Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Thermische Homogenisierung der Vorverteilung in Wendelverteilerwerkzeugen mittels Wärmerohren

Ziel der Werkzeugauslegung von Wendelverteilern für die Blasfolienextrusion ist eine homogene Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung der Kunststoffschmelze am Werkzeugaustritt. Eine große Herausforderung ist die Kompensation von thermischen Effekten im Vorverteiler, die zu einem ungleichmäßigen Fließen des Kunststoffs in den Wendeln sowie verschiedenen Verstreckverhältnisse beim Aufblasvorgang 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 diffizile Anpassung der Heizpatronentemperaturen an veränderte Prozessparameter.

In diesem Vorhaben wird daher ein disruptiver Ansatz zur thermischen Homogenisierung von Extrusionswerkzeugen mittels Wärmerohren am Beispiel eines 2³-Vorverteilers verfolgt. In praktischen Versuchen soll zunächst das Einsatzverhalten verschiedener Wärmerohre im Extrusionsprozess untersucht werden. Die generierten Versuchsdaten dienen zusätzlich der Entwicklung eines Steuerungskonzepts, welches zur Beeinflussung der Kühlleistung in der praktischen Erprobung einer wärmerohrbasierten Vorverteilertemperierung genutzt wird. Anschließend wird die Integration der Wärmerohre in das Vorverteilerwerkzeug simulativ untersucht, optimiert und als Retrofit umgesetzt. Der Fokus der Optimierung liegt auf der Homogenisierung der Schmelzetemperaturen am Vorverteileraustritt.

Bei Erfolg des Vorhabens kann die größtenteils von kmU geprägte Blasfolien-, Blasform- und Rohrextrusion Qualitätssteigerungen und Ressourcenersparnisse durch engere Dickentoleranzen in den Produkten erzielen. Auch die weitestgehend mittelständigen Werkzeugbauer und Dienstleister können sich mit der neuen Technik von anderen Anbietern differenzieren.

Ergebniszusammenfassung:

In der Blasfolienextrusion, insbesondere bei der Verwendung radialer binärer Vorverteiler, ist die Kompensation thermischer Effekte eine Herausforderung. Um die thermische Schmelzehomogenität zu verbessern, wurden Wärmerohre als Mittel zur thermischen Homogenisierung der Schmelze untersucht.

Die Studie identifizierte Kupfer-Wärmerohre mit Wasser als Arbeitsfluid und verschiedenen Durchmessern als effiziente Kühlungsoptionen für Extrusionswerkzeuge. Die Verwendung eines temperierten Mediums wie Wasserkühlung wurde empfohlen, um präzisere Wärmemengen abzuführen.

Mithilfe von Computational Fluid Dynamics Simulationen wurde die Anzahl, Position und Leistung der benötigten Wärmerohre für die thermische Homogenisierung in einem radialen 2³ Vorverteiler untersucht. Ergebnisse zeigten, dass mit drei Wärmerohren eine Homogenisierung der Austrittstemperaturen von weniger als 1 % Abweichung erreicht werden kann.

Die Betrachtung des Einflusses der Wärmerohre auf die Temperatur- und Durchsatzverteilung im Werkzeug zeigt, dass eine Beeinflussung der Schmelzeverteilung und der thermischen Homogenität möglich auch in der Praxis als Retrofit möglich ist. Neben der Blasfolienextrusion kann das entwickelte Temperierkonzept zum Ausgleich thermischer Inhomogenität auch Anwendung in der Rohrextrusion und im Blasformen finden. Der individuelle Auslegungsprozess angepasst an verschiedene Werkzeuge, Materialien und Prozesspunkte wird KMU vereinfacht ermöglicht, da die verwendete Simulationssoftware frei zugänglich ist. Zudem vereinfachen die erarbeiteten Auslegungsempfehlungen den Einsatz von Wärmerohren. Insgesamt können KMU aus den Bereichen Anlagenhersteller, Werkzeugbau, Blasfolienextrusion, Rohrextrusion und Blasformen von den Ergebnissen bzw. von einer wärmerohrbasierten Temperierung profitieren, da die Produktqualität verbessert, Ausschuss durch ungleichmäßige Wanddickenverteilung reduziert und Material durch einhalten von Toleranzen eingespart wird.