Extrusion 5-2023

26 Extrusionswerkzeuge – Aus der Forschung Extrusion 5/2023 Durch eine aktive Kühlung des aus dem Werkzeug herausge- führten Wärmerohrendes kann nun die Temperaturdifferenz zwi- schen den Wärmerohrenden und damit auch die aus dem Hotspot abgeführte Wärmemenge beeinflusst werden. Das bie- tet neue Möglichkeiten zur thermischen Homogenisierung von Extrusionswerkzeugen, was nachfolgend am Beispiel eines ra- dialen 2³-Vorverteilers untersucht wird. Wärmerohre zur Kühlung lokaler Hotspots im radialen 2³-Vorverteiler Zunächst muss eine Identifikation lokaler Hotspots im 2³-Vor- verteilers erfolgen, um die zur thermischen Schmelzehomoge- nisierung benötigte Wärmerohranzahl, -position und Wärmeübertragungsleistung zu ermitteln. Um eine thermische Schmelzebeeinflussung zu ermöglichen, ist insbesondere die Po- sitionierung der Wärmerohre so zu wählen, dass sie ausreichend nah an den Fließkanalwänden liegen. Gleichzeitig ist aber auch die Dichtigkeit des Werkzeugs und das Herausführen aller Wär- merohre aus dem Werkzeug in radialer Richtung zu gewährleis- ten. Vor allem bei Coextrusionsanwendungen verhindert der Stapelaufbau aus Vor- und Hauptverteilern ein axiales Heraus- führen der Wärmerohre. Verwendet wurde der in Bild 2 darge- stellte radiale 2³-Vorverteiler an dem bereits Hopmann, Yesildag und Petzinka verschiedene Homogenisierungsansätze unter- suchten [Hop15, Hop19, Pet22, Yes17]. Aufgrund der Werk- zeugsymmetrie erfolgt die Ergebnisdiskussion lediglich für eine Werkzeughälfte. Die Austritte sind von 1 bis 4 durchnummeriert (Vgl. Bild 3 ). Eine simulative Untersuchung ermöglichte zunächst die Identifi- zierung der zur thermischen Homogenisierung notwendigen Wärmerohranzahl, -positionierung und -wärmeübertragungs- leistung. Dazu wurden CFD-Simulationen mit der Software OpenFOAM durchgeführt [HLSW22]. In der Simulation wurde das Fließver- halten eines LDPE 2101 N0W der Firma SABIC, Raid, unter Variation der Ein- trittsschmelzetemperatur, der außen aufgeprägten Werkzeugtemperatur sowie dem Massendurch- satz betrachtet. Demnach führen vor allem große Temperatur- differenzen zwischen der Werkzeug- und der Schmelzetemperatur zu Inhomogenitäten der Temperatur- und Durchsatzverteilung an den Vorverteileraustritten. Im Falle einer 20 °C höheren Werkzeugtemperatur im Vergleich zur Schmel- zetemperatur sind bereits drei Wärmerohre an den Positionen A, B und C (vgl. Bild 3 ) je Vorverteilerhälfte mit einer maximalen Wärmeübertragungsleistung von 62 W ausreichend, um Tem- peraturabweichungen von maximal 1,3 Prozent auf 0,9 Prozent zu reduzieren. Die aufsummierten Durchsatzabweichungen ver- ringern sich über alle Austritte derweil von 5,3 Prozent auf 2,4 Prozent. Da die Simulation zum Beispiel den Effekt von Dehnviskosität bzw. Viskoelastizität vernachlässigen muss, wird eine praktische Untersuchung der lokalen Wärmerohrkühlung an den Positio- nen A, B und C nach Bild 3 vorgenommen. Mit Hilfe eines 60-mm-Extruders der Firma Barmag, Remscheid wird das PE-LD 2101 N0W aufgeschmolzen. Eine Zahnradschmelzepumpe des Herstellers MAAG Pump Systems, Oberglatt, führt die Schmelze anschließend pulsationsfrei dem radialen 2³ Vorverteilerwerk- zeug zu. Dieses wird durch ein außenanliegendes Heizband mit 1900 W temperiert. Da im realen Coextrusions-Stapelaufbau die Ober- und Unterseite eines radialen Vorverteilers durch weitere Verteilerwerkzeuge von der Umgebungsluft abgeschirmt sind, werden diese Flächen mit Glaswolle isoliert. An jedem Vorver- teileraustritt sind Düsen vorgesehen, in denen über einschraub- bare Drosselstifte der Werkzeuggegendruck des Hauptverteilers abgebildet wird (Vgl. Bild 2 ). Zudem ermöglichen eintauchende Schmelzetemperatursensoren eine Quantifizierung des Wärme- rohreinflusses auf die Schmelzetemperatur. Die Schmelzetem- peratursensoren vom Typ J (Gefran Deutschland GmbH, Seligenstadt) tauchen bis in die Austrittfließkanal- mitte ein. Verwendet werden zylindrische Wärme- rohre mit einem Durchmesser von 6 mm des Herstellers Quick-Ohm Küpper, Wuppertal. Um die Wärmerohre aus dem Werkzeug radial herauszu- führen, eignen sich um 90 ° gebogene Wärme- Bild 2: Radialer 2³-Vorverteiler Bild 3: Wärmerohrpositionierung zur thermischen Homogenisierung bei T Werkzeug > T Schmelze Oberplatte ∅ 16 mm ∅ 24 mm ∅ 28 mm Unterplatte Düsen mit Drosselstift und Temperatursensor Konvektion bei 25 °C Austritt Wärmerohr 9 W 1 2 C B A 3 4 1 A 18 W 62 W T Werkzeug ṁ T Schelze