Extrusion 7-2021

terung als einseitige Halbachsenverlängerung umgesetzt. Die Steglänge wurden an den vorhandenen Bauraum im Dornhal- terwerkzeug angepasst. Die dritte Stegvariante (C) besteht aus vier Stegen mit einer konstanten Stegbreite. Das vierte darge- stellte Stegdesign (D) ist dagegen nach Vorbild eines Kenics-Mi- schers konzipiert. Kenics-Mischer sind aus Wendeln mit einem Verdrehwinkel von je 180° aufgebaut. Bei diesem Stegdesign erfolgte eine an das Werkzeug angepasste Verringerung des Verdrehwinkel auf 38,8°. Verringerungen des Verdrehwinkels wurden bereits von Galaktionov et al. untersucht und können eine homogenere Verteilung der Schichtgrenzflächen bewirken als ein Standardwinkel von 180° [GAPM03]. Praktische Erprobung der neugestalteten Steggeometrien In Anschluss an eine ausführliche simulative Untersuchung der verschiedenen Steggeometrien [Hop21], wurden diese in prak- tischen Extrusionsversuchen erprobt. Dafür wurde das Dornhal- terwerkzeug an einen Laborextruder (Brabender GmbH & Co. KG, Duisburg, Schneckendurchmesser D = 19 mm, Länge der Dreizonenschnecke von 25 D) angeflanscht. Extrudiert wurden zwei gängige Rohrmaterialtypen, ein Polyethylen hoher Dichte vom Typ Vestolen A 6060 (PE-HD) sowie ein Polypropylen (PP) 531 PH der Firma Sabic, Riad, Saudi-Arabien. Die eingestellten Prozesstemperaturen sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Der Massedurchsatz betrug jeweils 3 kg/h. Zur stegabhängigen Bewertung der Druckverluste waren jeweils vor und hinter dem Stegbereich DMS-Druckaufnehmer mit einer Messfrequenz von 1 s -1 installiert. Mittels Stützluft wurde ein Zusammenfallen des Schmelzeschlauches verhindert. Im Anschluss an das Werkzeug wurde der Schmelzeschlauch in eine Kalibratorstrecke geführt. In der Kalibratorstrecke erfolgte die Wasserkühlung des Extru- dats mit einer Wassertemperatur von 18 °C. Gleichzeitig wurde das Extrudat durch eine Vakuumpumpe (CT-200-S der Firma 39 Extrusion 7/2021 nutzt wird die Strömungsenergie der durchfließenden Fluide [Man09]. In der Extrusion etabliert sind X-Mischer, Kenics- Mischer und LPD-Mischer [GAPM03, KD12, Man09, MSA12, PM79]. Auf Basis der verschiedenen Mischerkonzepte erfolgte eine Neugestaltung der Dornhalterstege mit dem Ziel, Quer- strömungen hinter dem Stegbereich zu erzeugen. Querströ- mungen können in Kombination mit der Wandhaftung eine strukturmechanisch günstigere Verlagerung der Bindenähte er- zielen (vgl. Bild 1 ). Um bei der Steggestaltung ein hohes Maß an geometrischer Freiheit nutzen zu können, wurden die Stege für die praktische Erprobung additiv mittels Selektivem Laser Melting (SLM) gefer- tigt. Für dieses Herstellungsverfahren sind dennoch verschiede- ne Konstruktionsrichtlinien wie zum Beispiel minimale Wand- stärken, Radien und Bauraumgrößen zu beachten [NN21a, NN21b]. Zudem war für die praktische Erprobung bzw. die Her- stellung von Rohrproben mit einem Außendurchmesser von 32 mm und einer Wandstärke von 2 mm ein modulares Dorn- halterwerkzeug mit austauschbarem Stegbereich (G&G Extrusi- onstechnik GmbH, Schwerin) vorgesehen. Neben den Restrik- tionen der additiven Fertigung restringierte das Dornhalter- werkzeug zusätzliche die Stegabmaße. So hatte der Stegbe- reich eine maximale Länge von 30 mm, einen Innenradius von 35 mm und einen Außenradius von 55 mm. Im Anschluss an die Steggestaltung wurden Untersuchungen mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen mit der Software OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd., Lon- don, Vereinigtes Königreich) durchgeführt. Die Simulationser- gebnisse ergeben, dass die Druckverluste von Stegen angelehnt an den X-Mischer um den Faktor 9 im Vergleich zu den kon- ventionellen Stegdesigns ansteigen [HLSF20]. Auch eine Variati- on der Stegbreiten oder der Steganzahl konnten die Druckver- luste nicht in ausreichend hohem Maße an das konventionelle Design angleichen [Hop21]. In Folge dessen fokussierte sich die praktische Erprobung auf Stegdesigns in Anlehnung an Kenics- und LPD-Mischer (vgl. Bild 2 ). Das erste LPD-Stegdesign (A) weist, ähnlich zu einem LPD-Mi- scher, zwei gekreuzte Halbplatten auf, die den Dorn fixieren. Bedingt durch den vorhandenen Stegbauraum im Werkzeug wurde jedoch der Kreuzungswinkel der Platten von standard- mäßig 90° auf circa 52° reduziert. Da erste Simulationsergeb- nisse des LPD-Stegdesigns Stagnationszonen hinter den Stegen und hohe Druckverluste aufwiesen [HLSF20], wurde dieses Stegdesign mit vier kreisrunden Aussparungen mit einem Durchmesser von je 4 mm versehen (vgl. Bild 2 ). Beim zweiten LPD-Steg- design (B) wurde die Steganzahl auf drei Stege erhöht und es erfolgte eine einseitig konvexe Stegverbreiterung. Dazu wurde der Stegquerschnitt ellip- tisch umgestaltet und die Stegverbrei- Bild 2: Neuartige Stegdesigns [Hop21] (Bild: IKV) Tabelle 1: Materialabhängige Prozesstemperierung HDPE [°C] PP [°C] Extruder Heizzone 1 180 180 Extruder Heizzone 2 190 190 Extruder Heizzone 3 190 200 Werkzeug 215 220 K Konventionelle Stege LPD-Stegdesigns Kencis-Stegdesigns A B C D 10 mm