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ForschungsForum Paderborn

Universität Paderborn

Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Paderbornwerden kunststofftechnische Grundlagen zur Auslegungvon Maschinen mithilfe der Informationstechnik in Soft-wareprodukte umgesetzt. Nur eine Maschine, die optimalausgelegt ist, erzielt maximale Leistungen. Die dafür erfor-derlichen Softwareprodukte, allen voran REX (Rechnerge-stützte Extruderauslegung), PSI (Paderborner Spritzgieß-simulation) und SIGMA (Simulation von Doppelschne- ckenextrudern), kommen in der Kunststoffmaschinen-industrie mit großem Erfolg zur Anwendung. Im idealenFall garantieren sie die Reduzierung von Herstellkosten beisteigender Qualität des Produkts. Da innovative Produktemit hochkomplexen Funktionen enorme Herausforderun-gen an die Produktion stellen, wird dieser Prozess vonIngenieuren am Institut für Kunststofftechnik ständiggeprüft, weiterentwickelt und perfektioniert. Die Finanzie-rung der Softwareprodukte ist seit etwa 20 Jahren überKonsortien internationaler Firmen gesichert.

Vereinfacht gesagt beschäftigt sich die Kunststoffverarbei-tung damit, aus granulatförmigem Rohmaterial Produkte destäglichen Lebens und Produkte für den industriellen Ge-brauch herzustellen. Beispielsweise Getränkeflaschen, Ver-packungsmaterialien oder Dichtungen. Prinzipiell wirdzwischen Herstellungs- und Weiterverarbeitungsverfahrenunterschieden. Bei den Herstellungsverfahren sind derExtrusions- und der Spritzgießprozess die wichtigsten Wert-schöpfungsprozesse zur Herstellung von Kunststoffproduk-

ten. Die Extrusion (extrudere: hinausstoßen, hinaustreiben)dient der kontinuierlichen Fertigung von Endlosproduktenaus Kunststoffen, wie Abwasserrohre oder Verpackungsfolie.Dies geschieht mithilfe von Maschinen, die Einschnecken-oder Doppelschneckenextruder genannt werden. Durch dendiskontinuierlichen Spritzgießprozess werden Bauteile mit-hilfe von Spritzgießautomaten hergestellt, die aufgrundihrer Geometrie nicht kontinuierlich verarbeitet werdenkönnen. Produktbeispiele für den Spritzgießprozess sindHandyschalen, CDs oder PET-Flaschen-Vorformlinge. Deut-lich wird: Die Kunststofftechnik spielt in unserem täglichenLeben eine wichtige und bedeutende Rolle.

Herzstück der Extrusionslinie ist die Schnecke

In beiden Prozessen, dem Extrusions- sowie dem Spritz-gießprozess, spielt die Plastifiziereinheit, auch „Schnecke“

Kunststofftechnik im Zeitalter der InformationsgesellschaftDas perfekte Kunststoffprodukt dank anwenderfreundlicher Software

Abb. 1: Kooperationspartner des KTP ist u. a. die Firma Battenfeld aus BadOeynhausen, die komplette Extrusionslinien anbietet. Bestandteil einersolchen Linie ist dieser gegenläufige Doppelschneckenextruder 2-92-28Vzur Herstellung von PVC-, Druck- und Abwasserrohren.

Prof. Dr.-Ing. Helmut Potente gründete 1980 das Institut für Kunst-stofftechnik Paderborn (KTP). BisAugust 2004 war er dessen Leiterund Inhaber des Lehrstuhls „Techno-logie der Kunststoffe“. Von Oktober1982 bis Oktober 1983 war HelmutPotente Dekan des Fachbereichs Ma-schinenbau. Seit 2004 ist er Profes-sor emeritus und leitete bis Ende2008 gemeinsam mit Prof. Dr. VolkerSchöppner das KTP. Des Weiteren istPotente Vorstandsmitglied des Ver-eins zur Förderung der Kunststoff-technologie.

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner, Prof. Dr.-Ing. Helmut Potente, Dipl.-Ing. Karsten Anger, Dipl.-Ing. Robert Weddige

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppnerist seit 2007 Professor für Kunst-stoffverarbeitung am Institut fürKunststofftechnik Paderborn (KTP).Zuvor war er in verschiedenen Posi-tionen bei der Hella KGaA in Lipp-stadt (Automobilzulieferer) tätig,zuletzt verantwortlich für die Schein-werfer-Produktionstechnologie. Von1989 bis 1999 war Volker Schöppnerwissenschaftlicher Mitarbeiter undOberingenieur am KTP. In dieser Zeitpromovierte er zum Thema „Simula-tion der Plastifiziereinheit vonEinschneckenextrudern“.

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genannt, eine entscheidende Rolle. Die Plastifiziereinheit istnötig, um das Granulat beziehungsweise das Rohmaterialdurch Reibung (durch die Drehbewegung) und durch Wärme-zufuhr (von außen über Heizungen) aus dem festen in denschmelzförmigen Zustand zu überführen. In der Plastifizier-einheit wird das Granulat sozusagen aufgeschmolzen. DieFunktionsweise ist ähnlich wie bei einem herkömmlichenFleischwolf, allerdings entsteht in einer Plastifiziereinheitmehr Reibungsenergie, und es wird zusätzlich Wärme einge-bracht. Erst wenn die Kunststoffschmelze am Ende derPlastifiziereinheit gut durchmischt und vollständig aufge-schmolzen ist, erfolgt die Übergabe an das Werkzeug. ImWerkzeug wird diese Schmelze in die Form des Endproduk-tes (Rohr, Folie oder Handyschale) gebracht.

Prozessverläufe werden theoretisch vorhergesagt

Die Anforderungen an die Schmelze werden durch dasEndprodukt vorgegeben. Sie müssen durch die verfahrens-technische Auslegung der Plastifiziereinheit beziehungswei-se der Schnecke und des dazugehörigen Zylinders garantiertwerden. Verfahrenstechnische Auslegung heißt, dass bei-spielsweise ein bestimmter Druck- und Temperaturverlaufüber der gesamten Länge der Schnecke erreicht werden soll.Deshalb ist die theoretische Vorhersage der Prozessverläufein und am Ende der Plastifiziereinheit von entscheidenderBedeutung. Nur so kann die Schnecke optimal für die ver-

langten Produkteigenschaften auslegt werden. Darüberhinaus sind der Massedurchsatz, der bei einer bestimmtenDrehzahl und vorausgesetzten Randbedingungen durch diePlastifiziereinheit erreicht wird (Prozesswirtschaftlichkeit),oder die Massetemperatur an der Schneckenspitze (Pro-

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Abb. 2: Rekorde werden auf speziellen Bodenbelagsystemen gelaufen. Diese Kunststoffbeläge können nahezu jede beliebige Farbe erhalten. Bevor sie ineiner Halle oder einem Stadion liegen, sehen sie in Form von Granulat so aus. Die Produkteigenschaften der Belagsysteme für Sport-, Freizeit- oder Gewer-bebereich werden ständig verbessert.

Abb. 3: Einige Hersteller von Spielzeug, hier am Beispiel von Playmobil, sindechte Innovationstreiber. So wurde in der Vergangenheit etwa das VerfahrenMontagespritzguss, bei dem zwei Teile beweglich ineinander gespritztwerden, erfunden.

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duktqualität) von entscheidender Bedeutung für die Qualitätder Maschine.Hinter der Vorhersage der Prozessverläufe stecken mathe-matische Berechnungsgrundlagen. Diese meist analytischenBerechnungswerkzeuge innerhalb der Simulationsprogram-me basieren auf mathematisch-physikalischen Modellen zurBerechnung der Prozessverläufe einer Plastifiziereinheit.Durch die Verwendung analytischer Berechnungsgrundlagensind die Rechenzeiten im Gegensatz zu numerischen Compu-ter-Programmen deutlich kürzer, und sie benötigen wesent-lich geringere Rechnerkapazitäten.

Softwaretools für die gesamte Branche

Aufgrund der am Institut für Kunststofftechnik erarbeitetenKopplung einzelner Funktionszonen einer Schnecke ist esmöglich, mit hoher Genauigkeit auch komplexe Schnecken-konfigurationen zu berechnen und eine Vorhersage derProzessverläufe und der Prozessparameter zu treffen. DieseSoftwaretools heißen REX (Rechnergestützte Extruderausle-gung) beziehungsweise PSI (Paderborner Spritzgießsimula-tion) und SIGMA (Simulation von Doppelschneckenextru-dern). Sie sind für die gesamte Branche von Interesse. Finan-ziert werden sie von Konsortien internationaler Firmen, dieim intensiven Wettbewerb miteinander stehen. Auf diese Artkann die Hochschule ihre Unabhängigkeit wahren, währenddie Unternehmen sich die Kosten teilen können. Gemeinsa-

me Anwendertreffen am Institut für Kunststofftechnik warenzunächst für die teilnehmenden Unternehmen gewöhnungs-

Abb. 4: Eines der Haupteinsatzgebiete der Extrusion ist die kontinuierliche Herstellung von Profilen, Platten, Folien und Rohren, für die hier beispielhaft einAnlagenaufbau zu sehen ist: Es beginnt mit dem Extruder, in dem das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen wird und anschließend durch ein Werkzeug denRohrquerschnitt erhält. Das heiße Rohr verlässt, gezogen durch einen Raupenabzug am Ende der Kette, den Extruder und wird in einen Vakuumtank gezo-gen. Hier wird das Rohr durch eine Kalibrierhülse unter Vakuum auf das richtige Maß gebracht. Anschließend durchläuft es zwei Kühltanks, in denen dasheiße Rohr abgekühlt und in seiner Form fixiert wird. Zum Schluss wird es auf die gewünschte Länge gesägt und nach Bedarf gestapelt.

Abb. 5: Hochwertige Haushaltsware dient in der Grundlagenvorlesung„Zwei-Komponenten-Spritzguss-Verfahren“ manchmal als Anschauungsob-jekt. Mithilfe der Software-Programme, die am KTP geschrieben werden,können Produktionsprozesse bei der Herstellung von PP-Produkten simu-liert und perfektioniert werden.

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bedürftig, da zum Teil vertrauliche Entwicklungsthemenbehandelt werden. Mit der Zeit überwiegt jedoch der Reiz,diese Entwicklungsthemen auch mit Kollegen des Wettbe-werbers fachlich zu diskutieren.

Ohne Materialdaten sind Simulationsergebnisse wertlos

Für die erfolgreiche Simulation von Verarbeitungsprozessen,Fließ- oder Abkühlvorgängen werden die genauen Eigen-schaften der zu verarbeitenden Materialien benötigt. Diesestehen in der Materialdatenbank PAM (Paderborner Materi-aldatenbank). Wichtige Parameter sind das rheologischeVerhalten (Viskosität), das thermodynamische Verhalten(wie Wärmeleitung und -kapazität, Enthalpiewerte undKristallitschmelz- bzw. Glasübergangstemperatur), Dichte(von Feststoff und Schmelze sowie Schüttdichte), technolo-gische Daten (Granulatabmessungen) und das tribologischeVerhalten (Reibwerte). Alle genannten Parameter sind nichtnur stark vom Kunststoff abhängig, sondern zusätzlich auchdruck-, temperatur- und belastungsabhängig. Vor jederSimulation muss das Materialverhalten des entsprechendenKunststoffs bestimmt werden. Mit PAM können Materialda-tensätze erstellt, ausgewertet und verglichen werden, dennohne geeignet und fachgerecht aufgearbeitete Materialda-ten sind die Simulationsergebnisse wertlos. Grundlage fürdie Berechnung von Stoffwertfunktionen in PAM sind Labor-versuche. Die Materialparameter sind enorm wichtig, dabereits geringe Ungenauigkeiten zu großen Abweichungenin der Prozessverlaufs- und Prozessparameterberechnungführen. Durch solche Ungenauigkeiten können die ausgeleg-ten Plastifiziereinheiten fehlerhafte Geometrien aufweisenund somit kein optimales Ergebnis erfüllen. Im schlimmstenFall kann es sogar passieren, dass die geforderten Qualitäts-kriterien der Schmelze an der Schneckenspitze nicht erfülltwerden. Dann ist die Plastifiziereinheit für diesen Anwen-dungsfall unbrauchbar.

Fazit: Der Praxistest ist gnadenlos

Forschungsergebnisse aus der Ingenieurwissenschaft sindfür die industrielle Praxis nicht einfach nutzbar: Die Berech-nungsmethoden stellen zu hohe Anforderungen an die vor-handene Zeit und den mathematischen Ausbildungsstand

Abb. 6: Waren früher aus Stahlblech und schwer zu schleppen: Mülleimer.Das ist mit der Kunststoffvariante in Rot oder Blau leichter geworden. Undseitdem sich Rollen unter den Mülleimern aus Kunststoff befinden, lassensie sich leicht an den vorgesehenen Platz befördern.

Abb. 7: Die K-Tec 155 2F der Firma Ferromatik wird seit vier Jahren für ver-schiedene Forschungsprojekte im Bereich der Hart-Weich-Verbindungen vonThermoplasten und TPE verwendet. Darüber hinaus verfügt die Maschine,die im Verarbeitungslabor der Kunststofftechniker steht, über die Verfah-rensvariante des „Monosandwich“ zur Herstellung von Sandwichbauteilen.

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Abb. 8: Firmen, deren Mitarbeiter mit Softwareprodukten aus dem Institutfür Kunststofftechnik arbeiten, bekommen regelmäßig Schulungen inPaderborn. Vorne links Prof. Dr.-Ing. Helmut Potente, hinten rechts Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner.

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des Praktikers. Seinen volkswirtschaftlichen Nutzen hatWissen jedoch nur, wenn es in der industriellen Forschungtagtäglich genutzt wird. Das KTP setzt deswegen seit Jahrenauf die Entwicklung anwenderfreundlicher Software alsWerkzeug für den Ingenieur. Die mathematischen Zusam-menhänge werden als Black Box verpackt, so dass derBenutzer nur die Eingangsgrößen beschreiben muss.Aufgrund seines Prozessverständnisses ist das meist keinProblem, ebensowenig die Interpretation der Ergebnisse.Hierdurch ändert sich der Zeitaufwand massiv: Die Berech-nung der Maschinen erfordert durch die komfortable Umset-zung weniger Zeit als vorher, obwohl die Berechnungsvor-gänge wesentlich umfangreicher sind. Aus dem täglichen Praxistest ergeben sich aus Sicht derforschenden Ingenieure eine Reihe von Vorteilen: Der inten-sive Einsatz der Berechnungsmethoden ist ein gnadenloserTest für die Qualität. Abweichungen zwischen Theorie undRealität werden zurückgemeldet und befruchten so dieWeiterentwicklung und kontinuierliche Verbesserung derwissenschaftlichen Erkenntnisse.Die Mitarbeiter des Instituts für Kunststofftechnik, die sichmit der Erarbeitung des Wissens weiterqualifizieren, habenin der anwendenden Industrie potenzielle Arbeitgeber. Inden vergangenen Jahren hat eine Vielzahl junger Ingenieureihren Weg in genau die Unternehmen gefunden, deren Wett-bewerbsfähigkeit von der zielgenauen Berechnung derMaschinen abhängt.Durch die Kontakte zur Industrie und die dabei zustandekommenden Drittmittel erweitert sich die maschinelleAusstattung des Instituts. Die Ausbildung der Studierendenwird verbessert.Seit 25 Jahren ist die Modellierung von Materialregressionenund die Modellierung des Prozessverhaltens vonEinschnecken- und Doppelschneckenaggregaten mitREX/PSI, SIGMA und PAM ein wichtiger Forschungsschwer-punkt am Institut für Kunststofftechnik. Experimentelle undtheoretische Arbeiten, die auf diesem Gebiet durchgeführtwurden, waren die Grundlage für diverse Dissertationen imEin- und Doppelschneckenbereich. Entscheidender Plus-punkt aller wissenschaftlichen Arbeiten am KTP ist, dass sienicht im Elfenbeinturm der Universität ihr Dasein fristen,sondern ihre Anwendung in der Industrie finden. Fehlerwerden nicht jahrelang kopiert, sondern in der Praxis sicht-bar und ausgemerzt.

LiteraturBeaumont J.-P.: Successful Injection Molding, Munich:

Carl Hanser Verlag (2002)

Hensen F., Knappe W., Potente H.: Handbuch der Kunst-

stoff-Extrusionstechnik, Band 1 und 2, Carl Hanser

Verlag, München, Wien (1986 und 1989)

Johannaber F., Michaeli W.: Handbuch Spritzgießen,

München: Carl Hanser Verlag (2004)

Osswald T.-A., Beaumont J.-P.: Injection Molding Hand-

book, Munich: Carl Hanser Verlag (2008)

Potente H.: Auslegen von Schneckenmaschinen-Baurei-

hen Kunststoff-Fortschrittsberichte – Band 6, Carl

Hanser Verlag München, Wien (1981)

White J. L., Potente H.: Screw Extrusion, Carl Hanser

Verlag (2003)

Rauwendaal C.: Polymer Extrusion, München, Hanser

Verlag (2001)

Schöppner V.: Verfahrenstechnische Auslegung von

Extrusionsanlagen, Düsseldorf, VDI Verlag (2001)

Kontakt

Dipl.-Ing. Martin Schäfers, Oberingenieur

Institut für Kunststofftechnik Paderborn

05251.60-3052

[email protected]

Dipl.-Ing. Robert Weddige ist seit2007 wissenschaftlicher Mitarbei-ter am KTP und forscht auf denGebieten „Feststoff-Förderung“und „Partikel-Simulation“.

Dipl.-Ing. Karsten Anger war bis2008 wissenschaftlicher Mitarbei-ter am Institut für Kunststofftech-nik. Er promoviert zum Thema„Modellierung temperierterSchnecken“.

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