Browsing by Author "Mehling, Ralf"

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    Numerische Simulation des Abkühl- und Strömungsvorgangs beim Kühldüsen-Extrusionsverfahren
    (2002) Mehling, Ralf; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)
    Mit dem Kühldüsen-Extrusionsverfahren lassen sich Kunststoffvollprofile und dickwandige Polymerextrudate herstellen, indem man Schmelze kontinuierlich durch ein beheiztes Profilwerkzeug hindurch presst. In der nachgeschalteten Kühl- bzw. Kalibriereinh eit wird dann das schmelzeförmige Polymer definiert abgekühlt, um anschließend mit Unterschreiten der Kristallisationstemperatur zu einem Feststoffstrang zu erstarren. Das Extrudat wird mittels einer Abzugsvorrichtung fortlaufend weiterbewegt oder durch Aufbau von Gegendruck zu einem Profil mit dem angestrebten Querschnitt vollständig ausgeformt. Die vom Extrudat mitgeführte Wärme wird dem Kunststoff im gekühlten Kalibrator entzogen. Dieser als Wärmetransportvorgang bezeichnete Energieaustausch lässt sich einerseits mittels der instationären, zweidimensionalen Energiegleichung mathematisch beschreiben. Dabei wird im Rahmen dieser Arbeit das von der Temperatur und insbesondere der Abkühlgeschwindigkeit abhängende Materialverhalten des teilkristallinen Polymers berücksichtigt. Andererseits schließt der weiterführende stationäre, dreidimensionale Ansatz die axiale Wärmeleitung in das Modell mit ein. Sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Modell beschreibt eine Isothermiebedingung die Wechselwirkung zwischen dem Kalibrator und Extrudat. Die konvektive Randbedingung quantifiziert den Wärmeaustausch, der an den mit fluiden Medien in Kontakt stehenden Oberflächen auftritt. Ab dem Zeitpunkt, ab dem die Massetemperatur des Polymers im Kalibrator unter die Kristallisationstemperatur absinkt, verliert die Schmelze ihre Fließfähigkeit. Gleichzeitig kontrahiert das Polymer aufgrund steigender Dichte, was durch nachfließende Schmelze kompensiert wird. Um diese Detailvorgänge zu simulieren, werden die Kontinuitäts-, Impuls- und Energiegleichung miteinander gekoppelt. Die Substitution des konvektiven Impulsterms mit Hilfe der Kontinuitätsgleichung ermöglicht es, die Kontraktion mittels der von der Temperatur abhängenden Dichte zu modellieren. Der Verlust der Fließfähigkeit lässt sich durch die mit sinkender Temperatur ansteigende Viskosität, die explizit in den Schubspannungstermen auftritt, beschreiben. Um die gesuchten Temperatur- und Geschwindigkeitsprofile aus der hergeleiteten Energie- und Impulsgleichung zu berechnen, bietet sich die Methode der Finiten Elemente als Lösungsalgorithmus an, mit dem beliebige Werkzeug- und Kalibratorgeometrien erfasst werden können. Für die 3D-Abkühlsimulation wird ein neues Programmpaket generiert, um dem axialen Wärmestrom insbesondere im Kalibrator Rechnung zu tragen. Darüber hinaus wird in das FEM-Programm SIMFLOW des IKT ein neues Materialmodell eingefügt. Die Auswirkungen der sich ändernden Stoffparameter auf den Wärmetransport können anhand von 2D-Temperaturspektren gezeigt werden. Die in den Grundgleichungen enthaltenen thermischen Stoffparameter, zu denen die spezifische Wärmekapazität, die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit zählen, werden mittels der thermischen Analyse experimentell bestimmt. Abhängig von der Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit zeigen die Stoffparameter ausgeprägte änderungen beim Phasenübergang von der Schmelze zum Feststoff. Mit Hilfe von mathematischen Polynomansätzen werden die gemessenen Stoffwertverteilungen approximiert. Aus Viskositätsmessungen am Kapillar- und Rotationsrheometer gewinnt man die von der Temperatur und Schergeschwindigkeit abhängige Viskosität der Schmelze und des Schmelze-/Feststoffgemischs. Die Kristallisation führt zu einem exzessiven Anstieg der Viskosität. Eine konstitutive Gleichung wird entwickelt, um das Materialverhalten des Polymers in diesem Temperaturbereich zu beschreiben. Diese stützt sich auf das Carreau-Modell, um die Viskosität der Schmelze zu beschreiben. Darüber hinaus wird der Arrhenius-Ansatz herangezogen, um die Temperaturabhängigkeit der Viskosität des reinen Liquids abzubilden. Für das Phasenübergangsgebiet ist ein neuer Interpolationsansatz entwickelt worden, der sich an die Messwerte anpassen lässt. Ferner eignet sich das Potenzgesetz von Ostwald-deWaele, um das Feststoffverhalten des erstarrten Polymers durch hinreichend hohe Viskositätswerte zu simulieren. Ein Kühldüsen-Extrusionsverfahren für die Herstellung eines Führungsprofils wird entwickelt. Unter realen Bedingungen können die Prozessparameter Druck, Schmelzetemperatur, Extruderdrehzahl bzw. Durchsatz und die Kalibratortemperaturen experimentell studiert werden. Die gemessenen Temperaturen ermöglichen die Verifikation der Berechnungsergebnisse und bilden die Stützpunkte zur Approximation von Randtemperaturfeldern, die in die Berechnung einbezogen werden.