1. Relevante Forschungsaktivität

Der Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen arbeitet im Rahmen des Fakultätsschwerpunktes Smart Engineering an wissenschaftlichen Beiträgen im Bereich der Modellbildung und Simulation von Kunststoffverarbeitungsprozessen. Dazu gehören u.a. die Themen

  • Abwärmenutzung in der Extrusion
  • Simulation von Materialwechselprozessen
  • Schnellläufer in der Extrusion
  • Optimierung der Kühlung bei der Herstellung von Blasfolie
  • Wissensbasierte Produktplanung im Spritzgießen
  • Lebensdauerprognose für Elastomerbauteile

In den letzten Jahren wurde Herr Dr. Martin Spitz vom Wissenschaftlichen Arbeitskreis Kunststoffe (WAK) für seine Dissertation mit dem Oechsler Preis ausgezeichnet. Herr Dr. Gregor Karrenberg erhielt für seine Dissertation vom Wissenschaftlichen Arbeitskreis Kunststoffe (WAK) den Brose Preis.

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2. Projekte und Kooperationen

DFG-Projekte:

  • Automatisierte Generierung virtueller Prototypen für Extrusionswerkzeuge (Kooperationspartner: Prof. Köhler, Rechnereinsatz in der Konstruktion)
    Die Motivation für dieses Forschungsvorhaben ist das momentane Fehlen von ganzheitlichen Ansätzen für die Auslegung und Fertigung von Extrusionswerkzeugen. Vorhandene Automatismen beschränken sich auf die Optimierung der Strömungskanäle, welche die eigentliche Produktgeometrie ausformen (Sekundärverteilung). Alle weiteren Komponenten der Extrusionswerkzeug-Baugruppe, wie Einspeisung, Primärverteilung und Düseneinheit werden in vorhandenen Ansätzen nicht berücksichtigt, obwohl diese ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Produktqualität haben.
  • Wissensbasierte Produktplanung und Konstruktion spritzgegossener Formteile (Kooperationspartner: Prof. Köhler, Rechnereinsatz in der Konstruktion)
    Beginnend bei der Produktplanung bis zur Optimierung der Formteilgeometrie wird der Konstrukteur durch die in diesem Forschungsvorhaben entwickelten Verfahren und Methoden, die multidisziplinäres Wissen verbinden, unterstützt. Im Rahmen der Produktplanung wird dem Konstrukteur durch die Anwendung wissensbasierter Systeme eine objektive Fertigungsverfahrens- und Werkstoffauswahl ermöglicht.
  • Funktionsintegriertes Extruderkonzept mit frei rotierender Schneckenhülse und dynamischem Mischer zur Gewährleistung einer hohen Schmelzequalität im High-Speed-Betrieb
    Die Erhöhung des Durchsatzes zur Leistungssteigerung von Extrudern kann u. a. durch die Anhebung der Schneckendrehzahl umgesetzt werden. Entsprechend nimmt die Anzahl der Schnellläufer im industriellen Einsatz stetig zu. Die High-Speed-Extrusion stellt nach wie vor ein interessantes Forschungsfeld dar. Entscheidend für die Steigerung der Drehzahl ist die Einhaltung der zulässigen Schmelzetemperatur bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Schmelzequalität. Es ist jedoch bekannt, dass der spez. Durchsatz mit steigender Drehzahl sinkt, wodurch die zulässige Materialtemperatur schnell erreicht wird. Auch die steigende Scherung des Materials bewirkt einen rapiden Anstieg der Temperatur. Daher wird versucht die High-Speed-Extrusion durch altern. Extrusionstechniken wie dem High-Speed-S-Truder (HSST) zu forcieren.
  • Thermo-rheologische Optimierung additiv gefertigter Extrusionswerkzeuge (Kooperationspartner: Prof. Witt, Lehrstuhl Fertigungstechnik)
    Die Motivation des Vorhabens ist definiert durch die thermo-rheologische Optimierung eines additiv gefertigten Extrusionswerkzeuges für die Schlauchfolienextrusion, welches den Extrusionsprozess grundlegend im Hinblick auf ausgewählte Prozessparameter optimiert. Das Ziel wird erreicht durch den Verzicht auf die bekannten Restriktionen bei konventionellen Fertigungsprozessen und die sich ergebenden Potentiale in der Gestaltung der Strömungskanäle sowie der Kühlkanäle.
  • Analyse und Optimierung der Folienkühlung in industriell betriebenen Hochleistungsblasfolienanlagen mittels integrativer Prozessmodelle „Erkenntnistransfer-Projekt“ (Kooperationspartner: Mondi Consumer Packaging Technologies GmbH)
    Wie jeder Extrusionsprozess wird auch der Blasfolienextrusionsprozess maßgeblich durch die bereitgestellte Kühlleistung limitiert. Erreichbare Durchsätze können durch die Optimierung des Kühlsystems in hohem Maße gesteigert werden. Die Motivation dieses Forschungsprojektes besteht in der Überführung von Ergebnissen und wissenschaftlichen Erkenntnissen, gewonnen aus DFG-Projekten, in der computergestützten Kühlsystemoptimierung von Blasfolienanlagen im labortechnischen Maßstab auf den industriellen Produktionsmaßstab. Neben der Steigerung der Ausstoßleistung steht die Identifikation von Potenzialen zur Verbesserung der Prozessstabilität im Fokus der Untersuchung.

Darüber hinaus gibt es im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs NRW ein Projekt zusammen mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH mit dem Thema „Entwicklung eines Latentwärmespeichersystems mit innovativen PCM-Modulen für den Einsatz in kleinen und mittleren Blockheizkraftwerken“ sowie ein weiteres Projekt in diesem Wettbewerb zum Thema „Abwärmenutzung für die Granulatvorwärmung in Extrusionsprozessen zur Steigerung der Energieeffizienz“ gemeinsam mit der SHS plus GmbH.

Weiter bestehen innerhalb von Projekten Industriekooperationen im Bereich der Digitalisierung der Produktion in der Kunststoffverarbeitung.

3. Ausstattung

Labor

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4. Fünf ausgewählte Publikationen oder Patente

  • [1] KARRENBERG, G., NEUBRECH, B., WORTBERG, J., CFD-Simulation der Kunststoffplastifizierung in einem Extruder mit durchgehend genutetem Zylinder und Barriereschnecke, Zeitschrift Kunststofftechnik, Journal of Plastics Technology, 03/2016, S. 206-238.
  • [2] WEGNER, A., MIELICKI, C., GRIMM, T., GRONHOFF, B., WITT, G., WORTBERG, J., Determination of Robust Material Qualities and Processing Conditions for Laser Sintering of Polyamide 12, Polymer Engineering & Science, Vol. 54, 7, 2014, S. 1540-1554.
  • [3] KARRENBERG, G., BIRKHOLZ, A., WORTBERG, J., Modeling of consistent rheological and thermodynamic material data for process simulations, Zeitschrift Kunststofftechnik, Journal of Plastics Technology, 06/2016, S. 517-549.
  • [4] NEUBERT, B., WORTBERG, J., Simulation of an industrial high capacity blown film extrusion process, Society of Plastics Engineering Annual Technical Conference (SPE Antec), Indianapolis, Indiana, Mai 23-25, (2016).
  • [5] TE HEESEN, O., HUMPA, M., HUNGENBERG, P., KÖHLER, P., WORTBERG, J., Automatic Optimization of Spiral Mandrel Dies by a Coupled Approach Using the Methods of Flow Analysis Networks and Three Dimensional CFD-Simulations, Proceedings of Polymer Processing Society 31th (PPS-31), Jeju Island, Korea, Juni 07-11, (2015).