Prediction of residence time distribution of a single-screw rubber extruder by parameterizing the transfer function using experimental data

Abstract

With the ongoing digitalization in the industrial sector, also called Industry 4.0, automation techniques offer huge potential for the rubber industry. Advanced automation methods allow for precise control of the extrusion process and increase the consistency in product quality. Since product quality is affected by process parameters in a complex way, predicting the flow conditions, the thermal conditions and the mixing in an extruder is a prerequisite for more sophisticated Industry 4.0 applications. These Industry 4.0 applications require short computing times and thus sufficiently fast models for online implementation in production systems. A useful measure for the flow inside the extruder is the residence time distribution. It enables an analysis of the residence time of the material particle in the process and subsequently a statement about the mixing characteristics. For the investigation of the residence time distribution and the effect of process parameters on residence time properties, a single-screw rubber extruder equipped with a gear pump was used. In this contribution, we present a method to identify the residence time distribution for a certain compound using experiments. We describe an experimental procedure with a special tracer material and a modified image processing method to identify the residence time distribution. The experimental data and analyses, in particular, the input and output signals of the experiments, are used to determine the residence time distribution (transfer function) of the system. Based on previous findings from literature and experimental studies of the process, the influences of selected parameters on the transfer function were investigated and used to parameterize a general transfer function for the chosen compound. Consequently, the derived transfer function is used to predict the residence time distribution of the process and the results are validated with experimental data. We discuss the potential of the method for an online implementation in a production system and outline how this method can be used within predictions for advanced process control.

Mit der fortschreitenden Digitalisierung im Industriesektor, auch Industrie 4.0 genannt, bieten Automatisierungstechniken ein enormes Potenzial für die Kautschukindustrie. Fortschrittliche Automatisierungsmethoden ermöglichen eine präzise Steuerung des Extrusionsprozesses und erhöhen die Konstanz der Produktqualität. Da die Produktqualität in komplexer Weise von den Prozessparametern beeinflusst wird, ist die Vorhersage der Fließbedingungen, der thermischen Bedingungen und der Vermischung in einem Extruder eine Voraussetzung für anspruchsvollere Industrie 4.0-Anwendungen. Diese Industrie 4.0-Anwendungen erfordern kurze Rechenzeiten und damit ausreichend schnelle Modelle für die Online-Implementierung in Produktionssystemen. Ein nützliches Maß für die Strömung im Extruder ist die Verweilzeitverteilung. Sie ermöglicht eine Analyse der Verweilzeit der Materialpartikel im Prozess und damit eine Aussage über das Mischungsverhalten. Für die Untersuchung der Verweilzeitverteilung und der Auswirkung von Prozessparametern auf die Verweilzeiteigenschaften wurde ein Einschnecken-Kautschukextruder mit einer Zahnradpumpe verwendet. In diesem Beitrag stellen wir eine Methode zur experimentellen Identifizierung des Verweilzeitverteilung für eine bestimmte Verbindung vor. Wir beschreiben ein experimentelles Verfahren mit einem speziellen Tracer-Material und einer modifizierten Bildverarbeitungsmethode zur Identifizierung der Verweilzeitverteilung. Die experimentellen Daten und Analysen, insbesondere die Eingangs- und Ausgangssignale der Experimente, werden zur Bestimmung der Verweilzeitverteilung (Übertragungsfunktion) des Systems verwendet. Basierend auf früheren Erkenntnissen aus der Literatur und experimentellen Untersuchungen des Prozesses wurden die Einflüsse ausgewählter Parameter auf die Übertragungsfunktion untersucht und zur Parametrisierung einer allgemeinen Übertragungsfunktion für die gewählte Verbindung verwendet. Folglich wird die abgeleitete Übertragungsfunktion zur Vorhersage der Verweilzeitverteilung des Prozesses verwendet und die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten validiert. Wir erörtern das Potenzial der Methode für eine Online-Implementierung in einem Produktionssystem und skizzieren, wie diese Methode im Rahmen von Vorhersagen für eine fortschrittliche Prozesssteuerung verwendet werden kann.