Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Homogenisierung der Vorverteilung in Wendelverteilerwerkzeugen mittels verstellbarer Fließwiderstände

 

Ziel der Werkzeugauslegung von Wendelverteilern für die Blasfolienextrusion ist eine homogene Geschwindigkeitsverteilung am Werkzeugaustritt. Eine große Herausforderung ist hier die Kompensation von thermischen Effekten im Vorverteiler, die zu einem ungleichmäßigen Fließen des Kunststoffs in den Wendeln führen. Gründe dafür sind lokal unterschiedliche dissipative Schererwärmungen der Schmelze und Temperaturunterschiede im Werkzeug entlang der einzelnen Wendeln. In einem abgeschlossenen IGF-Vorhaben 17645 N wurden diese Inhomogenitäten durch den Einsatz von Heizpatronen und isolierenden Aussparungen kompensiert. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist die relativ schwierige Anpassung der Heizpatronentemperaturen an veränderte Prozessparameter. Im Gegensatz zu Heizpatronen können Düsen die Volumenströme des Vorverteilers betriebspunktunabhängig beeinflussen.

In diesem Vorhaben soll daher die Beeinflussung der Masseströme durch Düsen als lokal verstellbare Fließwiderstände erprobt werden, die zwischen Vor- und Hauptverteiler in das Werkzeug integriert werden. Zunächst werden verschiedene Düsenkonzepte simulativ ausgelegt, durch praktische Laborversuche evaluiert und anschließend optimiert. Der Fokus der Optimierung liegt auf der Verstellgenauigkeit, und -reichweite und der Dichtigkeit unter Druck. Das entwickelte Konzept wird im Blasfolienextrusionsprozess praktisch erprobt und Zusammenhänge zwischen Prozesspunkten, Düseneinstellungen und resultierenden Durchsatzverteilungen erarbeitet.

Bei Erfolg des Vorhabens kann die größtenteils von kmU geprägte Blasfolien- und Rohrextrusion Qualitätssteigerungen und Ressourcenersparnisse durch engere Dickentoleranzen in den Produkten erzielen. Auch die weitestgehend mittelständigen Werkzeugbauer können sich mit der neuen Technik von anderen Anbietern differenzieren. Die Umsetzbarkeit der angestrebten Ergebnisse wird dadurch begünstigt, dass das vorgeschlagene Konzept die Möglichkeit zur Nachrüstung in bereits bestehende Anlagen vorsieht

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurden verstellbare Fließwiderstände konzipiert und erprobt, die eine Homogenisierung der Massestromverteilung im Übergang vom Vor- in den Hauptverteiler ermöglichen. Dazu wurden in simulativen Untersuchungen mit der Software Ansys Polyflow die grundlegenden Anforderungen an solche Fließwiderstände ermittelt, indem für einen Vorverteiler die Massestromverteilung unter diversen Prozessbedingungen berechnet wurde. Durch gezielte Querschnittsverengungen an den Austritten des Vorverteilers wurde dann ermittelt, wie groß die Eingriffe in den Fließquerschnitt sein müssen, um die Masseströme im nötigen Maße zu regulieren. Es zeigte sich, dass Radiusreduktionen von 5 % bis 10 % ausreichen, um die meisten betrachteten Prozesspunkte zu homogenisieren. Weiter wurden mechanische und rheologische Randbedingungen für den Einsatz von Fließwiderständen ermittelt.

Basierend auf diesen Simulationen wurden verschiedene Konzepte für verstellbare Fließwiderstände erstellt und bewertet und schließlich zwei ausgewählte Prototypen gebaut. Durch verschiedene Versuchsaufbauten wurde sowohl die Tauglichkeit dieser Fließwiderstände erprobt als auch ihr Einsatzverhalten charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass die typischen, binären Vorverteiler sehr komplex und sensibel auf Störungen, vor allem auf thermische Inhomogenität, reagieren, weshalb die beobachteten Durchsatzunterschiede teilweise noch deutlich stärker ausgeprägt waren, als von den Simulationen vorhergesagt. Die Implementierung der verstellbaren Fließwiderstände im Anwendungsfall Blasfolienextrusion zeigte jedoch nicht die angestrebten Verbesserungen des Dickenprofils.

Zusammenfassend ist eine Homogenisierung der Masseströme eines Vorverteilers möglich. Die Anwendung in der Blasfolienextrusion erbringt jedoch nicht die angestrebten Vorteile. Das Ziel des Vorhabens wurde größtenteils erreicht.