Extrusion 8-2016

Christian Hopmann, Nafi Yesildag, Malte Schön Wendelverteilerwerkzeuge haben sich als Extrusions- werkzeug in der Blasfolien- extrusion etabliert, da bei diesem Werkzeugtyp keine Bindenähte entstehen und die austretende Schmelze eine gute Homogenität aufweist [BS10]. Bei der Auslegung des Werkzeugs wird primär darauf abgezielt, eine gleich- mäßige Geschwindigkeits- verteilung am Werkzeug- austritt zu sichern, da eine inhomogene Schmelze- verteilung zu einem Produkt mit ungleicher Dicken- verteilung über dem Umfang führt [Mic09]. während auf dem Fließweg Scherdissipa- tion und Wärmeaustausch mit dem Werkzeugstahl berücksichtigt werden. Die Außenfläche des Werkzeugs, die von einem Heizband bedeckt ist, wird in der Simulation mit einer homogenen Tempe- ratur T W geprägt, die ebenfalls variiert wird. Für die freien Werkzeugaußenflä- chen wird ein konvektiver Wärmeüber- gang zur Umgebung angenommen. Simulationsergebnisse Analyse des Temperatureinflusses auf die Durchsatzverteilung Ein wichtiger Einflussfaktor, der zu ther- mischen Inhomogenitäten im Vorvertei- ler führen kann, ist die dissipative Sche- rerwärmung. Zur Untersuchung dieser wird durch Gleichsetzen von T M und T W auf 200 °C der Einfluss der äußeren Be- heizung minimiert. Es ist in Bild 2 zu J edoch treten im Vorverteiler, der dem Wendelverteiler vorgeschaltet ist, ther- mische Inhomogenitäten auf, die bisher bei der Auslegung des Werkzeugs ver- nachlässigt werden [SSP03]. Vor diesem Hintergrund wurde am Institut für Kunst- stoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aa- chen ein integratives Simulationsmodell in der FEM Software Polyflow (Ansys Germany GmbH, Otterfing) entwickelt, das die temperaturabhängige Schmelze- aufteilung im Vorverteiler berechnet [Hop15]. Die Simulation berücksichtigt die dissipative Schererwärmung in der Schmelze und die Wärmeleitung im Werkzeug. Sie bildet den gesamten Vor- verteiler ab, bestehend aus Fließkanal und umgebendem Werkzeugstahl. Im nächsten Schritt wurde dieses Simulati- onsmodell nun dahingehend erweitert, dass der Wärmetransfer zwischen Vor- verteiler und Wendelverteiler mit einbe- zogen wird, indem auch das Werkzeug- 74 Aus der Forschung Extrusion 8/2016 Bild 1: Radialer Wendelverteiler bestehend aus Vorverteiler, Hauptverteiler und Luftführungsdorn material des Hauptverteilers abgebildet wird [HBS+16]. Die Ergebnisse dieses er- weiterten Modells werden im Folgenden dargestellt. Werkzeuggeometrie und Randbedingungen in der Simulation Für die simulativen Untersuchungen wird der in Bild 1 dargestellte Wendelverteiler herangezogen, der aus einem 23-Vorver- teiler, einem radialen Hauptverteiler mit acht Wendeln und einem Luftführungs- dorn besteht. Die Fluiddomäne umfasst den Vorverteiler, während der Wärme- transport im gesamten Werkzeug be- rücksichtigt wird. Die Fluiddomäne wird von einem schmelzeflüssigen Polyethylen hoher Dichte durchströmt, dessen rheo- logisches Verhalten mit einem Carreau- WLF-Ansatz beschrieben wird. Der Durchsatz ṁ an PE-HD wird variiert. Die Temperatur T M der Schmelze wird am Eingang als homogen angenommen, Integrative Simulation der Vorverteilung in einem Wendelverteilerwerkzeug