Analyse, Auslegung und Optimierung von Wendelverteilersystemen

Abstract

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.

Spiral mandrel and flat spiral dies are normally used in pipe and blown film extrusion. The major task of the die is to distribute the entering polymer melt into an annular gap, in order to extrude semi-finished products with narrow tolerances. The die concept features good melt distribution, absence of weld lines and flow markings, low pressure drops and homogenous wall thickness of the extrudate. In order to achieve these advantages it is necessary to optimize the die design in consideration of the rheological behaviour of the polymer melt. In the present work a simulation and design concept for spiral mandrel and flat spiral dies including the downstream unit is proposed that enables the efficient, iterative optimization of the flow channel design. The optimization concept is based on numerical simulation using the FEM software package SIMFLOW that was developed at the Institut für Kunststofftechnologie (IKT). The rheological behaviour of the polymer melt is described accurately by means of the Carreau and power law respectively. The fundamentals of the flow model are shown in this work. Furthermore the developed strategy of modeling spiral mandrel and flat spiral dies, that is underlying the design concept, is presented. Particularly the geometrical description of the flow channels and the calculation of the shell element thickness representing the channel depth and gap height in the simulation model are described in detail. Further on optimization criteria used in the design concept in order to characterize and assess the calculated flow field are introduced. In addition detailed numerical investigations concerning the influence of geometrical, rheological and processing parameters on the flow field and optimization criteria, that were carried out by means of the simulation concept, are shown and discussed. The presented results emphasize the significant influence of the flow channel design on the melt flow in the distribution system. On the base of the identified, sensitive parameters a design strategy for spiral mandrel and stacked-type spiral dies is derived. Moreover the PhD thesis deals with the flow analysis of spiral mandrel and flat spiral dies taking the flow channel of the downstream unit into account. The experimental verification of the simulation and design concept was done by a stacked-type spiral die for blown film extrusion that was calculated, optimized and designed. Optimization results of the distribution systems and the downstream unit are shown, and the developed die design is given. The extruded single-layer and multi-layer blown films show a very homogenous film gauge distribution that is in good agreement with the calculated melt distribution at the die exit. Therefore the presented design concept is suitable for optimizing the flow channels of spiral mandrel and flat spiral dies properly. Further on fluidic investigations regarding the air cooling ring, that enable the correlation between cooling air velocity and film thickness, are shown within this work. The presented experimental results emphasize the crucial importance of the proper melt and cooling air distribution for the extrusion of blown films with close tolerances. Furthermore a software tool that was developed to optimize the flow channel design automatically is proposed in the present work. The algorithm is based on an objective function that is assembled by weighted optimization criteria and minimized by the gradient method. The implemented mesh generator features the adaptation of finite element discretization to modified flow channel design and therefore ensures the automatic procedure. The structure and functional principle of the optimization program and mesh generator are described in detail. As a result of several calculations performed by varying the initial flow channel design the functional capability of the optimization algorithm is pointed out.