Diese Dissertation untersucht Prozesse zur Herstellung von Elektroden für Lithium-Ionen-Batterien und fokussiert insbesondere die Dispergierung von Suspensionen mittels eines kontinuierlich arbeitenden Doppelschneckenextruders, der im Bereich der Batteriezellfertigung neuartig ist und ein erhebliches Potenzial für den Einsatz in der Großserienfertigung aufweist.
Ein wichtiger Teil dieser Arbeit besteht in der Beschreibung der physikalischen Vorgänge innerhalb des Extruders. Angewendet wird ein für den Extrusionsprozess abgewandeltes Beanspruchungsmodell, das die Bestimmung der volumen-spezifischen Energie in Abhängigkeit von unterschiedlichen Produkt- und Prozessparametern darstellt. In Korrelation mit der Partikelgröße des Leitrußes ermöglicht das Modell eine optimierte Prozesssteuerung für die Herstellung von Suspensionen mit zuvor gezielt definierten Eigenschaften. Es kann zudem für das Scale-up von Anlagen genutzt werden.
Zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Beschreibung des Einflusses der Rußpartikelgröße auf die Eigenschaften der Elektrode. Der Ruß bildet zusammen mit dem Binder eine Ruß-Binder-Matrix, die einen signifikanten Einfluss auf die Elektrodeneigenschaften hat. Als Ergebnis wurden einerseits strukturelle und mechanische Veränderungen aufgezeigt und andererseits Zusammenhänge zwischen dem elektrischen Widerstand einer Elektrode und deren elektrochemischer Performance ausgearbeitet. Diese Zusammenhänge wurden zu einer Vorstellung über die mechanischen Eigenschaften von Elektroden weiterentwickelt. Hierbei zeigte sich, dass ein rezepturspezifisches Optimum für die Leitrußgröße existiert,
da sowohl eine zu geringe als auch eine zu starke Rußdestrukturierung zu einer schlechteren elektrochemischen Performance führen kann.
Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse können für eine Prozess- und Produktoptimierung genutzt werden, die sowohl wirtschaftliche als auch qualitative Anforderungen an Suspensionen für die Elektrodenfertigung berücksichtigen und somit einen Beitrag zu einer kosten- und qualitätsoptimierten Massenfertigung von Li-Ionen-Batterien leisten.
Aktualisiert: 2022-09-22
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Alles zum gleichläufigen Doppelschneckenextruder
Bei der Herstellung von Kunststoffen, insbesondere bei der Aufbereitung und Verarbeitung bis zum Fertigprodukt werden Extruder eingesetzt, wobei der gleichläufige Doppelschneckenextruder eine dominante Rolle spielt. Aber auch in anderen Industriezweigen, z. B. der Kautschuk- und Lebensmittelindustrie und zunehmend in der Pharmaindustrie kommen die Gleichdrallschnecken vielfältig zum Einsatz.
Eine multifunktionale Maschine
Das Fachbuch gibt umfassenden Einblick in die verfahrens- und maschinentechnischen Grundlagen und legt großen Fokus auf Praxisbeispiele.
Meist sind die Schnecken modular aufgebaut und können damit sehr flexibel an veränderte Aufgabenstellung und Produkteigenschaften angepasst werden. Für die optimale Auslegung eines Doppelschneckenextruders sind vertiefte Kenntnisse über die Maschine und den Prozess erforderlich.
Ein Praxisbuch für Einsteiger und Profis
Die zweite Auflage entstand unter Mitwirkung vieler Fachautoren von renommierten Firmen und Hochschulen. Alle inzwischen erfolgten Weiterentwicklungen wurden berücksichtigt. Die zweite Auflage wurde durchgehend neu bearbeitet, ist deutlich erweitert, komplett in Farbe und in neuem Layout.
Mit Zusatzmaterial auf der Website (www.hochviskostechnik.de) des Herausgebers: Videos, Bilder, Beispiel-Aufgaben, Rechentools
EXTRA: E-Book inside
Aktualisiert: 2022-10-11
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Ein umfangreiches Verständnis der Vorgänge ist zur Optimierung der Compoundierprozesse auf dichtkämmenden, gleichläufigen Doppelschneckenextrudern vonnöten. Der Umfang und die Verschiedenartigkeit der Prozess-Eingangsgrößen ist ursächlich für die Komplexität der theoretischen Beschreibung, sodass für den Anwender die Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung im Verlauf des Extrusionsprozesses zum größten Teil schwer zu identifizieren sind. Modellierungen des Maschinenverhaltens zur Berechnung der Ausgangsgrößen bieten hier Abhilfe.
Basierend auf einem Modellansatz, der die Wärmeübertragung aus Konvektion und dem Kontakt zur Zylinderwand sowie den Friktionsenergie-Eintrag berücksichtigt, wird ein neues Feststofftemperatur-Modell für die Feststoffförderzone entwickelt. Nach Durchgang durch die Feststoffförderzone gelangen die erwärmten Partikel in die Aufschmelzzone. Eine Aufschmelzmodellierung wird ausgearbeitet, um Erwärmungseffekte abzubilden. Insbesondere die Deformation von Partikeln, welche im Zwickelbereich des Doppelschneckenextruders erfolgt, und die resultierende Temperaturerhöhung wird erschlossen. Die Identifikation des initialen Aufschmelzens ist möglich, indem ermittelt wird, wann die Temperatur der äußeren Schale des Feststoffpartikels die Aufschmelz- bzw. die Kristallitschmelztemperatur überschreitet. Die Modellierungen resultieren in dem 2D dispersen Aufschmelzmodell, welches in das Simulationsprogramm SIGMA implementiert wird.
Aktualisiert: 2020-01-28
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Die Entfernung unerwünschter flüchtiger Bestandteile aus hochviskosen Polymerschmelzen ist eine entscheidende und teure Aufgabe in der Kunststoffverarbeitung und -herstellung. Restmonomere, Lösungsmittel und andere Verunreinigungen können die Qualität der Endprodukte beeinträchtigen und unterliegen oft strengen Umwelt- und Gesundheitsvorschriften. Für die Entgasung von Polymeren werden in der Regel rotierende Apparate eingesetzt, da diese eine gute Durchmischung und eine häufige Oberflächenerneuerung der Schmelze bewirken. Bei sehr niedrigen Restkonzentrationen ist der Stofftransport diffusionskontrolliert und blasenfrei. Dieser Mechanismus der Filmentgasung ist das Thema weniger Veröffentlichungen, die zu dem Schluss kommen, dass der experimentell gemessene Stofftransport deutlich geringer ist, als von theoretischen Modellen vorhergesagt. Um die Gründe für diese Beobachtungen zu erklären, werden systematische Entgasungsversuche an zwei unterschiedlichen Anlagen durchgeführt - einem Rührbehälter mit Blattrührer und einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder. Dafür wird ein hochviskoses Modellstoffsystem aus Polydimethylsiloxan als Polymer und 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluorethan als flüchtige Komponente bei Umgebungstemperatur eingesetzt. Die relevanten Stoffeigenschaften werden durch Voruntersuchungen bestimmt. Ein Inertgasstrom aus Stickstoff wird verwendet, um die Schaumbildung des Polymers durch Übersättigung zu verhindern. Zur Abschätzung des Einflusses des gasseitigen Stofftransportwiderstandes, welcher anders als in der Literatur häufig angenommen nicht in allen Fällen vernachlässigbar ist, werden die Gasdurchsätze variiert. Eine im Rührbehälter eingebaute Kamera und ein transparentes Extrudergehäuse ermöglichen es, den Fluidstrom jederzeit zu beobachten. Über eine Videoanalyse und numerische Methoden wird die freie Oberflächenströmung näher untersucht. An beiden Anlagen wird eine systematische Variation von Drehzahl und Füllgrad durchgeführt. Die Entwicklung des Stoffdurchgangs wurde durch zeitliche bzw. örtliche Konzentrationsmessungen mittels thermogravimetrischer Analyse bestimmt. Die Ergebnisse zeigen ausführliche Erklärungen für die in der Literatur genannten Abweichungen und geben wertvolle Empfehlungen zur Gestaltung und Auslegung von effizienten Entgasungsapparaten. Die Übertragbarkeit der Entgasungsergebnisse zwischen beiden Versuchsanlagen wird dabei nachgewiesen.
Aktualisiert: 2022-09-29
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Aufgrund der hervorragenden physikalischen Eigenschaften ist Graphen als funktioneller Füllstoff in Kunststoffen geeignet. Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass geringe Füllstoffanteile ausreichen, um deutliche Eigenschaftsverbesserung zu erzielen. Allerdings basieren die bisherigen veröffentlichten Ergebnisse zur Herstellung von Graphen-basierten Kompositen auf Kleinstmengenversuchen, deren Ergebnisse nur sehr begrenzt auf den industriellen Maßstab übertragbar sind.
Daher erfolgt in der vorliegenden Arbeit die Herstellung von Graphen-basierten PP-Kompositen auf einem Doppelschneckenextruder unter Verwendung von kommerziell erhältlichen Graphen, um Möglichkeiten und Grenzen von Graphen als funktioneller Füllstoff aufzuzeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die verwendeten kommerziell erhältlichen Graphen-Typen einen mehrlagigen Aufbau aufweisen und nach der Herstellung und Verarbeitung der Graphen-basierten Komposite als Agglomerate in der Kunststoffmatrix verbleiben. Bedingt durch die fehlende vollständige Exfolierung und den geringen Dispergierungsgrad kann kein überdurchschnittlicher Anstieg der PP-Eigenschaften im Hinblick auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften beobachtet werden.
Da die Eigenschaften von Graphen-basierten Kompositen entscheidend durch die Dispergierung beeinflusst werden, wird im zweiten Teil dieser Arbeit der Einfluss der Verfahrensparameter bei der Komposite-Herstellung auf einem Doppelschneckenextruder auf die Graphen-Dispergierung und die resultierenden Komposite-Eigenschaften untersucht. Zwar kann die Dispergierung durch die Verfahrensparameter in Grenzen beeinflusst werden. Die Unterschiede in der Dispergierung zeigen jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Materialeigenschaften der Graphen-basierten Komposite.
Deshalb wird im dritten Teil der Arbeit ein zweistufiges Verfahren zur Steigerung der Graphen-Dispergierung im Komposite verwendet. Hierzu erfolgt zunächst die diskontinuierliche Exfolierung bzw. Vordispergierung des Graphens in einem Lösungsmittel mit Ultraschall. Nach der Ultraschallbehandlung wird die vordispergierte Graphen-Lösung in den Doppelschneckenextruder zur Einarbeitung gefördert. Durch die Vordispergierung mit Ultraschall kann die Graphen-Dispergierung im Komposite gesteigert werden. Wie zuvor sind die Unterschiede in der Dispergierung jedoch nicht ausreichend, um signifikante Unterschiede in den Materialeigenschaften hervorzurufen.
Aktualisiert: 2020-02-12
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Die Thermoplastextrusionstechnik komplett.
Aktualisiert: 2020-06-18
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Alles zum gleichläufigen Doppelschneckenextruder Bei der Herstellung von Kunststoffen, insbesondere bei der Aufbereitung und Verarbeitung bis zum Fertigprodukt werden Extruder eingesetzt, wobei der gleichläufige Doppelschneckenextruder eine dominante Rolle spielt. Aber auch in anderen Industriezweigen, z. B. der Kautschuk- und Lebensmittelindustrie und zunehmend in der Pharmaindustrie kommen die Gleichdrallschnecken vielfältig zum Einsatz.
Eine multifunktionale MaschineDas Fachbuch gibt umfassenden Einblick in die verfahrens- und maschinentechnischen Grundlagen und legt großen Fokus auf Praxisbeispiele.Meist sind die Schnecken modular aufgebaut und können damit sehr flexibel an veränderte Aufgabenstellung und Produkteigenschaften angepasst werden. Für die optimale Auslegung eines Doppelschneckenextruders sind vertiefte Kenntnisse über die Maschine und den Prozess erforderlich.
Ein Praxisbuch für Einsteiger und ProfisDie zweite Auflage entstand unter Mitwirkung vieler Fachautoren von renommierten Firmen und Hochschulen. Alle inzwischen erfolgten Weiterentwicklungen wurden berücksichtigt. Die zweite Auflage wurde durchgehend neu bearbeitet, ist deutlich erweitert, komplett in Farbe und in neuem Layout.
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Aktualisiert: 2023-04-13
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Alles zum gleichläufigen Doppelschneckenextruder Bei der Herstellung von Kunststoffen, insbesondere bei der Aufbereitung und Verarbeitung bis zum Fertigprodukt werden Extruder eingesetzt, wobei der gleichläufige Doppelschneckenextruder eine dominante Rolle spielt. Aber auch in anderen Industriezweigen, z. B. der Kautschuk- und Lebensmittelindustrie und zunehmend in der Pharmaindustrie kommen die Gleichdrallschnecken vielfältig zum Einsatz.
Eine multifunktionale MaschineDas Fachbuch gibt umfassenden Einblick in die verfahrens- und maschinentechnischen Grundlagen und legt großen Fokus auf Praxisbeispiele.Meist sind die Schnecken modular aufgebaut und können damit sehr flexibel an veränderte Aufgabenstellung und Produkteigenschaften angepasst werden. Für die optimale Auslegung eines Doppelschneckenextruders sind vertiefte Kenntnisse über die Maschine und den Prozess erforderlich.
Ein Praxisbuch für Einsteiger und ProfisDie zweite Auflage entstand unter Mitwirkung vieler Fachautoren von renommierten Firmen und Hochschulen. Alle inzwischen erfolgten Weiterentwicklungen wurden berücksichtigt. Die zweite Auflage wurde durchgehend neu bearbeitet, ist deutlich erweitert, komplett in Farbe und in neuem Layout.
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Aktualisiert: 2023-04-13
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In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Themen zur Compoundierung von Holz-Kunststoff-Gemischen (WPC) untersucht. Es soll die WPC-Compoundierung im gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder (DSE) durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen verbessert werden. Auch der Compoundierprozess im Innenmischer (IM) wird für die WPC-Herstellung angepasst. Daraufhin werden die beiden WPC-Compoundierprozesse (DSE und IM) hinsichtlich der Compoundqualität und der Betriebswirtschaftlichkeit miteinander verglichen. Weiterhin wird der Einfluss der Feuchte auf die mechanischen und optischen Eigenschaften des Bauteils beim Spritzgießprozess untersucht. Um den Trocknungsaufwand von WPC-Granulat vor dem Spritzgießprozess zu minimieren, wird der Einfluss der Granulierparameter einer Unterwassergranulierung auf die Granulatrestfeuchte von WPC untersucht und ein Modell zur Berechnung der Restfeuchte erstellt. Zudem werden Untersuchungen dargestellt, durch welche besseres Verständnis des Einflusses der Rohstoffe auf das Compound oder das Bauteil erlangt werden soll. Dieses alles soll zu verbesserten Herstellungsverfahren, besseren oder günstigeren WPCs und somit zu besseren WPC-Produkten mit erweitertem Einsatzbereich führen. Besonderes Augenmerk wird dabei auf spritzgießfähige Compounds gelegt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Das hier vorliegende Standardwerk wurde von Fachautoren mit ausgewiesener Praxiserfahrung geschrieben. Dadurch wird das Ziel des Buches, dem Leser eine Verbindung zwischen theoretischer Prozessmodellierung und praktischer Anlagenbeschreibung zu bieten, voll erfüllt.
Der erste Teil des Fachbuches beschäftigt sich mit grundsätzlichen verfahrenstechnischen Zusammenhängen und soll dem Leser helfen praktische Probleme zu lösen. Der Ein- und Doppelschneckenextruder, mögliche Antriebskonzepte und die Steuerung werden besprochen. Im zweiten Teil des Buches wird auf die spezifischen Merkmale der Verfahren eingegangen. Hier werden die Rohrextrusion, die Profilextrusion, die Flachfolien- und Plattenextrusion, die Gießfolienextrusion und die Blasfolienextrusion diskutiert.
Auch auf die Modellierung der Abkühlvorgänge in Extrusionsanlagen wird eingegangen. Die rheologische Werkzeugauslegung wird am Beispiel einfacher analytischer und numerischer Methoden sowie komplexer Berechnungsansätze behandelt.
Der Leser erhält in diesem anschaulichen Fachbuch einen umfassenden Überblick über die Thermoplastextrusion. Für den Entwicklungsingenieur stellt es eine Auslegungshilfe dar und dem Betreiber einer Extrusionsanlage hilft es, die Qualität seiner Ausrüstung einzuschätzen und mögliche Optimierungsreserven zu erkennen.
Aktualisiert: 2023-04-18
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Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Betrachtung des Verarbeitungsprozesses von PET auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder. Ziel ist es, die Einflüsse von Geometrie- und Verfahrensparametern auf den Materialabbau anhand der intrinsischen Viskosität zu beurteilen und Handlungsempfehlungen für die materialschonende Compoundierung zu entwickeln. Dazu werden zum einen unterschiedliche Aufschmelzzonen, Da/Di-Verhältnisse, Nenndurchmesser und Entgasungsvarianten untersucht und zum anderen die Verfahrensparameter für jene Geometriekombinationen variiert. Basierend auf den Ergebnissen können allgemeine und spezifische Handlungsempfehlungen definiert werden. Neben der materialschonenden Compoundierung werden in einem zweiten Kapitel strukturiert verfahrenstechnische Möglichkeiten zur Optimierung der Druckaufbauzone herausgearbeitet. Hier wird neben dem Einfluss der Verfahrensparametern und der geometrischen Auslegung erstmals auch der Einfluss der Schneckenspiele auf den Druckaufbau anhand von 3D-Simulationen quantifiziert. Aufbauend auf den Ergebnissen werden Auslegungsrichtlinien definiert. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neues Temperaturmodell für den gleichläufigen Doppelschneckenextruder vorgestellt. Dieses kann neben dem axialen Temperaturverlauf auch das radiale Temperaturprofil berechnen. Die hohe Berechnungsqualität des neuen Modells wird anhand von experimentellen Untersuchungen gezeigt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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