Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentell abgesicherte Simulationsrechnungen zur beschleunigten Auslegung von WPC-Extrusionswerkzeugen

Infolge der zunehmenden Attraktivität von Wood Plastic Composites (WPC) insbesondere in der Bau-, Auto- und Möbelindustrie ist der vor einigen Jahren noch sehr kleine Marktanteil von WPC in Europa stark angestiegen. Ein Großteil der Produkte wird dabei im Extrusionsverfahren hergestellt. Im Gegensatz zu ungefüllten Kunststoffen muss beim Extrusionsprozess von WPC bereits im Extrusionswerkzeug eine teilweise Erstarrung der WPC-Schmelze erfolgen. Aufgrund des komplexen Materialverhaltens von WPC werden heutige WPC-Extrusionswerkzeuge zumeist in kosten- und zeitaufwändigen Versuchsreihen optimiert. Ziel des Forschungsvorhabens ist die numerische Berechnung des Fließ- und Verformungsverhaltens von WPC im Extrusionswerkzeug und die darauf basierende Erstellung von Gestaltungsempfehlungen für eine optimierte Auslegung von WPC-Werkzeugen.

Im Rahmen des Projekts werden zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten von WPC ermittelt und durch geeignete Materialmodelle beschrieben. Parallel dazu werden Extrusionsversuche mit einem Versuchswerkzeug durchgeführt, um die notwendigen Randbedingungen für die Simulation zu ermitteln. Darauf aufbauend werden numerische Berechnungen der Fließvorgänge im Extrusionswerkzeug durchgeführt. Zur Überprüfung der Modelle werden abschließend Validierungsversuche mit einem Werkzeug komplexerer Geometrie durchgeführt und mit Simulationsrechnungen verglichen.

Mit Hilfe von numerischen Prognosen kann die Entwicklung neuer WPC-Extrusionswerkzeuge zukünftig effektiver und kostengünstiger gestaltet werden, da Fehler im Design des Werkzeugs frühzeitig erkannt und vermieden werden könnten. Somit könnten WPC verarbeitende KMU die Auslegung von neuen Extrusionswerkzeugen auf Basis der Simulation deutlich schneller und kostengünstiger gestalten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurden die für die Simulation erforderlichen Materialdaten von WPC ermittelt und durch geeignete Materialmodelle beschrieben. Parallel dazu wurden Extrusionsversuche mit einem Versuchswerkzeug durchgeführt, um die notwendigen Randbedingungen für die Simulation zu ermitteln. Darauf aufbauend wurden numerische Berechnungen der Fließvorgänge im Extrusionswerkzeug durchgeführt. Ein Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Werten zeigt eine gute Übereinstimmung für Parallelteile des Werkzeugs. Für Einström- und Übergangsteile, in dem hohe Dehnströmungen auftreten, wurden für Holzanteile von 70 Prozent deutliche Abweichungen festgestellt. Versuche in einem industrienahen Werkzeug zeigen vergleichbare Abweichungen zwischen Simulation und Experiment. Dieser Effekt ist vermutlich auf eine stark erhöhte Dehnviskosität von hochgefüllten Schmelzen zurückzuführen und sollte in weiteren Forschungsarbeiten detailliert untersucht werden. Dennoch kann bereits jetzt mit Hilfe von numerischen Prognosen die Entwicklung neuer WPC-Extrusionswerkzeuge zukünftig effektiver und kostengünstiger gestaltet werden, da Fehler im Design des Werkzeugs frühzeitig erkannt und vermieden werden könnten. Die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen wird hierdurch deutlich gesteigert, sodass sie ihre Marktposition am WPC-Markt auch zukünftig halten sowie die Qualität der Produkte weiter steigern können. Dabei können die Ergebnisse auch für bereits vorhandene Extrusionswerkzeuge angewandt werden, um den Einfluss bestimmter Material- oder Maschinenparameter zu identifizieren. So können Lösungen für gegebenenfalls noch vorhandene Probleme bei Produktionswerkzeugen erarbeitet werden oder Potenziale für Produktivitätssteigerungen identifiziert werden. Für eine Anwendung durch KMU ist es besonders vorteilhaft, dass die eingesetzte Simulationssoftware OpenFOAM frei erhältlich ist, sodass der Zugang sichergestellt und der Support gewährleistet ist.