder theories are adapted to the geometry and process conditions of the planetary roller extruder. For this purpose, the areas of material conveying, plastification, temperature development and power input are modeled separately and coupled. Experimental considerations are used for modeling and validation. This provides a simulation tool that displays important process parameters such as pressure, temperature, melting degree, viscosity, shear rate and residence time along the extruder. In the simulations, a prediction inaccuracy of about 20 % is achieved for the investigated materials. The developed models represent a first step towards a simulation-supported design of extrusion processes with the planetary roller extruder.
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