Mit neuen Methoden zur effizienteren Vorhersage komplexer Verarbeitungsprozesse

Particle-Tracking-Methode zur Beurteilung der Mischgüte eines neuartigen, biobasierten Polyurethans am Beispiel eines dynamischen Mischers - (Bilder: 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 (IKT) der Universität Stuttgart an neuen Simulationsansätzen geforscht. Einblicke über die aktuelle Forschung werden während des 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums präsentiert.

Die Immersed Boundary Surface Methode (IBS) ist eine an der Universität Zagreb entwickelte Variante der Immersed Boundary Methode. Mit Hilfe der IBS können Kunststoffverarbeitungsprozesse einfach und realistisch vorhergesagt werden, ohne die Geometrien und/oder realen Prozessbedingungen wesentlich zu vereinfachen. Ziel der aktuellen Forschung am IKT ist unter anderem die numerische Simulation von Planetwalzenextrudern zur Analyse der vorherrschenden Schergeschwindigkeiten in Abhängigkeit von verschiedenen Geometrievariationen. Erste Ergebnisse zeigen, dass die reale Bewegung der Planetenspindeln sowie mehrere ineinandergreifende Elemente mit der IBS simuliert werden können, ohne dass komplexe Vernetzungsmechanismen oder vereinfachte Geometrien und Simulationsmodelle erforderlich sind.

Simulation des Übergangs zwischen Einzugs- und Aufschmelzzone eines Extruders

Die Simulation der Wärmeübertragung für laminare Strömungsvorgänge mit strukturviskoser Schmelze in Extrusionswerkzeugen ist ein weiteres Thema, mit dem sich die Forscher des IKT intensiv beschäftigen. Die Kunststoffschmelze ist eine Flüssigkeit mit viskosen scherraten- und temperaturabhängigen Eigenschaften und voll entwickelter Geschwindigkeitsverteilung. Eine angepasste Auslegung von Extrusionswerkzeugen für temperatursensible Werkstoffe mit engem Prozessfenster soll eine bessere Verarbeitbarkeit und höhere Bauteilqualität ermöglichen. So kann mithilfe der Simulation die Integration von konturnaher Kühlung realisiert werden. Zu diesem Zweck werden Simulationsmodelle entwickelt, mit denen für den stationären Extrusionsprozess der Wärmeübergang zwischen Werkzeug und Schmelze abgebildet und der Einfluss der Werkzeugtemperierung auf die sich ausbildende Strömung berechnet werden kann.

Dreidimensionale Modellierungsansätze für Einschneckenextruder werden in der Regel nach den Verfahrenszonen eingeteilt. Die sogenannte Diskrete-Elemente-Methode (DEM) ermöglicht die Beschreibung des Feststofftransports im Einzugsbereich. Die Strömung in der Aufschmelzzone kann mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) berechnet werden. Der derzeitige Stand der Technik erlaubt jedoch nur eine getrennte Betrachtung der jeweiligen Verfahrenszonen. Deshalb wird am IKT die Voraussetzung für eine gemeinsame Betrachtung der beiden Verfahrenszonen geschaffen und ein neuartiger CFD-DEM-Modellierungsansatz erforscht, der die Feststoff- und Schmelzephase miteinander koppelt.

Neben der Extrusion werden auch weitere Kunststoffverarbeitungsprozesse am IKT eingehend untersucht. Vergleichsweise jung ist die Simulation des Extrusionsverhaltens in der Fused Filament Fabrication, während etablierte Verfahren wie das Spritzgießen noch immer Optimierungspotenzial bieten. So sind beispielsweise die in der Kunststofftechnik verwendeten Werkstoffmodelle zur Beschreibung der Druck- und Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens (pvT-Verhalten) verbesserungswürdig: Für die Modellierung des pvT-Verhaltens unter prozessnahen Bedingungen sind in der wissenschaftlichen Literatur verschiedene Ansätze, wie z.B. das „Chang“-Modell oder das „Kahr“-Modell bekannt. Bei näherer Betrachtung dieser Ansätze wird jedoch deutlich, dass entweder etwaige Effekte unberücksichtigt bleiben oder ein erheblicher experimenteller Aufwand zur Bestimmung der Werkstoffparameter erforderlich ist. Am IKT wird deshalb an einem neuen Weg geforscht, welcher einen verminderten experimentellen Aufwand für die Werkstoffparameterermittlung verspricht. Mit dem neuen Ansatz kann das pvT-Verhalten bei prozessnahen Bedingungen, ohne großen Versuchsaufwand beschrieben werden. Erste Ergebnisse hierzu und weitere Berichte aus allen Gebieten der Kunststofftechnik werden im Rahmen des 27. Stuttgarter Kunststoff-Kolloquiums vorgestellt.

27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 01.-04. März 2021, Stuttgart

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/27.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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