Simulative und experimentelle Bestimmung des viskoelastischen Aufschwellens und numerische Fließkanaloptimierung in der Extrusion

Bei der simulativen rheologischen Auslegung von Extrusionswerkzeugen sind sowohl das Strömungsverhalten der Kunststoffschmelze im Werkzeug als auch das viskoelastische Schwellen dahinter relevant. Die viskoelastischen Eigenschaften werden beim Blasformen im Aufschwellen des Schmelzeschlauchs hinter dem Werkzeug untersucht. In Bezug auf den Fließkanal wird ein systematisches Vorgehen bei der automatischen Fließkanaloptimierung von Profi lextrusionswerkzeugen entwickelt, bei der ein Fließkanal am Rechner ohne Benutzerinteraktion solange verändert wird, bis eine optimale Geometrie für ein vorgegebenes Optimierungskriterium gefunden wird. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Simulation der Vorformlingsextrusion beim Extrusionsblasformen und die damit verbundene korrekte Vorhersage der Vorformlingsgeometrie unter Variation von Durchsatz und Massetemperatur sowie der Blaskopfgeometrie und des Materials. Anhand der durchgeführten Simulationen der Vorformlingsextrusion ergibt sich für den Außendurchmesser qualitativ eine sehr gute Übereinstimmung zu den experimentellen Daten. Für die konvergente Fließkanalgeometrie ist die quantitative Übereinstimmung mit einer Abweichung von unter 3 % für die gemittelte Außenkontur des Vorformlings gut. Bei der konstant bleibenden Fließkanalgeometrie wird nur qualitativ eine gute Übereinstimmung gefunden. Das Dickenschwellen kann in den Simulationen mit den gewählten Randbedingungen nicht realitätsnah dargestellt werden. Einzig das PTT-Modell zeigt auch bei den größten untersuchten Durchsätzen (15 kg/h) und einer realitätsnahen Materialmodellierung ein stabiles Konvergenzverhalten. Bislang ist die rheologische Fließkanalauslegung von Profi lwerkzeugen ein iteratives und empirisches Verfahren. Ziel dieses Teils der Arbeit ist die Verbesserung der automatischen Fließkanaloptimierung durch die Identifi kation geeigneter Verformungsparameter und -bereiche sowie passender Parametrisierungen der Oberfl ächen für die Verformungen. Das abgeleitete Vorgehen besteht aus Empfehlungen für wichtige Bereiche, deren Parametrisierung und die Optimierungsreihenfolge, die an einem Fließkanal zur Ausformung eines L-förmigen Profi ls ermittelt werden. Die allgemeine Gültigkeit der Optimierungsstrategie wird durch die Übertragung auf eine komplexe Fließkanalgeometrie für ein Sockelleistenprofi l gezeigt. Bei beiden Geometrien kann die Homogenität der Geschwindigkeitsverteilung deutlich verbessert werden. Allerdings zeigt sich auch, dass die Parametrisierung und die Kontrollpunktdichte sowie passende Vorverformungen in der Konstruktionsphase wichtig für das Optimierungsergebnis sind.