Verglichen mit anderen Werkzeugkonzepten arbeiten Wendelverteiler bindenahtfrei [CF04, Mic91]. Charakteristisch ist, dass die Schmelzeverteilung durch sich verjüngende wappenförmige Wendelkanäle erfolgt. Das Material tritt dabei sukzessive aus den Wendeln aus und in die Stegbereiche ein Richtung Werkzeugaustritt. Dabei überkreuzen sich Wendel- und Stegvolumenströme mehrfach. Für ein tieferes Verständnis der äußerst komplexen Strömungsvorgänge ist es sinnvoll, die charakteristischen Bereiche, den Steg, den Wendelkanal und den Überkreuzungsbereich, getrennt voneinander zu studieren (Bild 1).

Dooley zeigte im Jahre 2002, dass sich selbst in geometrisch einfachen Fließkanälen eine anfänglich eindimensionale Strömung aufgrund viskoelastischer Effekte der Kunststoffschmelze mit der Zeit bzw. mit fortschreitender Fließweglänge in eine komplexe, dreidimensionale Strömung umwandelt [Doo02]. In der Literatur werden derartige, zusätzlich auftauchende, sekundäre Strömungsphänomene, die quer zur primären Strömungsrichtung im Fließkanal auftreten, als „Sekundärströmungen“ bezeichnet [Gie65]. Diese Phänomene vorherzusagen und zu verstehen sowie Wissen über mögliche technisch nutzbare Potenziale aufzudecken, ist Bestandteil aktueller, internationaler Forschung [ADM06, Doo10, HFO10, LHO10, OCS+10]. Momentan sind weder die Ursachen hierfür vollständig bekannt oder verstanden, noch ist eine gezielte Vorhersage von ihrem Auftreten und erwarteten Auswirkungen möglich.
Einerseits können derartige Schmelzewirbel unerwünschte, negative Effekte hervorrufen. Dies können „linienförmige“ Fehlstellen im Extrudat sein, lokal unnötig lange Verweilzeiten und thermische Materialschädigung sowie die Deformation und Verwirbelung von Schichten in der Coextrusion. Andererseits verspricht eine kontrollierte Nutzung von Sekundärströmungen die Reduktion von Spülzeiten bei Farb- und Materialwechseln [Rot02] und die Verbesserung der Mischwirkung bzw. der Schmelzehomogenität [YDF08]. Auch eine Reduzierung der thermischen Schmelzebelastung und des Verweilzeitspektrums scheint möglich.
Im Rahmen der hier präsentierten Forschungsarbeiten werden die charakteristischen Bereiche des Wendelverteilers mittels simulativer und analytischer, experimenteller Ansätze betrachtet. Auf diese Weise werden Erkenntnisse über den Einfluss von Material-, Prozess- und Geometrieparametern auf die Entstehung von Sekundärströmungsphänomenen zusammengetragen.

Simulation von Sekundärströmungsphänomenen

Schwerpunkte bei der simulativen Betrachtung sind der Einfluss des Verhältnisses von Fließkanalhöhe zu Fließkanalbreite, Fließkanallänge und der Einsatz unterschiedlicher viskoelastischer Materialmodelle (Giesekus- [Gie82] vs. Phan-Thien-Tanner-Modell [PT77]). Für die Simulationsrechnung der Strömungsvorgänge wird die 3D-Finite-Elemente-Software Polyflow von Ansys, Canonsburg/USA, eingesetzt. Je nach Höhe/Breite-Verhältnis bilden sich unterschiedlich viele Wirbel im Fließkanalquerschnitt aus. Die Pfeile in Bild 2 verdeutlichen zudem, dass nicht nur die Wirbelanzahl, sondern auch die Drehrichtung und letztlich die absolute sowie relative Wirbelfläche durch die Gestaltung des Fließkanals beeinflusst wird.

In Bild 3 ist die Entstehung dieser Wirbel entlang der Kanallänge eines Wendelkanals anhand von Schnittbildern exemplarisch dargestellt. Die zwei Modelle nach Phan-Thien-Tanner (oben) und nach Giesekus (unten) werden für die viskoelastischen 3D-FEM-Berechnungen eingesetzt. Beide Modelle bilden die Entstehung der Wirbel adäquat ab. Auffällig ist jedoch, dass die Wirbel unter Verwendung des Giesekus-Modells deutlich früher entstehen und ihren ausgebildeten Zustand erreichen. Ein weiterer Vorteil des Giesekus-Modells liegt in der höheren numerischen Stabilität der durchgeführten Rechnungen. Aus diesem Grund wird es im Folgenden verwendet, da eine Bewertung der Realitätsnähe beider Modelle zunächst noch nicht gegeben werden kann.
Der ausgebildete Zustand wird dabei bereits nach etwa 30 mm Fließkanallänge erreicht. Eine Veränderung der Wirbel nach Erreichen dieses Plateaubereichs kann nicht mehr beobachtet werden; erst der Einfluss der veränderten Randbedingungen am Kanalende bewirken die Degeneration der Wirbel (Bild 4). Symmetrische Wirbel werden hier gemeinsam betrachtet. Die Wirbel E und F entstehen als letztes und nehmen eine Fläche von bis zu 11,5 Prozent des Fließkanals ein. Wirbel A, B, C und D werden jedoch als kritischer angesehen, da sie deutlich früher auftreten und zusammen den oberen Bereich des Fließkanalquerschnitts deutlicher beeinflussen. Zu beachten ist außerdem der kurze Einlaufbereich von etwa 10 mm, in welchem der Einfluss von Sekundärströmungswirbeln noch nicht nachgewiesen werden kann.

Die Variation des Höhe/Breite-Verhältnisses des wappenförmigen Fließkanals wird in Bild 5 dargestellt. Abgebildet ist die Querschnittsfläche des Fließkanals, in welcher Sekundärströmungen vorliegen und dies über der Fließkanallänge. Betrachtet man die insgesamt von allen Wirbeln abgedeckte, auf die Gesamtquerschnittsfläche bezogene Wirbelfläche, so fällt auf, dass die Wirbel in dem Fließkanal mit 6 mm Höhe einen größeren Einfluss haben. Außerdem wird deutlich, dass tiefere Kanäle die Wirbelentstehung verzögern sowie die maximalen relativen Wirbelgrößen zu begrenzen scheinen.

Die Ersatzgeometrie des Schlitzkanals wird im Rahmen dieser Forschungsarbeiten neben der Analyse von Einflüssen der Fließkanalgeometrie (Einfluss von Höhe und Breite) auch zur Untersuchung von Materialeffekten und Prozesseinflüssen (beispielhaft am Volumenstrom) herangezogen. Die Fließkanallänge ist bei dieser Studie von untergeordneter Bedeutung, da sehr schnell von einer ausgebildeten Strömung ausgegangen werden kann und außerdem die Schlitzbereiche in Wendelverteilern grundsätzlich sehr kurze Abmessungen haben. In Bild 6 ist der Einfluss des Volumenstroms dargestellt. Eine Halbierung des Volumenstroms hat bei Verwendung der HD-PE-Type (Lupolen 4261A, Lyondell Basell, Wesseling) einen erheblichen Einfluss auf die relative Wirbelfläche (Mittelwert der zwei detektierten Wirbel). Diese und damit der Einfluss der Sekundärströmungen wird in etwa um den Faktor drei verringert.
Variiert man die Fließkanalbreite bei konstanter Fließkanalhöhe, so fällt auf, dass bei einer Verdoppelung der Breite der Einfluss der Sekundärströmungswirbel ebenfalls um den Faktor drei abnimmt, sodass in beiden Fällen (vgl. Bild 6) insgesamt weniger als 8,6 Prozent des gesamten Fließkanals die Auswirkungen der Sekundärströmungswirbel erfahren. Deutlich wird außerdem, dass nur noch vereinzelt Wirbel im Randbereich der betrachteten Geometrie aufgespürt werden und somit weniger in die Hauptströmung eingreifen, was folglich zu geringerer Strömungsrelevanz der Wirbel führt. Die Auswertung weiterer Höhe/Breite-Verhältnisse bestätigt diese Ergebnisse. Wird die Kanalhöhe von 10 mm auf 20 mm oder 30 mm erhöht, so können selbst im Randbereich keine Wirbel mehr detektiert werden.
Der Einfluss des verwendeten Materials wird in Bild 7 erkenntlich. Die HD-PE-Type (Lupolen 4261A) mit deutlich höherer Viskosität als die LD-PE-Type (Lupolen 1800H, Lyondell Basell) zeigt sowohl eine zeitliche bzw. örtliche Verschiebung der Wirbelentstehung hin zu längeren Zeiten als auch eine Abnahme der absoluten Wirbelfläche. Jedoch wird deutlich, dass Geometrieeinflüsse sowie der Effekt des Volumenstroms weitaus stärkere Auswirkungen auf die Sekundärströmungen haben.

Experimentelle Untersuchungen von Sekundärströmungsphänomenen

Zur experimentellen Untersuchung von Sekundärströmungsphänomenen wird die Ersatzgeometrie 1, der Wendelkanal, betrachtet. Hierzu wird in einem Vorverteiler eine kreisringförmige, achssymmetrische dreischichtige Coextrusionsströmung erzeugt, die dann den Wendelkanal durchströmt. Die einzelnen Schichten bestehen aus demselben Material, welches zur Visualisierung der Strömungsphänomene unterschiedlich eingefärbt ist. In Bild 8 sind Schnitte entlang der Fließkanallänge abgebildet, die die Auswirkungen der Sekundärströmungswirbel anhand der Deformation der mittleren (rot eingefärbten) Schmelzeschicht deutlich machen. Sobald die Sekundärströmungswirbel in ihrer Größe ausgebildet sind, muss man von erheblicher Beeinflussung der Strömungsvorgänge ausgehen. Mit fortschreitender Zeit bzw. Kanallänge werden die Auswirkungen immer offensichtlicher, da Schmelzepartikel den Bahnlinien der Wirbel folgen. Unklar bleibt jedoch, in wieweit die teilweise erhebliche und prozessbedingt unvermeidliche Lunkerbildung sich auf die beobachteten Strömungsphänomene auswirkt. Der erstarrte Kunststoffstrang wird für die hier betrachteten Untersuchungen aus dem kalten Werkzeug entformt. Die Lunker entstehen bei der gemeinsamen Abkühlung von Schmelze und Werkzeug bedingt durch die thermische Schwindung des Kunststoffs.

Um den Überkreuzungsbereich von Wendel- und Stegvolumenstrom zu untersuchen, wurde ein Sichtwerkzeug verwendet, das es ermöglicht, durch Einsatz einer transparenten Quarzglasplatte, Strömungsvorgänge im Überkreuzungsbereich optisch zu beobachten und diese qualitativ auszuwerten. In Bild 9 sind hierzu exemplarisch Schnittbilder entlang der Wendel im Überkreuzungsbereich dargestellt. In der oberen Zeile wird die Seitenansicht gezeigt. Das rot eingefärbte Wendelmaterial fließt von links in die Wendel hinein und wird von vorne, in die Ebene hinein, mit transparentem Stegmaterial überströmt. Ein schwarz eingefärbter Schmelzefaden in der Stegströmung dient zur Visualisierung von Schichtdeformationen. Die untere Zeile zeigt die Schnittbilder der Wendelebene. Deutlich erkennt man, wie das Stegmaterial langsam in die Wendel eindringt und dort Schmelze verdrängt, bis am Austritt knapp 50 Prozent des Materials aus dem Stegvolumenstrom stammen. Zur Beobachtung reiner Sekundärströmungsphänomene ist eine zueinander druckgradientfreie Überströmung von Steg- und Wendelvolumenstrom (möglichst mit gleichen Geschwindigkeiten) nötig. Trotz Einsatzes der vorhandenen Schmelzedrossel zur geringfügigen Beeinflussung des Druckverlustes konnte, bedingt durch die Geometrie von Steg- und Wendelbereich (erhebliche Unterschiede in Fließweglänge und Querschnittsfläche am Austritt), dieser Zustand jedoch nicht nachgebildet werden. Folglich wird die Strömung durch den Druckgradienten dominiert.

Vergleich von Simulation und Experiment

Betrachtet man die Ergebnisse von simulativen sowie experimentellen Ansätzen zusammen, so wird deutlich, dass diese sich vielfach ergänzen und einander grundsätzlich bestätigen. Die simulativ vorhergesagten Wirbel benötigen nach vollständigem Entstehen eine gewisse Zeit, um zu wirken (Bild 10). Schmelze-partikel wandern entlang der Bahnlinien der Wirbel, was die Deformation von Schmelzeschichten, wie sie letztlich beobachtet wird, hervorruft. Da die Geschwindigkeit in Richtung der primären Strömung jedoch um ein Vielfaches größer ist (nur etwa 1 Prozent der Energie wird in der Querschnittsebene umgesetzt), benötigt es lange Fließkanäle, um offensichtliche Sekundärströmungseffekte zu erhalten. Trotzdem sind die Auswirkungen etwa auf Grenzschichten in der Coextrusion erheblich. Auch für Wendelverteiler deutet sich an, dass eine Optimierung und Reduktion von fließkritischen Bereichen prinzipiell möglich ist. Für eine gezielte, positive Nutzung von Sekundärströmungseffekten ist jedoch ein noch tieferes Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Geometrie, Material und Prozessparametern nötig, um neue Potenziale für die Entwicklung und Auslegung von Wendelverteilern – und Extrusionswerkzeugen generell – zu erschließen.

Das Forschungsvorhaben 15392 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung wurde im Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Beiden Institutionen gilt unser ausdrücklicher Dank. Außerdem möchten wir uns bei Lyondell Basell für das zur Verfügung gestellte Material bedanken.

Autor

Über den Autor

Prof. Dr. Dr. E. h. Walter Michaeli, Institutsleiter, Stephan Eilbracht,Extrusionswerkzeuge/CAE/Laborextrusion, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV)an der RWTH Aachen, Aachen, zentrale@ikv.rwth-aachen.de