Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentell abgesicherte, numerische Simulation viskoelastischer Kautschukschmelzen mit Schwerpunkt Füllstoff-Polymer-Wechselwirkungen

Die Zusammenhänge in der Polymerverarbeitung sind komplex mit vielen Einflussparametern. Simulationen können dabei helfen die komplexen Zusammenhänge zu verstehen, den experimentellen Aufwand bei Entwicklungen zu reduzieren und so zu besseren Prozessen führen. Die in der Kunststoffindustrie etablierte Vorgehensweise das Fließverhalten über statische, strukturviskose Modelle mit scherabhängige Viskosität wie z. B. dem Potenzgesetz zu beschreiben, stößt bei Simulationen zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit, abbildbaren Effekten und Rechenzeit. Dies liegt daran, dass neben der Scherverdünnung weitere Effekte wie Wandgleiten, Fließgrenzen oder viskoelastische Effekte berücksichtigt werden müssen. Insbesondere für die Viskoelastizität ist noch keine zufriedenstellende Erfassung und Beschreibung möglich. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurde in grundlegenden Forschungsarbeiten mit dem Leonov-Modell ein alternativer Ansatz entwickelt, der das viskoelastische Fließverhalten von Polymerschmelzen wiedergibt. Damit dieses Modell von KMU angewandt werden kann, ist jedoch noch weitere anwendungsorientierte Forschung notwendig. Hier sind insbesondere eine geeignete Methode zur Bestimmung und Beschreibung der Materialdaten, eine Implementierung der Modelle in den CFD Code und eine Validierung der Methoden für Beispielgeometrien zu nennen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, dass viskoelastische Materialverhalten von anwendungsnahen Kautschukschmelzen über ein Leonov-Model zu beschreiben. Der Einfluss von Füllstoffen auf das Materialverhalten soll dabei mit einbezogen werden. Hierzu wird das Leonov-Modell in eine FEM Code implementiert, eine anwendungsnahe Methode zur Bestimmung der Materialdaten erforscht und die Modellgenauigkeit ermittelt. Abschließend soll KMU eine experimentell abgesicherte Vorgehensweise zur Bestimmung der Materialdaten und zur rheologischen Auslegung von Verarbeitungsprozessen für stark viskoelastischer Materialien zur Verfügung stehen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Zusammenhänge in der Polymerverarbeitung sind komplex mit vielen Einflussparametern. Simulationen können dabei helfen die komplexen Zusammenhänge zu verstehen, den experimentellen Aufwand zu reduzieren und so zu besseren Prozessen führen. Die in der Kunststoffindustrie etablierte Vorgehensweise das Fließverhalten über statische, strukturviskose Modelle zu modellieren stößt bei Simulationen von Kautschukschmelzen zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit, abbildbaren Effekten und Rechenzeit.

Daher wurde auf der Grundlage des Leonov-Modells eine CFD-Softwareumgebung zur Modellierung der viskoelastischen Strömung gefüllter Kautschukschmelzen in Extrusionswerkzeugen entwickelt. Das viskoelastische Verhalten verschiedener ungefüllter sowie ruß- bzw. silicagefüllter Kautschuktypen und Mischungen wurde aus Messungen des RPA gewonnen. Das Fließverhalten wurde durch Druckverlustmessungen in einem HKR in Abhängigkeit von verschiedenen Düsengeometrien untersucht. Durch geeignete Variationen der untersuchten Kautschukrezepturen konnten die beobachteten Effekte im Fließverhalten und die daraus resultierenden Druckverluste in den Düsengeometrien auf bestimmte Wechselwirkungen in der Polymermatrix zurückgeführt werden. Die experimentellen Daten wurden schließlich zur Berechnung von

Relaxationsmodulen genutzt und sind Basis einer ausführlichen Evaluierung der Parameteridentifikation mit Fokus auf die Bestimmung der nichtlinearen Parameter für das Leonov-Modell. Obwohl keine zufriedenstellende Parameterbestimmung erzielt werden konnte, was es dennoch möglich ein öffentlich zugängliches Simulationstool auf Basis des Giesekusmodells zu entwickeln, welches den Einstieg zu numerischen Simulationen für KMU erleichtert und ihnen damit eine verbesserte Auslegung von Kautschukextrusionsprozessen ermöglicht. Daher konnte trotzdem ein wichtiger Beitrag zur Schließung der bestehenden Lücke kommerzieller Simulationssoftware für viskoelastische Schmelzen geleistet werden.