Entwicklung und Anwendung einer neuartigen Methode zur Optimierung des Kautschuk Mischprozesses basierend auf Fingerprint-Diagrammen

Abstract

Der erste Schritt zur Erzeugung von Elastomerprodukten ist der Mischprozess. In diesem wird die Rohmischung als Rohstoff beziehungsweise als Halbzeug für die weiterführenden Prozesse wie zum Beispiel Extrusion, Spritzgießen und Kalandrieren erzeugt. Beim Mischprozess handelt es sich dabei um ein diskontinuierliches Verfahren (Batch- oder Chargenprozess), das häufig Chargenschwankungen zur Folge hat. Die Auslegung des Mischprozesses basiert hauptsächlich auf den Erfahrungswerten sowie dem Know-how der Prozesstechniker. Optimierung und Verbesserung werden oft empirisch nach dem Prinzip „Trial and Error“ durchgeführt. Rückschluss auf Verbesserungen erhält man erst nach umfangreicher Materialcharakterisierung. Ein effizienter Prozess sollte deshalb möglichst energie-, zeit- und kostenarm sein, sowie eine konstante Mischungsqualität gewährleisten. Es wird eine Methode zur Prozesskontrolle anhand von Versuchen im Labormaßstab entwickelt und an die praktische Anwendung herangeführt. Dazu wird ein einheitliches Auswertediagramm (Drehmoment-Temperatur) entwickelt, anhand dessen die Qualität nach entsprechender Mischzeit bestimmt werden kann. Im erzeugten Diagramm (alternatives Fingerprint-Diagramm) bildet sich ab einem bestimmten Zeitpunkt, genauer gesagt nach vollständiger Einarbeitung des Füllstoffs während der Homogenisierungsphase, ein linearer Zusammenhang zwischen Drehmoment und Temperatur aus. Ab diesem Zeitpunkt, so die Theorie, sollten sich die physikalischen Eigenschaften des Mischguts nicht mehr ändern. Ziel der Diplomarbeit ist es, die Wirksamkeit und Anwendbarkeit der Methode des alternativen Fingerprint-Diagramms anhand von Versuchen mit dem Design of Experiment Ansatz im Labormaßstab wie auch im industriellen Maßstab zu beurteilen. Die Evaluierung erfolgt anhand von repräsentativen Mischungen und letztendlich zur praktischen Anwendung des alternativen Fingerprint-Diagramms in der Prozessoptimierung führen. Die Auswertung mit Hilfe des alternativen Fingerprint-Diagramms war nicht zielführend und brachte keinen wirklichen Mehrwert. Mit Hilfe der DoE-Methode wurden signifikante Verbesserungen in der Prozessoptimierung erreicht.

The first step in manufacturing of elastomer products is the mixing step. The raw compound is produced as a raw material or as a semi-finished product for further processes like as extrusion, injection molding and calendering. It is a discontinuous process (batch or charge process). Therefore, batch fluctuations occur. The quality of the rubber compound is influenced by the mixing process. The design of the mixing process is mainly based on the experience and know-how of the process engineers. Labor, machine, and energy costs have a major impact on the cost efficiency of the process. For this reason, an efficient process is defined by low energy consumption, short cycle times and thus low costs, and consistent compound quality.In this work, a method for process control based on laboratory-scale experiments is developed and introduced into practical application. For this reason, a uniform evaluation diagram (torque over temperature) is introduced so that the quality of the compound can be determined based on this diagram after a corresponding mixing time. In the generated diagram (alternative fingerprint diagram), a linear relationship between torque and temperature is formed from a certain point in time, more specifically after complete incorporation of the filler and during the homogenization phase. According to the theory, from this point on, the physical properties of the mixed compound should no longer change.The aim of the thesis is to evaluate the effectiveness and applicability of the fingerprint diagram method using experiments with the design of experiment approach at laboratory scale as well as at industrial scale. These evaluations are based on representative rubber compounds and aim for the practical application of the alternative fingerprint diagram in process optimization. The evaluation using the alternative fingerprint diagram was not purposeful and did not bring any real added value. Significant improvements in process optimization were achieved with the DoE method.