Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulative Auslegung von Kautschukextrusionswerkzeugen unter Berücksichtigung der Belastungshistorie im Extruder sowie Fließanomalien

Die Kautschukextrusion ist ein wichtiges Verfahren, mit dem nicht nur Halbzeuge, sondern auch Fertigprodukte wie zum Beispiel Dichtprofile hergestellt werden. Aufgrund der ausgeprägten Viskoelastizität und Strukturviskosität sowie der rezepturbedingten Mehrphasigkeit der Kautschuke ergibt sich ein komplexes Fließverhalten, was die Auslegung von Extrusionswerkzeugen erschwert. Meist werden in der mittelständisch geprägten Kautschukindustrie die Werkzeuge zur Ausformung von Profilen auf Basis von Erfahrungswissen einzelner Mitarbeiter in einem mehrstufigen iterativen und damit zeit- und kostenintensiven Auslegungsprozess gestaltet. Eine numerische Auslegung ist aufgrund der hierfür notwendigen Materialdatenermittlung mit großem Aufwand verbunden.

Ziel des Forschungsprojektes ist es die simulative Auslegung von Kautschukextrusi-onswerkzeugen unter Zuhilfenahme empirisch ermittelter Kennfelder und Korrek-turfaktoren zu verbessern. Ein besonderer Fokus liegt auf der Frage, unter welchen physikalischen und materialspezifischen Voraussetzungen und in welchem Maß die Phänomene Wandgleiten, Strukturviskosität, Dehnviskosität und Schwellen bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden müssen. Hierfür werden repräsentative Kautschukmischungen unterschiedlichen rheologischen Verhaltens im Extrusionsprozess und laboranalytisch charakterisiert, Viskositätsmodelle kalibriert, Korrekturfak-toren und Kennfelder ermittelt und das modellierte Fließverhalten anhand eines kom-plexen Kautschukprofils verifiziert. In einem Leitfaden wird dokumentiert, unter welchen Bedingungen bestimmte Fließphänomene für die Auslegung von Extrusionswerkzeugen für Kautschuke relevant sind.

Der entwickelte Leitfaden kann von kmU nach Projektende eingesetzt werden, um Extrusionswerkzeuge zeit- und kosteneffizient nach relevanten rheologischen Phänomenen auszulegen um maßhaltige Extrudate herzustellen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Untersuchungen im Rahmen des Projekts ermöglichen eine umfängliche Datensammlung zur Charakterisierung von Kautschukmischungen und deren Fließverhalten. Mithilfe von Standarddiagnostik wie Hochdruckkapillarrheometrie und Rubber Process Analyzer konnten Scher- und Dehnviskosität sowie Speicher- und Verlustmodule, die Größe des linearviskoelastischen Bereichs und das Relaxationsverhalten bestimmt werden. Diese Daten konnten durch weitere Untersuchungen am Extrusionsrheometer weiter präzisiert werden. So war es möglich, die Fließgrenze der unterschiedlichen Kautschukmischungen zu bestimmen, welche Erkenntnisse über die Form der Strömung der Kautschukschmelze liefert. Besonders hervorzuheben sind die ermittelten Einflussfaktoren auf das Wandgleiten bei der Kautschukverarbeitung im Extrusionsprozess. So konnte der Einfluss einzelner Mischungsbestandteile, vor allem Ruß, aber auch von Silica, erhoben und quantifiziert werden. Weiterhin wurden der Einfluss der Schneckengeometrie und der Belastungshistorie auf die Viskosität der Kautschukmischung durch den Extrusionsprozess ermittelt und quantifiziert. Die Einflussfaktoren der Temperatur, der Wandschubspannung und des Rußgehalts auf die Wandgleitneigung wurden in Kennfelder mit Bestimmungsgleichungen umgesetzt. Diese wurden als Randbedingungen in die Strömungssimulationen integriert.

Da das Verfahren einer vollwertigen Strömungssimulation inklusive Darstellung des gesamten Strömungskanals sehr aufwendig und fehleranfällig ist, wurde zudem eine vereinfachte zweidimensionale Simulation des Profil- bzw. Werkzeugquerschnitts entwickelt, die mit minimalen Eingangsdaten die resultierenden Schubspannungen und daraus die Extrudatgeometrie nach dem Schwellen abschätzt und so wertvolle Hinweise für die Gestaltung eines Werkzeugs gibt. Abschließend wurden alle Verfahrensschritte von der Materialdatenerhebung bis zu den produktionsnahen Extrusionsrheometerversuchen in einem Leitfaden zusammengefasst, durch den es möglich wird, Entscheidungen betreffend der notwendigen Charakterisierungsverfahren von Kautschuken zu treffen und deren Ergebnisse sinnvoll in der Strömungssimulation verarbeiten zu können.