Zusammenhänge von Mischtechnologien verstehen und Potenziale erschließen

Beton mischen ist ein interessanter verfahrenstechnischer Prozess mit noch vielen spannenden, offenen Fragestellungen und großem Potenzial für neue Lösungen. Die Liebherr-Mischtechnik GmbH, die sich seit 65 Jahren mit mischtechnischen Aufgabenstellungen beschäftigt, verfügt mit ihren erfahrenen und engagierten Mitarbeitern, sehr gut ausgestatteten Versuchseinrichtungen und einem weltweiten Vertriebsnetz über eine sehr gute Ausgangslage.

Mischprodukte bzw. deren Rezepturen weiterzuentwickeln und damit neue Eigenschaften oder verbesserte Qualitäten zu erreichen und die Herstellungsprozesse effizienter zu machen, sind Herausforderungen, für die es neuer Lösungsansätze bedarf. Tiefere Einblicke in die verfahrenstechnischen Zusammenhänge, die produktspezifisch bei einer Mischaufgabenstellung bewältigt werden müssen, sind notwendig. Dazu verfügt Liebherr-Mischtechnik über eine Entwicklungsbasis, die moderne, rechnergestützte Simulationstechniken mit Versuch und Praxis verbinden. Ziel ist es, immer besser zu verstehen, welche Prozesse in einem Mischer ablaufen und welche verfahrenstechnische Prozesse für die Erreichung der gewünschten Produkteigenschaften notwendig sind. Hier wird häufig übersehen, dass das Mischen nur eine von vier Grundoperationen der mechanischen Verfahrenstechnik ist. Zusätzlich sind noch die thermischen oder chemischen Verfahrenstechniken zu beachten, welche die Erreichung der gewünschten Produktqualität begleiten oder sogar dominieren.

Um die Erkenntnisse unterschiedlicher Mischtechnologien möglichst schnell und erfolgreich vorantreiben zu können, wird bei Liebherr in folgenden drei Bereichen parallel geforscht:

Simulation (digitale Mischprozesse),

Labormaßstab (skalierbare Mischversuche) und

Praxis (Mischversuche und Praxiserfahrung).

Eine Kernkompetenz von Liebherr sind mischtechnische Lösungen für Aufgabenstellungen, bei denen die festen Phasen den Hauptanteil einer Rezeptur bilden. Dabei ermöglichen die Mischsysteme hohe Mischgüten sowohl für das distributive Mischen schwierig zu vermischender Komponenten als auch für das dispersive Mischen mit intensivem Materialaufschluss.

Der Ringtellermischer

Der Anwendungsschwerpunkt dieses Mischsystems ist das dispersive Mischen (Feinaufschluss und Feinverteilung von Zement, Füller und Additiven), wofür sich der Ringtellermischer mit integriertem Wirblersystem hervorragend eignet. Bei diesem Mischsystem haben die in einem Ringtrog umlaufenden Mischschaufeln die Aufgaben einer Grobvermischung, des Materialtransportes und des Entleerens. Weiterhin rotieren auf einer Umlaufbahn innerhalb des Ringtrogs 1 bis 2 Wirblersysteme. Die Umlaufgeschwindigkeit der Wirbler korreliert mit der Mischwerksdrehzahl. Die Drehzahl der Wirbler selbst ist jedoch wesentlich höher und kann nach Bedarf auch stufenlos geregelt werden.

Damit ergibt sich bei jedem Umlauf eine hocheffiziente Beanspruchung des Mischgutes für einen gewünschten Feinaufschluss (Dispergiereffekt). Besonders bei der Herstellung feinkörniger selbstverdichtender (hochfester und ultrahochfester) Betone kommt es aufgrund des geringen Wasseranteils zu starken Mischgutagglomerationen während der ersten Mischphasen. Hier kann das System Ringtellermischer mit Wirbler seine ganze Stärke ausspielen und markiert nach Herstellerangabe den derzeitigen Benchmark in Bezug auf Mischzeit und Effizienz.

Der Doppelwellenmischer

Der Doppelwellenmischer hat seinen Schwerpunkt im distributiven Mischen, das bedeutet in der gleichmäßigen Verteilung schwierig zu vermischender Komponenten. Dabei wird er hohen Ansprüchen bezüglich der Mischgüte gerecht. Dies wird erreicht durch eine asymmetrische spiralförmige Anordnung der Mischwerkzeuge auf den beiden Mischwellen. Dadurch wird eine Zirkulation des Mischgutes durch den gesamten Mischraum sichergestellt. Zwischen den Mischwellen erfolgt in einer hochturbulenten Mischzone ein intensiver horizontaler Austausch. Zusätzlich wird das Mischgut durch die Rotation der Mischwellen in vertikaler Richtung bewegt. Durch diese Bewegungskombination ergibt sich ein echter dreidimensionaler Prozess und damit eine hohe statistische Wahrscheinlichkeit, dass ein beliebiges Teilchen zu jeder beliebigen Position im Mischtrog gelangt. Auch bei niedrigen (produktschonenden) Umfangsgeschwindigkeiten werden sehr gute Mischgüten erreicht. Wenn zusätzlich höhere Scherbeanspruchungen benötigt werden, kann aber auch ein Doppelwellenmischsystem mit sehr hohen Umfangsgeschwindigkeiten betrieben werden.

Das bedeutet, dass mit diesem System in einem großen Bereich von Drehzahlen hohe Mischgüten effizient erreicht werden können. Durch diese funktionalen Eigenschaften lassen sich Baustoffe mit großen Unterschieden in der Korngrößenverteilung, unterschiedlichen Dichten (Einmischen von z.B. Leichtstoffen), Formunterschieden (Einmischen von z.B. Fasern) mit höchstmöglichen Mischgüten produzieren. Auch die gleichmäßige Verteilung von Farbzusätzen in kurzer Zeit stellt kein Problem dar. Schnelles Entleeren dank großem Verschluss erhöht die Ausstoßleistung pro Stunde.

Der Labormischer

Labormischer senken den Versuchsaufwand, ermöglichen eine systematische Lösungsfindung und können fundierte Entscheidungsgrundlagen liefern. Ziel von Liebherr Mischtechnik ist es, Entwicklern von neuen Rezepturen oder Qualitätsüberwachungseinrichtungen mit dieser Technik eigene praxisnahe Versuche zu ermöglichen. Diese Labormischer bieten die gleichen verfahrenstechnischen Abläufe, wie sie auch in der Praxis auftreten. Das bedeutet, bei Mischversuchen im Labormaßstab werden 1:1 die gleichen Beanspruchungs- und Bewegungsabläufe realisiert. Diese Gesichtspunkte sind in die Entwicklung der neuen Liebherr-Labormischer eingeflossen. Schwerpunktmäßig für das distributive Mischen konzipiert ist der Doppelwellenmischer DW 0.06/100. Für höhere Scherraten ist der Doppelwellenintensivmischer DWI 0.06/100 konzipiert. Dieser ermöglicht Mischwellendrehzahlen bis 600 upm. Speziell für anspruchsvolle Dispergieraufgaben steht der Ringteller-Intensivlabormischer RIV 0.06/100 mit separat und unabhängig von der Mischwerksdrehzahl regulierbarer Wirblerdrehzahl zur Verfügung.

Eine moderne Steuerung ermöglicht u. a. eine Unterteilung des Versuchsablaufs in einzelne Abschnitte, eine übersichtliche Darstellung des Versuchsverlaufs und die Integration unterschiedlicher Sensorik wie z.B. Temperatur, Feuchtemessung, Drehzahl und Kraftmessungen. Für weitergehende Analysen können die Daten in einem neutralen Format ausgelesen werden. Die Steuerung kann auch in ein eigenes Netzwerk integriert werden.

Das Technikum

Für Kunden, die aufgrund anstehender Investitionen oder neuen Produktideen auf der Suche nach einer geeigneten Mischtechnik sind, bietet die Liebherr Mischtechnik GmbH mit ihrem professionellen Technikum sehr gute Möglichkeiten. Maschinentechnisch stehen hier auch die beschriebenen Labormischer zur Verfügung. Dies wird ergänzt durch die Möglichkeit, Validierungsversuche auf Mischern in Praxisgröße (von 750 l bis 3800 l) durchführen zu können.

Begleitet werden diese Versuche durch qualifiziertes Liebherr-Personal mit großer Praxiserfahrung und Unterstützung bei der Findung einer zielführenden Versuchssystematik.

Die Simulation

Die bisherige Entwicklung der Mischtechnik ist stark durch empirische Erfahrungswerte geprägt. Bezüglich des Verständnisses der Wirkprinzipien von Mischsystemen gibt es immer noch Luft nach oben. Aus diesen Gründen haben sich die Entwicklungsprozesse verlangsamt. Neue Methoden zur rechnergestützten Simulation und Virtualisierung ermöglichen heute tiefere Einblicke in die mischtechnischen Vorgänge. Die Nutzung dieser Möglichkeiten ist ein wichtiger Schlüssel für neue Entwicklungen. Um diese Potentiale zu erschließen, arbeitet die Liebherr Mischtechnik GmbH systematisch daran, eine eigene interne Simulationskompetenz aufzubauen. Diese Möglichkeiten helfen nicht nur, intern die Mischtechnik weiterzuentwickeln, sondern auch den Kunden, mischtechnische Prozesse besser zu verstehen und ist damit ein Baustein zur Sicherung einer Investitionsentscheidung. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung Virtualisierung verfahrenstechnischer Prozesse und damit in Richtung Digitalisierung.

Zusammenfassend bietet Liebherr: Erfahrungen zur Lösung spezifischer mischtechnischer Aufgabenstellung, bewährte Mischsysteme, große Erfahrungen im Mischanlagenbau, eine neue Labormischer-Baureihe, die Nutzung von modernen Simulationstechniken sowie die Möglichkeit von internen und externen Versuchen im Praxismaßstab.