Extrusion 1-2018

Tabelle 1: Simulationsparameter Als Kriterium für eine optimale Bauhöhe und Kühlwassertem- peratur wird aus der Simulation die Temperaturverteilung im Schmelzeschlauch herangezogen. Es soll eine möglichst große Wärmemenge abgeführt werden, ohne dabei Teile des Schmel- zeschlauches unter die Kristallisationstemperatur des jeweiligen Materials abzukühlen. In sind die simulierten Temperaturverläufe für die unter- schiedlichen Kühlhülsenhöhen bei T KH = 50 °C für ein PE-HD an der Innen- und Außenseite der Folie visualisiert. Es ist zu erkennen, dass die Temperaturverläufe sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite zunächst unabhängig von der Kühlhülsenhöhe sind. Der Temperaturverlauf an der Außen- seite ändert sich mit dem Austritt der Folie aus der 45 mm Kühlhülse. Durch die kürzere Kühlhülsenhöhe von 45 mm wird im Vergleich zu der 74 mm und 110 mm hohen Hülse insge- samt weniger Wärme aus der Folie abgeführt. Es ist zu erken- nen, dass die Kristallisationstemperatur T K bei Verwendung ei- ner 45 mm Kühlhülse nicht unterschritten wird und somit der Kunststoff über der gesamten Länge der Kühlhülse als Schmel- ze vorliegt. Ab einer Länge von circa 55 mm wird T K unterschritten, sodass es innerhalb der Kühlhülsenhöhe 74 mm und 110 mm zu einer Festkörperreibung zwischen Folienschlauch und Kühlhülsenin- nenfläche kommt. Ähnliche Ergebnisse ergeben sich für die üb- rigen Materialien. Sowohl für das PE-LLD, PE-HD als auch für das PP sollte eine Kühlhülsenlänge von 45 mm nicht überschrit- ten werden. Zusätzlich wurden Simulationen mit einer kürzeren Kühlhülsenhöhe H = 20 mm durchgeführt. Bei Einsatz einer 20 mm langen Kühlhülse zeigt sich jedoch im Vergleich zu der 45 mm Hülse aufgrund der kürzeren Kühlfläche eine zu geringe Wärmeabfuhr. Eine zu kurze Hülse sollte daher nicht verwendet werden, da keine ausreichende Wärmemenge entzogen wer- den kann. Als ideale Hülsenhöhe ergibt sich unabhängig vom Material eine Höhe von 45 mm. Die für die un- terschiedlichen Materialien mindestens erforder- lichen Kühlhülsentemperaturen betragen für das PE-LLD und PE-HD T KH = 50 °C und für das PP T KH = 60 °C. 43 Extrusion 1/2018 Bild 2: Simulierter Temperaturverlauf für ein PE-HD FO 4660 bei einer Kühlhülsentemperatur T KH = 50 °C und unterschiedlichen Kühlhülsenhöhen gung von tap = 3 % mit einem Eintrittsdurchmesser D E = 81,5 mm (Düsenaußendurchmesser D D = 80 mm) und einer Kühlhülsenhöhe H = 74 mm, ohne dabei eine unzulässige Kompression des Schlauches zu verursachen, was zu Faltenbil- dung führen könnte [7]. Für einen erfolgreichen Transfer dieser neuen Kühltechnologie in die Industrie müssen in einem weiteren Schritt jedoch weite- re Materialien untersucht werden. Bestimmung der materialabhängigen Kühlhülsengeometrie Für eine Übertragbarkeit der Kühlhülsentechnologie auf andere Kunststoffe wie PE-LLD, PE-HD und PP ist die Auswahl der rich- tigen Kühlhülsengeometrie für eine gute Prozessstabilität ent- scheidend. Die wichtigsten geometrischen Größen stellen die Verjüngung tap und die Kühlhülsenhöhe H dar. Für die Bestim- mung dieser Größen wurde in einem abgeschlossenen For- schungsvorhaben eine Methodik entwickelt, welche es erlaubt, eine erste Grunddimensionierung bereits vor der Kühlhülsenfer- tigung vorzunehmen. Die Ermittlung der Kühlhülsenhöhe H er- folgt hierbei über eine Abkühlsimulation des Folienschlauches und die Ermittlung der Verjüngung tap über eine optische Ver- messung des Schmelzeschlauches direkt über dem Düsenspalt. Zur Simulation des Abkühlverhaltens wurde das Programm Sheet CoolAix 2.0 der Firma aiXtrusion GmbH, Arnsberg, ver- wendet. Die Wärmeabfuhr an der Kühlhülse wird durch ein Er- satzmodell mit einer Walzenkühlung abgebildet. Es wird ange- nommen, dass die Abkühlung des Schlauches an der Kühlhülse mit der Abkühlung an einer temperierten Walze gleichzusetzen ist. Entsprechend wird in der Berechnung die Kühlhülse mit ei- ner Walze ersetzt, dessen Breite dem Umfang der Kühlhülsen- kontaktfläche entspricht. Die Kontaktlänge zwischen Walze und Folie wird mit der Hülsenhöhe H gleichgesetzt. Zu Beginn der Simulation wurden für alle Materialien die temperaturab- hängige spezifische Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit sowie das pvT-Verhalten ermittelt. Für eine exakte Abbildung der Realität ist die Kalibrierung des Simulationsmodells ent- scheidend. Hierzu wurde experimentell die Temperatur des Schmelzeschlauches über dem Schlauchumfang für jedes Ma- terial bei einem definierten Massedurchsatz gemessen. Die Messung der Temperaturen erfolgte circa 10 cm oberhalb des Kühlhülsenaustrittes mit einem Strahlungspyrometer der Firma Raytek GmbH, Berlin vom Typ ST60 XB. Kalibriert wurde das Si- mulationsmodell über die Anpassung des Wärmeübergangsko- effizienten α . Nach erfolgreicher Kalibrierung des Simulations- modells wurden für die unterschiedlichen Materialien die ideale Kühlhülsenhöhe H und Kühlhülsentemperatur T KH unter realen Prozessbedingungen, d.h. bei einem Massedurchsatz von 30 kg/h, bestimmt. Beide dieser Parameter wurden in der Simu- lation dreistufig variiert und sind zu entnehmen. konstante Parameter variable Parameter Material T s [°C] ṁ [kg/h] H [mm] T KH [°C] PE-LD (310 E) 200 30 45 / 74 / 110 30 / 40 / 50 PE-LLD (VM001) 200 30 45 / 74 / 110 30 / 40 / 50 PE-HD (FO 4660) 230 30 45 / 74 / 110 40 / 50 / 60 PP (310 D) 240 30 45 / 74 / 110 40 / 50 / 60