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06.12.2017 14:19

Experimentell abgesicherte Simulationsrechnungen zur beschleunigten Auslegung für WPC-Extrusionswerkzeuge

Das Fachgebiet Strömungstechnik der Uni Kassel arbeitet zusammen mit dem Kunststoff-Zentrum Würzburg (SKZ) an der Optimierung von Extrusionswerkzeugen für holzfaserverstärkte Kunststoffe, sogenannte Wood Polymer Composites (WPC). 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. An der Universität Kassel erfolgt die Entwicklung eines passenden Materialmodells, welches auch die Erstarrung der Schmelze berücksichtigt.

Das Projekt umfasst die rheometrische Charakterisierung und rheologische Modellierung von WPC-Werkstoffen im Schmelzzustand, die numerische Simulation deren Verhaltens in Extrusionswerkzeugen und die experimentelle Validierung der Berechnungen.

Werkzeuge für die Extrusion von Standardkunststoffen werden in der Regel mit Hilfe von numerischen Simulationsmethoden ausgelegt. Dagegen erfolgt die Auslegung von Extrusionswerkzeugen zur Herstellung von beispielsweise WPC-Profilen heute zumeist auf Basis bestehender Erfahrungen. Dies hat zur Folge, dass nach der Werkzeugfertigung eine mehrstufige, kosten- und zeitintensive Inbetriebnahme erfolgt, bei der unter anderem das Werkzeug noch nachbearbeitet werden muss. Eine simulative Auslegung ist bislang nicht möglich, da weder systematische Untersuchungen des Materialverhaltens innerhalb des Werkzeugs noch Modellberechnungen existieren, welche das Strömungsverhalten in der Extrusion realitätsnah beschreiben.

Um das Ziel des Forschungsvorhabens zu erreichen wird am SKZ eine Versuchsanlage aufgebaut, mit der das Verhalten industriell verfügbarer WPC untersucht werden kann. Durch systematische experimentelle Studien sollen die maßgeblichen Betriebs- und Prozessparameter identifiziert werden. Als Grundlage zur Materialmodellierung werden die verwendeten Materialien an beiden Standorten rheometrisch charakterisiert. Das von der Uni Kassel geplante Materialmodell wird zur numerischen Simulation der Strömungsvorgänge in der Versuchsanlage verwendet, deren Ergebnisse mit den begleitenden Experimenten am SKZ validiert werden. Aus den Untersuchungen lassen sich dann die Gestaltungsempfehlungen für eine schnelle und kostengünstige Auslegung der Werkzeuge extrahieren.

Das IGF-Vorhaben wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsförderung (IGF) vom BMWi gefördert. Es hat eine Laufzeit von zwei Jahren, ist zum 1. Oktober 2017 gestartet und wird durch mehr als 15 Industrievertreter unterstützt.

Kontakt:
Fabian Liese
Universität Kassel
Institut für Mechanik, Fachgebiet Strömungstechnik
Tel.: +49 561 804-3252
E-Mail: Fabian.Liese@uni-kassel.de