Extrusion 5-2018

Thermische Homogenisierung von Schmelze durch simulativ optimierte statische Mischer Eine gleichmäßige Verteilung der Schmelze über den Werkzeug- austritt ist eine wichtige Voraus- setzung für einen wirtschaftli- chen Folienextrusionsprozess [Lim13]. Diesem Ziel wird in den typischen Auslegungsmethoden für Extrusionswerkzeuge Rechnung getragen, wobei im Allgemeinen von einer ideal isothermen Schmelze ausgegan- gen wird [HM16]. In der Praxis treten jedoch lokale thermische Inhomogenitäten in der dem Werkzeug zugeführten Schmelze auf. U rsache dieses Phänomens ist zum Beispiel die lokal unterschiedliche dissipative Schererwärmung [Cat13]. Diese Temperaturabweichungen führen zu Unterschieden der Viskosität im Werkzeug, was wiederum zu einer Un- gleichverteilung der Schmelzegeschwin- digkeit über den Austrittsspalt führt [THG06]. Um dieser Problematik zu be- gegnen, werden oftmals statische Mi- scher eingesetzt, die den Schmelzestrom vor dem Eintritt in das Extrusionswerk- zeug wiederholt aufteilen und rekombi- nieren, wodurch er thermisch und stoff- lich homogenisiert wird [Sch18]. Die Auslegung solcher Mischer für Anwen- dungen in der Extrusion erfolgt überwie- gend empirisch, was zu unzureichender Mischleistung, unnötig hohem Druckver- lust oder im schlimmsten Fall zu einer Verschlechterung der thermischen Ho- 36 Aus der Forschung – Extrusionswerkzeuge/CAE Extrusion 5/2018 Bild 1: Statischer Mischer sowie Simulationsraum/Rechengitter mit Vorlauf und Nachlauf (Alle Bilder: IKV) mogenität führen kann, wenn die im Mi- scher dissipierte Energie zu einer lokalen Erhöhung der Schmelzetemperatur führt [Rau91]. Aus diesem Grund wird am Ins- titut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH eine Simulationsumgebung auf Basis der Open-Source-Software OpenFOAM (OpenFOAM Foundation, London, Großbritannien) entwickelt, mittels derer die Leistung statischer Mi- scher vorhergesagt und verbessert wer- den soll. Beschreibung der Simulations- umgebung und des betrachteten Mischers Zur genauen Beschreibung des thermi- schen Verhaltens der Schmelze im stati- schen Mischer wurden ein neuer Finite- Volumen-Strömungslöser sowie ein bis- her nicht verfügbares Viskositätsmodell in OpenFOAM implementiert. Der neue Strömungslöser basiert auf einem beste- henden SIMPLE-Algorithmus für inkom- pressible Strömungen und wurde um die Feldgröße Temperatur ergänzt. Der Sol- ver berücksichtigt den Wärmetransport durch Diffusion und Advektion und zu- sätzlich als Quellterm die Schererwär- mung und geht von konstanter Dichte, Wärmeleitfähigkeit sowie Wärmekapazi- tät der Schmelze aus. Das Materialmo- dell beschreibt die temperatur-und scher- ratenabhängige Schmelzeviskosität mit einem Carreau-WLF-Ansatz. Im Folgenden werden beispielhafte erste Simulationsergebnisse für einen stati- schen Mischer des Typs „SMB plus“ der Firma Promix Solutions GmbH, Wetzlar mit einem Nenndurchmesser von 40 mm und einer Länge von 120 mm vorgestellt. Als Prozesspunkt wird die Extrusion eines