Optimierte EPDM-Compoundierung: Mathematische Modelle für die Füllstoffinkorporation
Die Herstellung hochwertiger Elastomerprodukte erfordert präzise Mischprozesse. Ein neues Forschungsprojekt modelliert die komplexe Phase der Füllstoffinkorporation im Innenmischer, um die Mischungsqualität zu optimieren. Basierend auf experimentellen Daten werden Vorhersagemodelle für zentrale Prozessgrößen entwickelt, die mit einer Genauigkeit von bis zu 85 % arbeiten. Ziel ist eine KI-gestützte Suchmaschine, die optimierte Mischstrategien für spezifische Materialanforderungen liefert.
Ausgangssituation / Problemstellung:
Die Mischungsherstellung im diskontinuierlich arbeitenden Innenmischer ist ein elementarer Bestandteil zur Herstellung von hochwertigen Elastomerprodukten. Die Mischungsbestandteile wie Kautschuk, Füllstoffe, Weichmacher und Chemikalien werden zu einem homogenen Compound verarbeitet. Für jede Mischungsrezeptur wird eine individuelle Mischvorschrift entwickelt. Dabei beeinflusst die Wahl der Prozessparameter wie die Rotordrehzahl sowie die Rotor- und Mischkammertemperierung die Qualität der Mischung erheblich. Derzeit basiert die Entwicklung von Mischanweisungen auf Expertenwissen. Ziel ist daher die Beschreibung des Mischprozess anhand von mathematischen Modellen. Bisher ist eine Modellierung nur unter vereinfachten Bedingungen möglich. Zu nennen sind die Vernachlässigung der komplexen rheologischen Eigenschaften und die Teilfüllung der Mischkammer. Ferner ändern sich die Materialeigenschaften wie Dichte und spezifische Wärmekapazität während des Mischprozesses.
Zielsetzung:
Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer Suchmaschine, welche basierend auf Prozess- und Materialmodellen Strategien zur Compoundherstellung anhand von vorgegebenen Eigenschaften ermittelt. Hierfür sollen Modelle basierend auf den Rohstoffeigenschaften sowie den Prozessparametern zur Generierung einer optimierten Mischvorschrift erstellt werden. Um eine übergeordnete Optimierung des gesamten Mischprozesses vornehmen zu können, werden zunächst Modelle für einzelne Mischphasen entwickelt. Der Fokus liegt dabei auf der Beschreibung des Grundmischprozesses, da dieser im Gegensatz zum Fertigmischprozess eine höhere Komplexität aufgrund der Einarbeitung der Füllstoffe aufweist. Im Folgenden wird die Phase der Füllstoffinkorporation betrachtet, da diese den ersten Schritt der Füllstoffeinarbeitung darstellt.
Lösungsweg und Ergebnisse:
Die zu entwickelnden Modelle für die Füllstoffinkorporationsphase basieren auf experimentell ermittelten Daten eines ineinandergreifenden Laborinnenmischer. Untersucht werden Mischungen auf Basis von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) unter Zugabe von Ruß als aktiver Füllstoff. Mit dem Ziel die zeitlichen Verläufe des Stempelweges, des Leistungseintrags und der Compoundtemperatur vorhersagen zu können, werden Mischungen mit variierenden Prozessparametern (Rotordrehzahl und der Mischertemperierung) und Materialparametern (Polymermolekulargewicht und Rußgehalt) hergestellt. Im Anschluss folgt die Korrelation der zu beschreibenden Größen in Abhängigkeit der ausgewählten Prozess- und Materialparameter. Die daraus gebildeten Modelle ermöglichen eine Vorhersage der Kenngrößen mit einer maximalen Abweichung von 15 % gegenüber messtechnisch ermittelten Werten.
Projektdaten und Förderung
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 13XP5169A gefördert. Dem BMBF gilt unser Dank.
Projektlaufzeit:
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