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KUNSTSTOFFTECHNIK PADERBORN (KTP) Bildinformationen anzeigen
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KUNSTSTOFFTECHNIK PADERBORN (KTP)

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SIGMA - Simulation gleichläufiger Doppelschneckenmaschinen

SIGMA ist ein Gemeinschaftsforschungsprojekt, an dem führende Industrieunternehmen und der Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung der Universität Paderborn beteiligt sind. Bei der Software handelt es sich um ein Programm, welches Aufbereitungs- und Verarbeitungsprozesse auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern simuliert. Ziel der Entwicklung ist die schnelle und globale Beurteilung des Maschinenverhaltens und die Optimierung von Zylinder-, Schneckenkonfiguration und Verfahrensparametern.

Berechnungsmöglichkeiten
Bild 1: Grafische Benutzeroberfläche

In SIGMA sind umfassende Berechnungsmodelle implementiert:

  • Druck- und Füllgradberechnung
  • Aufschmelzberechnung
  • Berechnung des Temperaturverlaufs
  • Berechnung der Leistungsaufnahme
  • Berechnung der Verweilzeiten
  • Dispergiergüteberechnung
  • Wärmestromberechnung
  • Glasfaserbruchberechnung

Neben der Simulation des Prozessverhaltens von "reinen" Polymeren sind Modelle zur Abschätzung des Verhaltens von Polymerblends und von Polymer-Füllstoff-Compounds in SIGMA implementiert. Mit SIGMA können sowohl sogenannte Premix-Prozesse als auch Split-Feed-Prozesse simuliert werden.

Berechnungsablauf
Bild 2: Berechnungsablauf

In Bild 2 ist der Berechnungsablauf, nach welchem SIGMA vorgeht, dargestellt. Es wird deutlich, dass das zentrale Element einer Simulation die Druck-Füllgradberechnung, die Aufschmelz- und die Temperaturberechnung sind. Ausgehend von diesen Berechnungen können alle anderen wesentlichen Größen zur Beurteilung und Optimierung der Schnecken- und Zylinderkonfiguration berechnet werden.

Simulationsergebnisse
Bild 3: Druck- (rot) und Füllgradverlauf (blau)
Bild 4: Multigrafik mit Massetemperaturverlauf (rot) und Zylindertemperatur (blau)

Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen können grafisch in Form von Diagrammen als auch tabellarisch ausgegeben werden. Die grafische Ausgabe ist so gestaltet, dass der Verlauf einer Größe über die Schneckenlänge dargestellt wird. Durch diese Art der Darstellung wird es möglich einzelne Schneckenzonen zu beurteilen. Basierend auf diesen Erkenntnissen können dann ggf. einfache Modifikationen an den Konfigurationen vorgenommen werden um den Prozess zu optimieren. In Bild 3 sind beispielhaft der Druck- und Füllgradverlauf einer solchen Simulationsrechnung dargestellt. Mit Hilfe einer Multigrafik können verschiedene Prozesse anschaulich direkt miteinander verglichen werden (siehe Bild 4).

Zusatzfunktionen
Bild 5: Schematischer Ablauf der Kopplung SIGMA und Extrud3D
Bild 6: Postprocessing mit Paraview

Um die Auswirkung unterschiedlicher Einflussgrößen vergleichen und beurteilen zu können, ist in SIGMA ein Variationsmodul implementiert worden. In diesem Modul können alle Größen, die Einfluss auf den Prozess haben, variiert werden. Alle Variationen des Prozesses werden berechnet und können im Anschluss an die Berechnung in der Multigrafik dargestellt werden oder es besteht die Möglichkeit aus den Variationen einen eigenständigen Prozess zu erzeugen.
Weiterhin bietet SIGMA die Möglichkeit den gesamten Prozess mit allen Verfahrensgrößen mit Hilfe des Druckmoduls auf Papier auszugeben.
Das Scale-up Modul dient zur Übertragung von Prozessen auf Maschinen mit größerem bzw. kleinerem Durchmesser. Ausgehend von einem sog. Modellprozess werden auf Basis von Übertragungsregeln die Geometrie der Hauptausführung und die zugehörigen Verfahrensparameter berechnet. Ausgangspunkt beim Scale-up ist ein beliebiger berechnungsfähiger Prozess (Modellprozess).
Eine Schnittstelle zur numerischen Simulation einzelner oder gekoppelter Gewinde- oder Knetelemente bietet das Extrud3D-Modul (siehe Abbildung 5). Mit Hilfe dieses Moduls ist es möglich einzelne vollgefüllte Elemente vollaufgelöst zu betrachten. Das Modul wurde gemeinsam mit der IANUS Simulation GmbH entwickelt und verwendet als numerische Berechungsbasis das von Prof. Dr. Stefan Turek an der TU Dortmund entwickelte Paket FeatFlow. Vorteil dieses Moduls ist der vollständig automatisierte Prozess der Geometrieerzeugung, des Vernetzens und des Lösens der numerischen Gleichungen. Als Postprocessing Tool dient neben SIGMA (zuständig für die eindimensionale Darstellung) das OpenSource Produkt Paraview (siehe Abb. 6).

Technische Details

Unterstützte Zylinderelemente:

  • Normalzylinder
  • Zugabezylinder (seitlich oder vertikale Zugabe)
  • Entgasungszylinder
  • Messplatten
  • Stützplatten
  • Kombinationszylinder

Unterstützte Schneckenelemente:

  • Förder- und Rückförderelemente
  • Schubkantenelemente
  • Knetblöcke
  • Schulterknetblöcke
  • exzentrische Knetblöcke
  • Schneckenmischelemente
  • Zahnmischelemente
  • Blisterelemente (Stauscheiben)
  • Distanzhülsen
  • V-Mischelemente

spezifische Definition von Extrusionswerkzeugen und Filtern

Video zur Software SIGMA

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Dr.-Ing. Matthias Hopp

Kunststofftechnologie und Kunststoffverarbeitung

Oberingenieur

Matthias Hopp
Telefon:
+49 5251 60-3052
Fax:
+49 5251 60-3821
Büro:
P1.5.11.4

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