Simulative und experimentelle Untersuchungen zum Aufschwellverhalten von Kunststoffschmelzen hinter Extrusionswerkzeugen

Ein maßhaltiges Kunststoffprofil, und damit ein Profil hoher Qualität, kann im Extrusionsverfahren nur dann produziert werden, wenn das Aufschwellverhalten von Kunststoffschmelzen bei der Werkzeugauslegung mit berücksichtigt wird. Zurzeit wird die Geometrieänderung des Extrudats nach Verlassen des Werkzeugs durch das Erfahrungswissen des Werkzeugbauers und durch aufwändige Einfahrversuche des Werkzeugs berücksichtigt. Eine Möglichkeit die rheologische Werkzeugauslegung zu erleichtern und zu beschleunigen, bietet die Simulation der Strömungsvorgänge innerhalb und außerhalb des Fließkanals. Da für die Berechnung des Aufschwellverhaltens die elastischen Eigenschaften von Kunststoffschmelzen berücksichtigt werden müssen, muss die Kunststoffschmelze als viskoelastisches Fluid dargestellt werden. Die Rheologie kennt zahlreiche viskoelastische Materialmodelle. In dieser Arbeit werden fünf verschiedene Materialmodelle, das K-BKZ-, das Maxwell-, das Oldroyd-B-, das Giesekus- und das Phan-Thien-Tanner-Modell zunächst vorgestellt und anschließend in simulativen Untersuchungen eingesetzt.Für die Untersuchungen werden drei verschiedene Profilgeometriengewählt. Die erste Geometrie stellt eine Runddüse dar, in der der vom Extruder gelieferte Schmelzestrang zu einem Rundstrang ausgeformt wird. Für die weiteren Untersuchungen werden ein L- und ein T-Profilwerkzeugverwendet. Im Experiment wird die Strangaufweitung hinter den Extrusionswerkzeugen bestimmt und in den Simulationen die Geschwindigkeits- und Spannungsverhältnisse sowie das Aufschwellen nach Verlassen der Extrusionswerkzeuge berechnet. Die experimentellen Ergebnisse und die Resultate der Berechnungen werden gegenübergestellt und die Genauigkeit der Berechnungen und damit die einzelnen Materialmodelle werden bewertet. Neben der Güte der Vorhersage des Aufschwellens wird auch das numerische Verhalten der Materialmodelle betrachtet.