Forschung zum Thermoformen und zur Strömungsmechanik von Kunststoffen

Simulation der Feststoffförderung bei unterschiedlichen Drehzahlen (von oben nach unten: 100, 200, 300 und 400 1/min) - (Bild: IKT).

Kunststoffe spielen eine entscheidende Rolle in Bezug auf unseren aktuellen Lebensstandard, da sie nicht nur in vielen Bereichen des täglichen Lebens verwendet werden, sondern auch zahlreiche Anwendungen und Technologien überhaupt erst ermöglichen. Neben den gestiegenen Bemühungen, den Einsatz von Kunststoffen nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten, kommt der Effizienzsteigerung der zugehörigen Verarbeitungsverfahren weiterhin eine enorme Bedeutung zu. So wird an der Universität Stuttgart sowohl an neuen als auch an der Optimierung bestehender Verarbeitungsverfahren intensiv geforscht.

Thermoformen
Das Twin-Sheet-Thermoformen ermöglicht im Vergleich zum klassischen Thermoformen die Herstellung von großflächigen behälterartigen Bauteilen oder doppelwandigen Hohlkörpern. Dabei werden zwei Halbzeuge simultan auf Thermoformtemperatur erwärmt und mithilfe von zwei Werkzeughälften umgeformt und gleichzeitig miteinander geschweißt. Der Schweißprozess findet daher in einem untypischen Temperaturbereich statt und gilt zum aktuellen Stand der Technik als weitgehend unerforscht.

Weiterhin ist auch die Bandbreite der bearbeitbaren Halbzeuge bei den verschiedenen Thermoformverfahren in den letzten Jahren signifikant gestiegen. Die Thermoformbarkeit von hochgefüllten Kunststoffen hängt dabei insbesondere von der Geometrie der Füllstoffpartikel ab. Hierzu wurde der Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften sowie das resultierende Deformationsverhalten von verschiedenen Füllstoffen untersucht.

Das Thermoformen weist neben zahlreichen Vorteilen wie niedrige Investitionskosten und der Herstellbarkeit von sowohl kleineren Bauteilen in großen Serien, als auch großflächigen Bauteilen mit gegenüber dem Spritzgießen kostengünstigen Werkzeugen jedoch auch einen bedeutenden Nachteil durch die eingeschränkte Gestaltungsfreiheit auf. Durch einen am Institut für Kunststofftechnik entwickelten kombinierten Thermoform- und Schweißprozess soll dieser Nachteil reduziert und die Einbindung von individuellen Funktions- und Gestaltungselementen im Thermoformprozess ermöglicht werden.

Strömungsmechanik von Kunststoffen
Die Partikelgröße und -form spielen auch bei den Feststofffördereigenschaften von Einschneckenextrudern eine entscheidende Rolle. Hierzu wird das Förderverhalten von unterschiedlichen Schüttgütern in axial- sowie wendelgenuteten Feststoffförderzone untersucht sowie mit Berechnungen zur gezielten Vorhersage des Durchsatzes verglichen.

Weitere Forschungsaktivitäten finden im Bereich der Strömungsmechanik von Kunststoffen statt. Obwohl Kunststoffschmelzen eine ausgeprägte Tendenz zum Wandgleiten zeigen, wird dieses Phänomen laut IKT auch heute noch häufig vernachlässigt. Eine verlässliche Vorhersage von wandgleitenden Kunststoffen sei dementsprechend eine große Herausforderung. An der Identifizierung und Charakterisierung dieses Phänomens wird beispielsweise mithilfe von rheologischen Untersuchungen geforscht.

Zur gezielten Vorhersage von strömenden Kunststoffschmelzen werden unter anderem auch neue numerische Methoden entwickelt. Mithilfe von Partikelsimulationen auf Basis der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) kann die Feststoffförderung in Doppelschneckenextrudern (Bild) mit guter Übereinstimmung zu realen Experimenten vorhergesagt werden. Dies soll zukünftig zur Optimierung und Vorhersage von Einzugsgrenzen genutzt werden können.

Ein weiteres Beispiel ist numerische Abbildung von dispersiven Mischvorgängen in der Einschneckenextrusion. Diese besitzen eine zentrale Bedeutung zur Homogenisierung der Polymerschmelze. Zur quantitativen Beurteilung der Mischeffizienz sind am Institut für Kunststofftechnik neue Ansätze, basierend auf der relativen Varianz und der Grenzflächenvergrößerung, entwickelt worden.

Dieses und weitere Themen der Kunststofftechnik werden im Rahmen des virtuellen 28. Stuttgarter Kunststoffkolloquiums vom 28. Februar bis zum 02. März jeweils nachmittags präsentiert. Obwohl kostenlos, bitte bis 27.02. registrieren!

In einer zeitlich getrennten Präsenzveranstaltung lädt hiernach das IKT am 09. und 10. März 2023 unter dem Leitthema "Klimaneutrales Europa 2050 - Aufgaben der Kunststoffbranche" zu mehreren Plenarvorträgen und einer Podiumsdiskussion mit namhaften Vertretern aus Wissenschaft und Industrie in die Universität Stuttgart ein.

Weitere Informationen:
www.ikt.uni-stuttgart.de/28.-stuttgarter-kunststoffkolloquium/, www.uni-stuttgart.de

Universität Stuttgart, Institut für Kunststofftechnik (IKT), Stuttgart

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