Im Bereich der Simulation von Extrusionsprozessen arbeitet das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der Erprobung von Methoden, um Fließvorgänge im Extruder sowie im Werkzeug zu analysieren. Neben der klassischen Folien-, Platten und Profilextrusion werden auch Weiterverarbeitungsverfahren, wie das (Streck)-Blasformen berücksichtigt. Hierzu werden einerseits kommerzielle Finite-Elemente-Software wie Polyflow, Fluent oder Abaqus eingesetzt, um detaillierte Einblicke in Prozesse zu erhalten, die der experimentellen Beobachtung verschlossen bleiben. Es werden auch eigene, spezialisierte Softwarelösungen erarbeitet, um Extrusionsblasköpfe effizient auslegen zu können. Das Aufschmelzen ist eine der Hauptaufgaben eines Extruders. Die Länge der Aufschmelzzone, eine wesentliche Kenngröße für die Leistung eines Extruders und damit der Qualität der Schmelze, ist aufgrund der Vielzahl an Einflussgrößen nur schwer vorhersagbar.

Schneckenauslegung mit 3D-FVM

Eine einfache Hilfestellung bietet eine am IKV entwickelte Simulationsmethode. Um das Aufschmelzen eines Feststoffbetts in einer Strömungssimulation zu berücksichtigen, kann das Feststoffbett als ein Fluid mit sehr hoher Viskosität betrachtet werden. Die Aufschmelzvorgänge in 3-Zonen-Schnecken und auch in komplexen Barriereschnecken können so berechnet und visualisiert werden. Der Einfluss der Umströmung des Feststoffbettes sowie der Rückströmung über die Schneckenstege kann auf diese Weise analysiert werden. Durch eine Variation von Schneckengeometrie oder Betriebsparametern kann das Aufschmelzverhalten gezielt beeinflusst werden. So kann zum Beispiel der optimale Heiz- beziehungsweise Kühlbedarf bestimmt oder der Einfluss von Schneckenverschleiß auf die Extruderleistung abgebildet werden. Der Feststoff- und Schmelzekanal kann damit optimal auf das zu verarbeitende Polymer ausgelegt werden. Zusammenfassend ergibt sich durch die Untersuchungen ein Beitrag zur Verkürzung der Entwicklungszeit und zur Erhöhung der Schneckenqualität.

Optimierung von Profilwerkzeugen und Blasköpfen

Im Bereich der Extrusionswerkzeuge steht der Prozess der Profilwerkzeugauslegung im Fokus. Ein Großteil an Zeit und Kosten bei Produktionsstart ist aufwendigen, iterativen Einfahrversuchen geschuldet. Numerische Berechnungen und automatische Optimierungsalgorithmen können aber zu einer deutlichen Reduktion der Ausfallzeiten beitragen. Der Wahl einer geeigneten Startgeometrie sowie der Definition und Freigabe von Geometrieparametern kommt dabei eine große Bedeutung zu, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme (CATS) der RWTH Aachen wurde eine Softwarelösung erarbeitet und erfolgreich für die Berechnung von Strömungsvorgängen in Profilwerkzeugen eingesetzt.

In Kooperation mit der Döllken Kunststoffverarbeitung wurde die automatische Optimierung einer Fließkanalgeometrie zur Herstellung eines Sockelleistenprofils getestet. Auf der Grundlage erster vielversprechender Ergebnisse wird die Software im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ der RWTH Aachen in Kooperation von IKV und CATS weiterentwickelt, indem Expertenwissen bei der Definition der Startgeometrie berücksichtigt wird, um auf diese Weise die Anzahl der notwendigen realen Iterationen in der Werkzeugauslegungsphase weiter zu reduzieren.

Ein weiteres Projekt im Bereich der Extrusionswerkzeuge widmet sich der Auslegung von Blasköpfen für das Extrusionsblasformen. Das Institut entwickelt hierfür eine eigene, hochspezialisierte Softwarelösung für die numerische Berechnung der Strömungsvorgänge in mehrstufigen Blasköpfen. Hierbei wird von einer Hirschgeweih-Vorverteilung als Anspeisung einer Kleiderbügel-Vorverteilung und einem anschließenden Verwischgewinde samt Düse ausgegangen. Um in möglichst kurzer Zeit eine hohe Anzahl unterschiedlicher Geometrievarianten berechnen zu können, basiert die Software auf den bewährten Methoden der Netzwerktheorie. Das Verwenden von Optimierungsalgorithmen macht es nun möglich, mehrere Tausend Geometrievarianten automatisch zu berechnen und miteinander zu vergleichen. Anhand vorgegebener Anforderungen werden schließlich die besten Ergebnisse identifiziert.

Bearbeitung von Vorformlingen

Neben der Analyse der Werkzeugtechnik steht auch das Aufschwellen des Vorformlings beim Extrusionsblasformen im Mittelpunkt aktueller Forschung. Mittels viskoelastischer Materialmodelle können Vorhersagen zum Durchmesser-Schwellen und zur Wanddicken-Verteilung getroffen werden. Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere das Phan-Thien-Tanner-Modell gut geeignet ist, um stabile Rechnungen zu ermöglichen. Die mit diesem Modell berechneten Ergebnisse der Außenkontur stimmen phänomenologisch gut mit Experimenten überein. Die quantitative Berechnung mit numerischen Verfahren bleibt jedoch weiterhin Gegenstand der Forschung.

Die Qualität von streckblasgeformten Flächen wird stark von der Materialverteilung beeinflusst. Um gute Eigenschaften bei Berstdruck, Topload und Sideload zu erhalten und dennoch Material einzusparen, kommt deshalb der Berechnung des strukturmechanischen Verhaltens eine große Bedeutung zu. Das IKV hat hierfür ein Simulationsmodell entwickelt, das eine integrative Betrachtung von Prozesssimulation und strukturmechanischer FE-Analyse ermöglicht und den zweistufigen Streckblasprozess durchgängig dreidimensional abbildet. So kann der Einfluss der biaxialen Verstreckung auf die mechanischen Eigenschaften des Produkts berücksichtigt werden. Der gesamte Verarbeitungsprozess wird dabei in Betracht gezogen. Das beinhaltet den Strahlungsaustausch in der Infrarotheizstrecke und die Erwärmung des Preforms unter Berücksichtigung der Strahlungsabsorption, der Wärmeleitung und der konvektiven Wärmeabfuhr durch die Gebläseluft.

Die Umformsimulation nutzt dann das auf diese Weise berechnete Temperaturprofil. Der kombinierte Verstreck- und Aufblasvorgang wird unter Berücksichtigung des temperaturabhängigen, viskoelastischen Materialverhaltens simuliert. Die Untersuchungen zur Modellierung des Topload-Verhaltens leerer und teilgefüllter Flaschen zeigen, dass durch die Verwendung des integrativen Simulationsansatzes die Genauigkeit der berechneten Ergebnisse verbessert wird. Im Gegensatz zur konventionellen Simulation bildet der integrative Ansatz das experimentell ermittelte Deformationsverhalten zuverlässig und in guter Übereinstimmung ab.

Vorabdruck aus IKV-Jahresbericht 2012, Auszug.

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Über den Autor

Stephan Eilbracht ist Mitarbeiter am IKV in Aachen. eilbracht@ikv.rwth-aachen.de