Als Nervengeflecht unserer technisierten Welt verbinden elektrische Kabel Menschen rund um den Globus. Sie liefern Energie, sie bringen Informationen über die Grenzen von Ländern und Kontinenten hinweg, sie sind das Sinnbild unserer vernetzten Zeit. Die Anforderungen, die diese Leitungen erfüllen müssen, steigen mit jeder neuen technischen Entwicklung. Für einen Hersteller wie den französischen Konzern Nexans besteht die Herausforderung darin, die passenden Kabel für die entsprechenden Anwendungen zu liefern. Dabei geht es darum, ein Leitermaterial, das meist aus Kupfer oder Aluminium besteht, mit einer Ummantelung vor Einflüssen aus seiner Umgebung zu schützen.

Diese Ummantelung wird in der Regel aus einem oder mehreren Kunststoffen produziert. Der Leiter wird dabei durch einen Extruder geführt, in dem sich flüssiger Kunststoff befindet. Am Ende des Extrusionsprozesses erkaltet die Kunststoffschmelze und bildet eine isolierende Schicht, die den Leiter von seiner Umgebung abschirmt. Damit die extrudierte Leitung am Ende die gewünschten Eigenschaften aufweist, muss die Verarbeitung des geschmolzenen Kunststoffs im Extruder genau definiert sein. Dazu gehören mechanische Kräfte, zum Beispiel Druck und Scherung, oder Temperaturschwankungen. Diese Belastungen sollten sich innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs bewegen. Dadurch wird beispielsweise verhindert, dass die Schmelze bereits im Extruder verbrennt, weil sie zu heiß geworden ist, oder sich Granulat und Farbe nicht homogen verbinden. Für eine homogene Schmelze und um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, finden oftmals spezielle Mischwerkzeuge Anwendung.

Erkenntnisse durch virtuelles Modell

In der vorliegenden Simulation wurde ein solches Mischwerkzeug untersucht. Problematisch bei der Beschreibung der Vorgänge in einem Misch-werkzeuge ist stets, dass sich das Innere nicht flächendeckend mit feinen Messfühlern ausstatten lässt, um genaue Informationen über die Vorgänge an bestimmten Stellen zu erhalten. Hierzu haben die Ingenieure und Entwickler von Nexans die Abläufe mithilfe eines virtuellen Modells auf einem Computer nachgebildet und Ergebnisse hinterher in anschaulichen Grafiken visualisiert. Die dafür benötigten Technologien liefert der US-amerikanische Hersteller Ansys. Das Unternehmen aus Canonsburg, Pennsylvania, USA entwickelt Computerprogramme, um unter anderem strömungsmechanische Probleme und Fragestellungen zu lösen. Die Software Ansys Polyflow simuliert das Verhalten von zähflüssigen Stoffen detailliert in einem virtuellen nachgebildeten Extruder.

Um das Extrudermodell überhaupt erzeugen zu können, muss man zunächst die Geometrie im Computer nachbauen. Dazu lieferte Nexans den Strukturpart in Form von CAD-Daten als STEP-Datei. Mithilfe der Software Ansys Design Modeler erzeugen die Entwickler bei Nexans die Geometrie des Mischwerkzeugs, eines Gegenstands in Form eines Kreiszylinders mit halbkugelförmigen Hohlräumen an der Oberfläche. Während des Herstellungsprozesses dreht sich dieses in einem kreiszylinderförmigen Raum, an dessen Oberfläche sich ebenfalls halbkugelförmige Hohlräume befinden. Die Hauptfunktion des Werkzeugs ist es, durch das Öffnen und Schließen der halbkugelförmigen Räume eine optimale Durchmischung der Schmelze zu erreichen.

Gitternetz und Randbedingungen

Allein mit der Geometrie ist es nicht getan. Um die Vorgänge innerhalb des Extruders exakt zu berechnen, muss der Raum in ein lückenloses Netz aus einzelnen, sich nicht überlappenden Gitterzellen zerlegt werden (Diskretisierung des Strömungsraums, auch Meshing genannt). Hierfür bietet der Softwarehersteller eine spezielle Meshing-Plattform, mit der die komplexe Geometrie des Extruders in eine Vielzahl von Zellen aufgeteilt wird. Mithilfe des Programms Ansys CFD-Post werden die Ergebnisse schließlich ausgewertet. Somit greifen verschiedene Technologien ineinander, mit deren Hilfe sich die Vorgänge innerhalb eines Extruders bei der Herstellung von Kabeln nachbilden lassen.

Ebenfalls notwendig für die Berechnung und Nachbildung der Vorgänge sind die Randbedingungen: Das sind die Viskosität des Materials abhängig von der Scherrate, die thermischen Randbedingungen, das heißt die Einlasstemperatur, die thermische Leitfähigkeit, die viskose Erwärmung und die Annahme, dass an den Wänden kein Wärmeverlust stattfindet. Die entsprechenden Daten über Viskosität und Scherrate sind bereits mithilfe von Proben und Tests ermittelt worden. Sie fließen als Materialdaten in die Berechnungen durch Polyflow ein. Hinzu kommen die Strömungsrandbedingungen, also der Massestrom am Einlass und die Rotationsgeschwindigkeit des Mischwerkzeugs von 20 Umdrehungen pro Minute, ein Umgebungsdruck am Ausgang von 0 bar sowie die Dichte des Materials. Diese Randbedingungen stellt Nexans zur Verfügung. Mithilfe aller hier beschriebenen Parameter kann die Berechnung des Strömungsverhaltens des Polymers innerhalb des Werkzeugs erfolgen.

Lokale Überhitzung der Schmelze

Die Simulation und die anschließende Visualisierung haben interessante Resultate erbracht. So zeigt sich beispielsweise, dass sich das Polymer bei Eintritt in den halbkugelförmigen Raum innerhalb der Röhre leicht erwärmt, und zwar genau an der Stelle, wo es in den Raum gelangt.

okale Überhitzung der Schmelze durch Scherung, sogenanntes Viscous Heating, entsteht etwa in der Mitte der halbkugelförmigen Vertiefungen. Auch das offenbart die Computergrafik. Ähnliche Hot Spots treten an dem schmalen Spalt zwischen zwei halbkugelförmigen Vertiefungen auf. Bei einem Blick auf die Scherung stellt sich heraus, dass die Stellen mit erhöhter Scherung fast immer identisch mit den Stellen sind, an denen erhöhte Temperaturen auftreten. Der Vergleich beider Grafiken macht diesen Zusammenhang auf eindrucksvolle Weise deutlich.

Diese Details, die mit der Simulation ermittelt worden sind, lassen sich nicht mithilfe von Messungen überprüfen. Hier müssen sich die Entwickler bei Nexans ausschließlich auf die Berechnungen der verschiedenen Programme zur Strömungssimulation verlassen. Was sich allerdings messen lässt, sind verschiedene Parameter beim Austritt des Materials aus dem Mischwerkzeug. So beispielsweise der Druckabfall, der Massenstrom oder die Schmelzetemperatur. Diese Werte stimmen mit der Simulation und dem virtuellen Modell weitgehend überein. Daher kann man davon ausgehen, dass auch die übrigen durch Simulation ermittelten Parameter richtig sind. Für die Entwickler und Ingenieure bei Nexans war dies dennoch sehr interessant, denn sie erhielten durch die Simulation einen detaillierten Einblick in die Vorgänge im Inneren eines Mischwerkzeugs. Um hier vorhandenes Optimierungspotenzial auszuschöpfen und die Werkzeuge zu verbessern, müssten mehrere Varianten mithilfe der Simulation miteinander verglichen werden. Für Nexans hat die Simulation der Strömungsmechanik bei der Entwicklung neuer Werkzeuge den Vorteil, dass sie weniger kostet und schneller durchzuführen ist, als die zeitaufwändige Herstellung und das Testen von Prototypen. Zukünftiges Ziel von Nexans wird daher auf jeden Fall sein, die Simulation von strömungsmechanischen Vorgängen im Extruder voranzutreiben.

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Über den Autor

Daniel Haller, Nexans Deutschland Jean-Marc Gonnet, Nexans Deutschland Oliver Zühlke, Ansys Germany