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06.03.2019, 06:00 Uhr | Lesedauer: ca. 4 Minuten Optionen:       

Mit neuen Methoden zur effizienten Vorhersage komplexer Verarbeitungsprozesse

Bild 1: Particle-Tracking-Methode zur Beurteilung der Mischgüte eines neuartigen, biobasierten Polyurethans am Beispiel eines dynamischen Mischers - (Bild: IKT).
Bild 1: Particle-Tracking-Methode zur Beurteilung der Mischgüte eines neuartigen, biobasierten Polyurethans am Beispiel eines dynamischen Mischers - (Bild: IKT).
Simulationen werden vor allem eingesetzt, um Versuchsaufwand zu reduzieren, Zielgrößen vorherzusagen und somit Entwicklungsprozesse zu beschleunigen. Zur Vorhersage von Kunststoffverarbeitungs- und Kunststoffaufbereitungsprozessen wird hierzu am Institut für Kunststofftechnik an neuen Simulationsansätzen geforscht.

Die prozessinduzierte Fasermikrostruktur von spritzgegossenen Bauteilen bedingt die resultierenden Eigenschaften. Dabei unterscheidet sich die Fasermikrostruktur von kurz- und langfaserverstärkten Thermoplasten deutlich. So ändert sich nicht nur die Faserorientierung mit zunehmender Faserlänge, sondern es treten auch der Bruch von Fasern sowie die Separation von Fasern und Matrix häufiger auf. Zur verlässlichen Vorhersage der strukturmechanischen Eigenschaften von LFT wird daher an einer Methode geforscht, die eine vollumfängliche Berücksichtigung der vorliegenden Fasermikrostruktur, also der Faserorientierung, Faserlänge und Faserkonzentration, innerhalb der strukturmechanischen Auslegung erlaubt. Hierzu wurde ein am IKT entwickelter Ansatz zur mikromechanischen Modellierung um die notwenigen Prozessgrößen und die zugehörigen Berechnungsmodelle erweitert. Die Basis der verbesserten Vorhersage bildet ein neuer Optimierungsansatz zur schnellen und automatisierten Kalibrierung der jeweiligen Berechnungsmodelle, wie beispielsweise des Faserorientierungstensors anhand von ausgewählten experimentellen Stützstellen.

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Ähnliche Herausforderungen sind bei der Simulation des Pultrusionsprozesses gegeben. Die thermoplastische Pultrusion von Polyamid 6 (PA6) zur Erzeugung von endlosfaserverstärkten Halbzeugen ist ein neuartiges, vielversprechendes Verfahren mit hohem Potenzial für den Leichtbau. Aufgrund des Neuheitsgrades gehen mit dem Prozess jedoch auch eine Vielzahl an unbekannten Einflussfaktoren und möglichen Prozessparameterkonstellationen einher. Um hierbei schnell signifikante Einflussfaktoren identifizieren zu können, werden am IKT neue Simulationsmodelle entwickelt. Eine Herausforderung bei der thermoplastischen Pultrusion ist das Vorliegen einer reaktiven Strömung, da die Monomere erst im Pultrusionswerkzeug unter Einwirkung entsprechend hoher Temperatur zu PA6 polymerisieren. Des Weiteren stellt sich die Frage, wie sich die Faserbewegung und deren Rückkopplung, die Faser-Fluid-Interaktion modellieren lassen. Hierzu wird auf einen stationären Modellierungsansatz zurückgegriffen. Die Modifizierung der Impulsgleichung erlaubt, die Faserbewegung auch in komplexen Werkzeuggeometrien abzubilden. Des Weiteren spielen die Permeabilität der Fasern und deren Charakterisierung eine besondere Rolle. Mit der umgesetzten Simulationsmethodik können dann Druck- und Temperaturprofile im Werkzeug berechnet werden.

Mit steigendem Bewusstsein der Industrie für die Gewinnung von Polymeren aus nachwachsenden Rohstoffen, ergeben sich zudem neue Anforderungen an Verarbeitungsprozesse. Dies wird auch an biobasierten Polyurethanen deutlich, welche meistens ein Zwei-Komponenten-System darstellen. Damit die Polymerisation zum Polyurethan vollständig ablaufen kann, müssen die Ausgangskomponenten vor dem eigentlichen Verarbeitungsschritt unter einem definierten Verhältnis dosiert und effizient gemischt werden. Unvollständig polymerisierte Stellen können im schlimmsten Fall zu einer mechanischen Schwachstelle des Bauteils führen. Dabei stellen im Speziellen die unterschiedlich hohen Viskositäten der Ausgangsstoffe eine Herausforderung dar. Die effiziente Auslegung des Mischprozesses ist daher gerade bei neuen Werkstoffsystemen von besonderem Interesse.

Eine numerische Strömungssimulation des Mischprozesses in Kombination mit der sogenannten Particle-Tracking-Methode kann in diesem Fall Abhilfe schaffen (Bild 1). Mit eigens entwickelten Simulationsprogrammen kann eine Aussage über das Mischgütemaß getroffen und der Mischprozess somit effizient vorhergesagt werden. Dadurch können von vornherein optimale Prozessparameter identifiziert und aufwändige Iterationen bei der Versuchsdurchführung reduziert werden.

Neben Verarbeitungsprozessen selbst stehen außerdem Kunststoff­auf­be­reit­ungs­pro­zesse im Fokus der aktuellen Forschung. Der Ko-Kneter stellt dabei eine Sonderform unter den in der Aufbereitung eingesetzten Extrudern dar. Im Gegensatz zum Doppelschneckenextruder besitzt der Ko-Kneter lediglich eine Schneckenwelle und arbeitet nach einem besonderen Prinzip. Die Schnecke führt zusätzlich zur Rotation eine Hubbewegung in axialer Richtung aus. Durch dieses einzigartige Arbeitsprinzip gewährleistet der Ko-Kneter eine schonende Aufbereitung und einen gleichmäßigen Schereintrag ohne Temperaturspitzen aufzuweisen. Aufgrund seines Arbeitsprinzips stellt der Ko-Kneter eine besondere Herausforderung innerhalb der Prozesssimulation dar. Anhand von geeigneten Modellannahmen und Vereinfachungen ist es jedoch möglich, diesen stationär zu betrachten, um somit verschiedene Prozessparameter ohne großen Rechenaufwand miteinander zu vergleichen. Somit ist es möglich, erste Erkenntnisse über die Strömungsvorgänge im Ko-Kneter zu erhalten und Einflussfaktoren zu untersuchen, die experimentell nicht auflösbar sind.

Durch eine stationäre Berechnung können jedoch nicht alle Strömungsgrößen im Prozess korrekt wiedergegeben werden. Daher forscht das IKT an der Anwendung und Weiterentwicklung eines innovativen Ansatzes zur Berechnung komplexer, bewegter Geometrien, der sog. Immersed Boundary Surface (IBS) Methode. In der numerischen Strömungssimulation kommen hauptsächlich körperangepasste Rechengitter zur Anwendung. Bei komplexen, bewegten Geometrien gelangen diese jedoch an ihre Grenzen oder sind nur mit sehr großem Aufwand realisierbar. Die IBS verfolgt einen alternativen Ansatz, bei dem in das Rechengitter ein Oberflächennetz eingetaucht (engl. immerse) wird. Auf den Rändern der eingetauchten Geometrie werden schließlich die Randbedingungen gelöst, wodurch das Rechengitter unverändert bleibt. Das IKT arbeitet hierbei an der Weiterentwicklung und Anwendung der IBS-Methode, um damit Verarbeitungs- und Aufbereitungsprozesse unter realen Bedingungen simulieren zu können, die zuvor nicht oder nur mit enormen Aufwand simulativ abgebildet werden konnten.

Diese und weitere Forschungsaktivitäten und Erkenntnisse auf dem Gebiet der Simulation von Kunststoffverarbeitungs- und Kunststoffaufbereitungsprozessen werden im Rahmen des 26. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums vorgestellt.

Weitere Informationen:
www.kunststoffkolloquium.de, www.ikt.uni-stuttgart.de

26. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 27.-28. März 2019, Stuttgart

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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