Browsing by Author "Cretu, Ionel Michael"

Now showing 1 - 1 of 1

Open Access
Analyse, Auslegung und Optimierung von Wendelverteilersystemen
(2008) Cretu, Ionel Michael; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)
Wendelverteilerwerkzeuge finden bei der Extrusion von Halbzeugen mit kreisringförmigem Querschnitt (Rohre, Schläuche, Schlauchfolien) Anwendung. Ihre Hauptaufgabe besteht in der Überführung des vom Extruder vorgelegten Plastifikats in eine gleichmäßige Ringspaltströmung, um Profile mit eng tolerierten Dimensionen auszuformen. Wendelverteilersysteme zeichnen sich dabei durch eine gute Schmelzeverteilung aus, so dass bindenahtfreie Halbzeuge mit gleichmäßiger Wanddickenverteilung bei moderatem Druckverbrauch hergestellt werden können. Um die Vorteile des Werkzeugkonzeptes zu nutzen, ist jedoch eine exakte, rheologische Auslegung der komplexen Fließkanalgeometrie notwendig. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Auslegungskonzept für Axial- und Radialwendelverteiler unter Einbeziehung der Nachfolgezonen vorgestellt, das eine effiziente, iterative Optimierung der Fließkanalgeometrie ermöglicht. Das Auslegungskonzept basiert auf der numerischen Strömungssimulation mittels des institutseigenen FEM-Softwarepakets SIMFLOW und berücksichtigt das rheologische Stoffverhalten der Schmelze durch den Carreau- und den Potenzansatz. Die Arbeit legt die strömungsmechanischen Grundlagen des Berechnungsansatzes dar und zeigt die entwickelte Modellierungsstrategie für Axial- und Radialwendelverteilersysteme, die dem Auslegungskonzept zugrunde liegt, auf. Insbesondere werden die geometrische Beschreibung der Fließkanalstrukturen und die Berechnung der diskreten Schalendicken an den Knoten des FE-Netzes, die den Kanaltiefen- und Spaltweitenverlauf im Simulationsmodell wiedergeben, detailliert dargestellt. Des Weiteren werden die aussagekräftigen Optimierungskriterien des Auslegungskonzeptes vorgestellt, die die Charakterisierung und Beurteilung der berechneten Strömungsvorgänge im Verteilersystem erlauben. Ferner werden in dieser Abhandlung die umfassenden, numerischen Untersuchungen zum Einfluss von geometrischen, rheologischen und verfahrenstechnischen Parametern auf das Strömungsfeld und die Optimierungskriterien, die mit Hilfe des Auslegungskonzeptes durchgeführt wurden, ausführlich dargestellt und diskutiert. Die präsentierten Ergebnisse unterstreichen den signifikanten Einfluss der Fließkanalgeometrie auf die Schmelzeströmung im Verteilersystem. Anhand der identifizierten, sensitiven Größen wird eine Strategie für die systematische Auslegung von Wendelverteilersystemen abgeleitet. Die Dissertation beinhaltet zudem die Strömungsanalyse von Wendelverteilern unter Einbeziehung der Nachfolgezonen. Zur experimentellen Verifikation des Auslegungskonzeptes wurde ein Radialwendelverteilerwerkzeug für die Coextrusion von Schlauchfolien entwickelt. Die Auslegung der Wendelverteiler- und Düsensysteme, sowie der konstruktive Werkzeugaufbau werden vorgestellt. Die Auswertung von ein- und mehrschichtigen Schlauchfolien, die im Rahmen von Versuchsreihen extrudiert wurden, lässt die äußerst gleichmäßige, azimutale Foliendickenverteilung erkennen, die in guter Übereinstimmung mit der berechneten Schmelzeverteilung steht. Die dargelegten Ergebnisse verdeutlichen, dass sich das Auslegungskonzept zur exakten Abstimmung und Optimierung der Fließkanäle von Wendelverteilersystemen eignet. Weiterhin werden im experimentellen Teil dieser Arbeit strömungstechnische Untersuchungen des Außenkühlrings dargestellt, die eine Korrelation zwischen Kühlluftgeschwindigkeit und Foliendicke erlauben. Die vorgestellten Versuchsergebnisse unterstreichen die grundlegende Bedeutung der Güte von Schmelze- und Kühlluftverteilung für die Extrusion gleichmäßiger Schlauchfoliendicken. Darüber hinaus wird in der vorliegenden Arbeit ein Programm zur automatischen Optimierung von Wendelverteilern präsentiert. Der Optimierungsalgorithmus basiert auf einer Zielfunktion, die sich aus gewichteten Optimierungskriterien zusammensetzt und die mittels eines Gradientenverfahrens minimiert wird. Die Implementierung eines neu entwickelten Netzgenerators ermöglicht die Anpassung der Diskretisierung an modifizierte Fließkanalgeometrien und stellt den automatischen Programmablauf sicher. Der Aufbau und die Funktionsweise des Optimierungsprogramms und des Netzgenerators werden detailliert beschrieben. Anhand von Optimierungsrechnungen für unterschiedliche Startgeometrien wird zudem die Funktionsfähigkeit des Optimierungsalgorithmus aufgezeigt.