Extrusion 5-2024

proximiert werden, womit der Dehndruckverlust zwischen den Drucksensoren P 1 und P 2 berechnet wird. Der Dehndruckverlust Δ p dehn kann nach Gibson wie folgt berechnet werden [Gib89]: (Gl. 3) wobei I und t die Dehnviskositätsanteile aus dem Potenzansatz nach Ostwald und de Waele [Sch20] bezeichnen, γ 2 die schein- bare Schergeschwindigkeit an Messstelle P 2 und α den Winkel zwischen den Radien R 1 und R 2 an den Messstellen P 1 und P 2 bezeichnet. Somit können im laufenden Prozess sowohl die Scher- als auch die Dehneigenschaften der Schmelze erfasst wer- den, welche wiederum direkt für die Kalibrierung des PTT-Mo- dells für die Simulation genutzt werden können. Dies ermöglicht die Untersuchung des Einflusses von Materialschwankungen auf die PTT-Modellparameter und damit auf das Schwellverhalten in der Simulation ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Un- tersuchung jeder Charge am HKR im Labor. Simulation der Vorformlingsextrusion Neben der Konstruktion des Rheometers wurde mithilfe des neu kalibrierten PTT-Modells ein Simulationsmodell für die Vorform- lingsextrusion aufgebaut. Unter Ausnutzung der Rotationssym- metrie wurde eine 2D-Simulationsumgebung erstellt. Das Rechengitter besteht aus dem Fließkanal der Düse sowie dem Raum unterhalb der Düse, der initial mit Luft gefüllt ist. Die Si- mulationen wurden mittels des rheoTool Solvers rheoInterFoam durchgeführt, welcher eine inkompressible Mehrphasenströ- mung zeitabhängig mittels des Volume-of-Fluid (VoF)-Ansatzes löst. Im Nachfolgenden ist ein Auszug der bisher in dem For- schungsvorhaben erzielten Ergebnisse dargestellt. Die hier ge- zeigten Simulationen wurden für ein PE-HD bei konstanter Temperatur für unterschiedliche, für eine experimentelle Vali- dierung am IKV vorhandene Düsengeometrien und Durchsätze durchgeführt. Für die Durchsätze wurden 10 kg/h und 50 kg/h betrachtet, da diese ein recht großes Spektrum abdecken. Für die Quantifizierung des Aufschwellverhaltens eignen sich zwei dimensionslose Kennwerte. Das Dickenschwellen ( Gl. 4 ) be- zeichnet das Verhältnis der lokalen Vorformlingsdicke zum Spalt- maß am Düsenaustritt, während sich das Durchmesserschwellen (Gl. 5) auf die Änderung des Außendurchmessers des Schmel- zeschlauchs bezieht (siehe Bild 2 ). (Gl. 4) (Gl. 5) Bei den Simulationen werden für die Auswertung mehrere Zeit- schritte erfasst und diese charakteristischen Schwellwerte über die Zeit gemittelt, um den Einfluss etwaiger Schwankungen in der transienten Vorformlingsextrusion zu minimieren. In Bild 3 sind die simulierten Vorformlingsgeometrien für unter- schiedliche Düse-Dorn Kombinationen und Durchsätze darge- stellt. Es zeigen sich leichte Instabilitäten an der Oberfläche des Vorformlings, die aus dem verwendeten VoF-Ansatz stammen, der Einfluss dieser Instabilitäten ist jedoch gering und wird bei der Auswertung durch die Mittelung der Kennzahlen über meh- rere Zeitschritte hinweg mitigiert. Bei der Betrachtung des Durchmesserschwellens für die drei ge- zeigten Betriebspunkte ( Bild 4 links) zeigt sich, dass eine Erhö- hung des Durchsatzes bei der konvergenten Düse ( Bild 3 Mitte und rechts) zu einem erhöhten Durchmesserschwellen führt. Dabei befinden sich die absolut erzielten Schwellwerte für die konvergente Düse-Dorn Kombination bei niedrigem Durchsatz in der gleichen Größenordnung wie die Schwellwerte aus La- borversuchen, die in der Vergangenheit am IKV durchgeführt wurden [Hop12]. Ein ähnlicher Effekt zeigt sich beim Dicken- schwellen ( Bild 4 rechts). Auch hier steigt der dimensionslose Schwellwert mit steigendem Durchsatz. Darüber hinaus führt die divergente Düse-Dorn Kombination zu einem geringeren Dickenschwellen als die konvergente Düse-Dorn Kombination. Fazit und Ausblick Es wurde eine neue Methode vorgestellt, wie aus den Daten eines Inline-Rheometers an der Blasformanlage ein viskoelasti- sches Materialmodell kalibriert werden kann. Die Ergebnisse zei- gen, dass die Simulationen mit den verwendeten Materialmodellen in OpenFOAM imstande sind, erstmalig auch bei hohen Durchsätzen die Vorformlingsextrusion zu modellie- ren. Dabei zeigen die charakteristischen Kenngrößen für das Schwellverhalten vielversprechende Ergebnisse. Im weiteren Ver- lauf des Forschungsvorhabens soll das Simulationsmodell mit- hilfe der Messdaten aus Laborversuchen weiter verbessert werden. Darüber hinaus wird die Simulationsumgebung erwei- tert, um auch eine Wanddickensteuerung durch Veränderung der Düsenspaltweite im Extrusionsprozess mit abbilden zu kön- nen. Abschließend werden die Ergebnisse der Simulation in Laborversuchen experi- mentell validiert. Das neue Simulations- modell soll nicht nur Einblicke in das Schwellverhalten des Vorformlings liefern, sondern auch Anlagenbauern und -bedie- nern langfristig eine bessere Kontrolle über den Prozess ermöglichen. Dank Das IGF-Forschungsvorhaben 22731 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbei- 28 Extrusionsblasformen – Aus der Forschung Extrusion 5/2024 Bild 3: Simulierte Vorfomlingsgeometrien für unterschiedliche Betriebspunkte Divergent, 10 kg/h Konvergent, 10 kg/h Konvergent, 50 kg/h .