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Durchsatz
Durchsatzberechnung
Wird der Durchsatz oder die Dosierzeit in den Verfahrensparametern vorgegeben, so erfolgt grundsätzlich keine Neuberechnung des Durchsatzes, sondern alle weiteren Berechnungen werden mit dem vorgegebenen Durchsatz durchgeführt. Der folgende Inhalt beschreibt die schmelzedominierte Durchsatzberechnung. Wird eine Nutbuchse im Prozess verwendet, so bestimmt diese den Durchsatz (s. Berechnungseinstellungen und Nutbuchsenberechnung)
Standardmäßig wird für die Durchsatzberechnung ein lineares Temperaturprofil, beginnend von der Trichtervorderkante mit $T_G$ / $T_K$ bis zur Schneckenspitze mit der vorgegebenen Massetemperatur, angenommen (siehe auch notwendige Prozessparameter).
Zunächst wird die Bezugszone bestimmt, diese ist die Schneckenzone (kein Scher- oder Mischteil) mit der geringsten Kanaltiefe. Die Bezugszone wird verwendet um die dort vorliegende mittlere Schergeschwindigkeit zu bestimmen. Diese Schergeschwindigkeit dient dazu, die aktuellen rheologischen Materialdaten zu ermitteln. Hierbei wird folgendermaßen vorgegangen:
Liegt die Fließkurve in Form der Carreau-Daten vor, so wird bei der betreffenden Schergeschwindigkeit und Temperatur eine Tangente an die Carreau-Kurve gelegt, und die Potenzgesetz-Parameter werden für diese Tangente ermittelt. Nach diesen Vorberechnungen wird nun die eigentliche Durchsatz- bzw. Dosierzeitberechnung durchgeführt.
nur Entgasungsschnecken
Eine Ausnahme bilden hier die Entgasungsschnecken, bei denen der Ort der vorgegebenen Massetemperatur bereits auf den Anfang der Entgasungszone gelegt wird. Anschließend bleibt der Temperaturverlauf konstant. Bei Entgasungsmaschinen errechnet sich der Durchsatz lediglich auf der Basis der Geometrie der ersten Schneckenstufe, wobei der Gegendruck an der Entgasungsstelle entsprechend den physikalischen Gegebenheiten auf 1 bar gesetzt wird. Die Bezugszone muss bei Entgasungsschnecken VOR der ersten Entgasungszone liegen.
Im ersten Schritt wird die gesamte Druckdifferenz (vorgegebener Gegendruck abzüglich Trichterdruck) auf alle Schneckenzonen (ausgenommen Scher- und Mischteile) angenommen und somit ein erster Massedurchsatz bestimmt. Ausgehend von diesem Massedurchsatz wird der Druckverlust über alle Scher- und Mischteile sowie der Rückstromsperre (nur PSI) berechnet und von der Druckdifferenz abgezogen, sodass ein vereinfachter linearer Druckgradient über alle Einzugs-, (De-)Kompressions-, Metering- und Barrierezonen erhalten wird. Mit diesem Druckgradient wird in einem iterativen Prozess der Durchsatz berechnet, welcher wiederum den Druckverlust über die vorliegenden Scher- und Mischteile beeinflusst. Ebenfalls kann über die iterative Berechnung ein durchsatzabhängiger Gegendruck (siehe Eingabe eines Werkzeuges oder Eingabe einer Werkzeugkennlinie) berücksichtigt werden.
nur PSI
Zu Beginn der Berechnung der Dosierzeit steht die Schnecke in der vorderen Schneckenstellung und wird dann jeweils um 0.1 * Durchmesser zurückgezogen. Dadurch verkürzt sich die Länge der Einzugszone um diesen Betrag und jeder Schneckenstellung wird ein neues Temperaturprofil zugeordnet. Für die Schneckenstellung werden die Kenngrößen der Durchsatzgleichung bestimmt und anschließend der Durchsatz berechnet. Die Proportionalität zwischen Schneckenrücklaufgeschwindigkeit und dem im Schneckenvorraum geförderten Schmelzestrom ermöglicht nun die Bestimmung der Schneckenrücklaufgeschwindigkeit unter Benutzung der Querschnittsflächen des Zylinders. Teilt man die Verschiebung der Schnecke durch die ermittelte Schneckenrücklaufgeschwindigkeit, erhält man die für die Verkürzung der wirksamen Schneckenlänge um 0.1 D benötigte Dosierzeit. Zur Ermittlung der gesamten Dosierzeit werden die so bestimmten Einzelzeiten für den in 0.1 D Schritten aufgeteilten Dosierweg addiert. Neben der Dosierzeit wird noch der Durchsatz für die Berechnungsstellung bestimmt, der den weiteren Berechnungen für diese Schneckenstellung zugrunde gelegt wird.
Voraussetzung für die Durchsatzberechnung ist:
- Eine definierte Schneckengeometrie, die mit einer Einzugszone, d.h. einer Zone mit konstanter Gangtiefe, beginnt. Dabei muss die Länge der Einzugszone mindestens gleich dem Dosierweg (nur PSI) sein.
- Ein definierter Zylinder, dessen Länge mit der Schneckenlänge identisch ist, oder aber maximal die zweifache Schneckenlänge lang ist.
- Die Glasübergangstemperatur $T_g$ bei amorphen oder die Kristallisationstemperatur $T_k$ bei teilkristallinen Thermoplasten.
- Des Weiteren sind die Dichte- oder Volumenfunktion für den Schmelzbereich einzugeben.
- Die Verfahrensparameter: (i) Drehzahl, (ii) Massetemperatur an der Schneckenspitze (REX) bei Dosierbeginn und Dosierende (PSI), (iii) Druck an der Schneckenspitze (REX) bzw. im Schneckenvorraum (PSI), (iv) Dosierweg (PSI). Ist nur eine der beiden Massetemperaturen (PSI) bekannt, so können beide Einträge mit demselben Wert belegt werden.