Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines neuartigen, generativ gefertigten Dornhalterwerkzeugs für die bindenahtfreie Extrusion von Kunststoffen

 

Dornhalter gehören zu den etablierten Werkzeugen zur Extrusion von rohrförmigen Kunststoffextrudaten und zeichnen sich durch ihren einfachen, modularen Aufbau und ihr betriebspunktunabhängiges Verhalten mit sehr gleichmäßigen Austrittsvolumenströmen aus. Sie werden für viele Anwendungen wie dem Blasformen von Hohlkörpern und der Rohrextrusion verwendet. Ihr größter Nachteil gegenüber anderen Werkzeugen besteht im konstruktionsbedingten Auftreten von Bindenähten im Extrudat, die die mechanischen und optischen Eigenschaften des Bauteils herabsetzen. Bestehende Konzepte zur Verringerung des Bindenahteinflusses steigern die Komplexität und Kosten des Werkzeugs, ohne Bindenähte vollständig zu vermeiden.

In diesem Vorhaben wird ein Ansatz zur Vermeidung von Bindenähten bei Dornhaltern untersucht. Die Dornhalterstege werden ähnlich zu Mischelementen gestaltet, um Zirkularströmungen zu erzeugen, die zu Schmelzeumlagerungen führen. Dadurch findet eine Homogenisierung statt, an deren Ende keine Bindenähte mehr vorliegen. Um die komplex geformten Stege in den Fließkanal zwischen Mantel und Dorn zu integrieren, wird die generative Fertigung per Selective Laser Melting vorgesehen. Es ist zu untersuchen, welche Steggeometrie und -anordnung zur optimalen Homogenisierung und damit zur Vermeidung von Bindenähten führen. Ferner werden das Prozessverhalten des modifizierten Dornhalters ermittelt, z. B. anhand von Druckverlust und Verweilzeit, und die optischen und mechanischen Eigenschaften der Extrudate geprüft.

Durch die Ergebnisse des Vorhabens kann insbesondere kmU eine innovative und wirtschaftliche Werkzeugtechnik bereitgestellt werden. Neben der Verbesserungen der Produktionstechnik wird auch eine Neuauslegung der Bauteile möglich, wenn diese keine Bindenähte mehr aufweisen, was weitere Wettbewerbsvorteile erbringt. Somit profieren sowohl Kunststoffverarbeiter als direkte Anwender als auch angrenzende und zuliefernde Branchen wie Werkzeugbauer und weiterverarbeitende Betriebe.

Ergebniszusammenfassung:

Zur Reduzierung von Bindenahtschwächungen z.B. in der Rohrextrusion, konnten neuartige Stege entwickelt werden, die in ihrem Design an statische Mischelemente angelehnt sind und Querströmungen bzw. Strömungsumlagerungen erzeugen. Mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen wurden die Stege hinsichtlich der resultierenden Bindenahtausprägung, Druckverluste, thermischen Homogenität und Verweilzeit bewertet. Zur Bewertung der Bindenahtausprägung wurde eine Bewertungskennzahl entwickelt. Anhand der Simulationsergebnisse konnten erste Steggestaltungshinweise, wie beispielsweise eine maximale Steganzahl, abgeleitet werden. Vier neuartige Stegdesigns wurden mittels Selectivem Laser Melting (SLM) gefertigt und praktisch erprobt. Bei der Herstellung von Rohrproben unter Verwendung der neuartigen Stegdesigns erfolgte eine Analyse des Betriebsverhaltens. Dabei wurde festgestellt, dass die neuen Stegdesigns höhere Druckverluste (bis zu 36%) zur Folge haben. Dies deckte sich mit den Simulationsergebnissen. Die anschließenden mikroskopischen Untersuchungen sowie Berst- und Ringsteifigkeitsprüfungen zeigten, dass mit Hilfe der neuartigen Stege das Zusammenfließen der Schmelzeströme hinter den Stegen dahingehend verbessert werden konnte, dass sich der mechanische Einfluss von Bindenähten auf das Endprodukt reduziert. So stieg die lnnendruckbelastbarkeit von hergestellten Rohrproben aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) um bis zu 40 % (bei einem Druckverlustanstieg von 27 %). Durch die erhöhte lnnendruckbelastbarkeit können zukünftig jedoch die Rohrwandstärken ohne Einbußen der mechanischen Festigkeit um 32,94 % reduziert und damit Material eingespart werden. Bei unveränderten Liniengeschwindigkeiten wirkt dies dem gestiegenen Energiebedarf durch höhere Druckverluste / Extruderdrehzahlen entgegen, da die Energiekosten für die Plastifizierung des Kunststoffs sinken.