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Ganzheitlicher Ansatz zur Dimensionierung und Optimierung von Extrusionswerkzeugen am Beispiel von Wendelverteilern

Ausgangspunkt dieser Arbeit ist der Bedarf, den momentanen Stand der Technik bei der Dimensionierung von Extrusionswerkzeugen um automatisierte Ansätze zu erweitern. Der Werkzeuggeometrie kommt im Extrusionsprozess eine wesentliche Aufgabe zu. Die vom Extruder bereitgestellte Kunststoffschmelze durchströmt die Fließkanäle im Inneren des Werkzeuges und erfährt hierbei eine Umformung hin zum Austrittsquerschnitt. Es besteht eine maßgebliche Beeinflussung der Qualität des Endproduktes durch die Strömungsvorgänge im Extrusionswerkzeug. Die Dimensionierung der Fließkanalgeometrie ist abhängig von einer Vielzahl von Anforderungen und zeigt eine signifikante Abhängigkeit von den spezifischen rheologischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze. Vor diesem Hintergrund wird ein ganzheitlicher Ansatz zur automatisierten Auslegung von Extrusionswerkzeugen geschaffen. Kerngedanke stellt die Kopplung eindimensionaler, analytischer Berechnungsansätze zur Vordimensionierung der Werkzeuggeometrie mit einer dreidimensionalen iterativ arbeitenden numerischen Simulation dar. Am Beispiel von Wendelverteilern für die Produktion von Halbzeugen wie Rohren, Schläuchen oder Blasfolien wird der vom Grundprinzip her allgemeingültige Ansatz konkretisiert und erprobt. Der ganzheitliche Auslegungsansatz sieht vor, sämtliche Prozessschritte der Auslegung und unterschiedliche Komponenten der Werkzeugbaugruppe zu berücksichtigen. Grundlage ist die konsequente Verwendung von dreidimensionalen, parametrischen Geometriemodellen, welche bereits konstruktive Restriktionen und fertigungstechnische Aspekte berücksichtigen. Im Rahmen der Vordimensionierung finden eindimensionale, analytische Berechnungsansätze Anwendung. Aus vorgegebenen Zustandsgrößen und Materialeigenschaften wird die Geometrie einfacher Strömungskanäle direkt berechnet. Für die Bestimmung initialer Geometrien von Wendelverteilern wird ein verkettetes Berechnungsmodell, bestehend aus eindimensionalen, analytischen Ansätzen, verwendet. Dieses wird mit den Methoden der Netzwerktheorie gelöst. Als Vorgabe dienen wiederum definierte Zustandsgrößen und grundlegende Geometrieparameter, sodass eine direkte Berechnung des Wendeltiefen- und Spaltweitenverlaufes möglich ist. Ferner resultiert aus der Vordimensionierung eine prozentuale Bandbreite, innerhalb derer Freiheitsgrade in einer nachfolgenden automatisierten Optimierung anzupassen sind.

Ausgehend von der mittels Vordimensionierung berechneten initialen Geometrie sowie der Bandbreite zur Variation der Freiheitsgrade folgt eine automatisierte Optimierung. Ein dreidimensionales parametrisches Werkzeugmodell, welches bereits geometrische und fertigungstechnische Restriktionen berücksichtigt, dient als Basis der Diskretisierung. Die Strömungssimulationen werden unter Berücksichtigung vorab definierter Randbedingungen durchgeführt und die Ergebnisse in Form skalarer Qualitätskriterien ausgewertet. Diese Kriterien werden zuvor mittels der Analyse grundlegender Anforderungen an Extrusionswerkzeuge hergeleitet und anhand von vergleichenden Berechnungen validiert. Eine zusätzliche Vorgabe von Ausschlusskriterien sichert die Über- und Unterschreitung kritischer Zustandsgrößen ab. Anhand eines multikriteriellen genetischen Optimierungsalgorithmus wird eine möglichst optimale Werkzeuggeometrie identifiziert. Hierzu werden die Geometrieparameter des Werkzeugmodells mit dem Ziel angepasst, möglichst geringe Werte der Qualitätskriterien zu erreichen und gleichzeitig die Ausschlusskriterien nicht zu über- bzw. unterschreiten.Eine nachfolgende Detailoptimierung und virtuelle Erprobung, welche auf dreidimensionalen numerischen Strömungssimulationen der gesamten Werkzeugbaugruppe beruht, schafft die Möglichkeit Geometriedetails manuell zu modifizieren, um beispielsweise die prinzipielle Strömungsführung lokalen Modifikationen zu unterziehen. Beispielhaft wird diese Vorgehensweise angewandt, um Stagnationszonen innerhalb der Werkzeuggeometrie gezielt zu identifizieren und betroffene Geometriebereiche einer Detailoptimierung zu unterziehen. Anhand der Verknüpfung von Verweilzeitverteilungen am Auslass der Werkzeuge, der Fließhistorie entlang von Stromlinien und der Länge spezifischer Strömungspfade werden optimierungsbedürftige Geometriebereiche identifiziert. Eine Validierung dieser Optimierungsmethode erfolgt mittels Versuchsreihen an einer Blasfolienextrusionsanlage. Anhand von Produktwechselversuchen wird nachgewiesen, dass unter Verwendung einer optimierten Werkzeuggeometrie eine signifikante Reduzierung von Wechselzeiten bzw. -massen im Vergleich zu einem Referenzwerkzeug erzielt wird. Die virtuelle Erprobung, welche den Optimierungsprozessen nachgeschaltet ist, ermöglicht die Analyse von Betriebspunkvariationen am virtuellen Werkzeugmodell. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden temperaturabhängige Effekte berücksichtigt, welche auf die dissipative Erwärmung in der Polymerschmelze und die Wärmeleitung in den Bauteilen der Werkzeugbaugruppe zurückzuführen sind. Insbesondere zeigen sich Auswirkungen durch die Steigerung des Massedurchsatzes und die Variation von Polymeren unterschiedlicher Fließeigenschaften auf die maximalen und mittleren Schmelzetemperaturen. Es besteht somit die Möglichkeit, das Prozessfenster, in dem eine Werkzeugbaugruppe einzusetzen ist, zu definieren. Hierbei wird deutlich, dass der Wärmeübergang zwischen der Kunststoffschmelze und den Komponenten der Baugruppe einen wesentlichen Einfluss auf die Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze hat. Weiterhin wird ersichtlich, dass die definierten Qualitäts- und Ausschlusskriterien auch unter Berücksichtigung temperaturabhängiger Effekte erfüllt werden.Es wird nachgewiesen, dass der ausgearbeitete Ansatz im Vergleich zu anderen Arbeiten in einer signifikanten Reduzierung der Berechnungszeit bzw. Iterationsanzahl mündet. Gleichzeitig ist es gelungen, die Anzahl der geometrischen Freiheitsgrade zu steigern und somit die Ergebnisqualität zu erhöhen. Die theoretischen Berechnungen werden durch praktische Versuchsreihen an real gefertigten Werkzeugen validiert. Die Erweiterung der Simulationen um temperaturabhängige Effekte bestätigt die definierten Qualitätskriterien für die isotherme Dimensionierung und zeigt Potentiale auf, bestehende Werkzeugkonzepte um Möglichkeiten der Wärmeabfuhr zu erweitern.

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 Oliver te Heesen

Oliver te Heesen
Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: Extrusion, Wendelverteiler, Werkzeugauslegung, Strömungssimulation, computergestützte Optimierung, Werkzeugoptimierung, Wendelverteilerauslegung, Extrusionswerkzeuge, automatisierte Optimierung, genetischer Optimierungsalgorithmus, CFD, Parameteroptimierung, virtuelle Erprobung
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Wortberg (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner
Erscheinungsjahr: 2015
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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