Ein kalibrierbares integratives Modell zur Beschreibung des Schlauchbildungsprozesses in der Blasfolienextrusion

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Dissertation_Bussmann_Markus.pdf25.10.2010 15:33:462,79 MB
Zusammenfassung Unter allen Kunststoffverarbeitungsprozessen ist die Blasfolienextrusion eines der wichtigsten Verfahren, um kontinuierlich dünnwandige Massenprodukte herzustellen. Eine Leistungssteigerung des Produktionsprozesses kann auch im Bereich der Folienextrusion nur durch eine ständige Weiterentwicklung der Maschinentechnik realisiert werden. Den leistungsbegrenzenden Faktor in der Produktionslinie stellt das Kühlsystem dar. Die Verfahrensweise, den schmelzeförmigen heißen Folienschlauch mittels eines ringförmigen Kühlluftfreistrahls lediglich anzuströmen, stößt hier an ihre Grenzen. Entwicklungen in der Industrie sowie im universitären Umfeld haben gezeigt, dass es möglich ist, den Kühlluftfreistrahl länger an der Folie zu führen und somit effektiver zu nutzen. Der frei deformierbare Schmelzeschlauch reagiert jedoch in unvorhersehbarer Weise auf die so geänderten Randbedingungen. Um ein Kühlsystem optimal auszulegen, muss jedoch die Ausbildung der Folie bekannt bzw. vorhersagbar sein. Nur so kann erreicht werden, dass der flexible Folienschlauch möglichst effektiv geführt wird. Das übergeordnete Ziel sollte dabei sein, eine vollständige Kalibrierung der Blase in der Schlauchbildungszone zu realisieren. Bisher erfolgt eine Auslegung und Optimierung von Kühlsystemen rein auf Erfahrungswerten und einer empirischen Vorgehensweise. Um diesen Entwicklungsprozess effektiver zu gestalten, liegt es nahe, den vollständigen Folienverstreckprozess in Wechselwirkung mit dem eingesetzten Kühlsystem zu simulieren. Eine vollständige Simulation des Prozesses gestattet es, diesen im Vorhinein zu analysieren und zu bewerten. Seit Anfang der 70iger Jahre werden Modelle entwickelt, die es ermöglichen sollen, den Schlauchbildungsprozess zu berechnen. Diese haben jedoch aufgrund ihres nicht hinreichenden Abbildungsvermögens und ihrer zunehmenden Komplexität bisher keinen Einzug in industrielle Anwendungen gefunden. Um dieser Problematik zu begegnen, ist in der vorliegenden Arbeit ein kalibrierbares interaktives Simulationsmodell entwickelt worden. Es setzt sich aus zwei miteinander gekoppelten Berechnungsmodulen zusammen. Verwendung findet hierbei zum einen ein mathematischer Ansatz zur Folienkonturbeschreibung und zum anderen ein Strömungssimulationsprogramm. Mit Hilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse werden die Strömungs- sowie Abkühlvorgänge in Abhängigkeit der Blasengeometrie und des verwendeten Kühlluftführungssystems berechnet. Diese Ergebnisdatensätze stellen die Eingangsgrößen des Konturberechnungsmoduls dar. Das Konturberechnungsmodell basiert auf der Theorie nach Pearson und Petrie [PP70a, PP70b], welche einen Zusammenhang zwischen den richtungsabhängigen Spannungen in der Folie und dem Druckprofil auf der Folienoberfläche aufstellt. Die Beschreibung der rheologischen Spannungszustände in der Folie erfolgt mittels eines erweiterten Materialmodells nach Phan-Thien und Tanner [PT77]. Dabei wird dem anisotropen Materialverhalten bei unterschiedlichen Verstreckverhältnissen durch das Einführen richtungsabhängiger Dehnviskositäten Rechnung getragen. Anhand dieses Modells erfolgt eine Beschreibung des Verstreckprozesses auf Grundlage der dehnrheologischen sowie temperaturabhängigen Eigenschaften des Polymers. Diese Materialeigenschaften messtechnisch zu erfassen, ist - wenn überhaupt - nur mit großem Aufwand möglich. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit eine Kalibrierung der nicht direkt zugänglichen Materialparameter, wie z. B. der Viskosität und der Relaxationszeit, durchgeführt. Der Folienkontur als Resultat aller im Gleichgewicht stehender Einflüsse kommt hierbei eine zentrale Rolle zu. Innerhalb eines Kalibrierraums erfolgt die Erfassung einzelner Konturen. Anhand dieser Konturdatensätze wird das rheologische Material-modell für das hier verwendete Polymer (PE-LD) kalibriert. Dabei beinhaltet der Versuchsraum unterschiedliche Aufblasverhältnisse (2 bis 3) bei variierender Folienenddicke (50 µm bis 125 µm). Durch diesen Ansatz ist es zum ersten Mal gelungen, einen vollständigen Versuchsraum numerisch abzubilden. Diese Modellkalibrierung war einzig durch die Auswahl der zulässigen Parameter möglich. Hinsichtlich der praxisgerechten Einsetzbarkeit eines solchen Simulationstools stellt diese Vorgehensweise einen bedeutenden Schritt dar. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der hier entwickelte Ansatz zur Berechnung und Vorhersage bekannter Zustände eine gute bis sehr gute Übereinstimmung mit experimentell erfassten Konturverläufen besitzt. Ein bedeutender Schritt hin zur korrekten Einflussnahme eines Kühlsystems auf den Verstreckprozess konnte hierbei durch die eingebundene CFD-Analyse gemacht werden. So wird in die Berechnungen ein realitätsgetreues Druckprofil eingeführt und nicht von einem konstanten Außendruck ausgegangen. Erst dies macht es möglich den Venturi-Effekt, d. h. das Ansaugen der Folie an die Kühlluftführung, realitätsnah abzubilden. Mit diesem kalibrierten Simulationsmodell ist es zum ersten Mal möglich, sich frei einstellende Blasfolienkonturen zu berechnen. Ein Verhalten der Folienblase, wie es im realen Extrusionsprozess auftritt, kann mit diesem Simulationsmodell entsprechend vorhergesagt werden. Nur durch die Betrachtung des gesamten Prozesses als ein sich stetig im Gleichgewicht befindliches System ist dies möglich. So kann gezeigt werden, dass die Variation lediglich eines Prozessparameters losgelöst von allen anderen nicht sinnvoll ist. Als Resultat des numerischen Modells erhält man zwar eine Konturabbildung, diese gibt jedoch keinen realen sich im Gleichgewicht befindenden Zustand mehr wieder. In der Realität reagieren alle am Schlauchbildungsprozess beteiligten Parameter unmittelbar und abhängig aufeinander. Aus diesem Grund ist nur eine ganzheitliche Betrachtung des Verstreckprozesses mit all seinen Einflüssen zielführend. Die Berechnung solcher Gleichgewichtszustände konnte erfolgreich in dem Modell umgesetzt werden. Um das Potenzial des Modells nachzuweisen, ist es hinsichtlich seiner Abbildungsfähigkeit unterschiedlichster Prozesszustände untersucht worden. Hierzu wurde die iterative Berechnung eines bekannten Zustands durchgeführt, um nachzuweisen, dass quasistationäre Zustände erhalten bleiben. Das Ergebnis konnte zeigen, dass das Modell fähig ist, diesen Prozesszustand abzubilden. Im Folgenden wurden auf Basis eines ermittelten Konturverlaufs beliebige Prozesszustände im Versuchsraum schrittweise berechnet. Es ist gelungen, ausgehend von einem Initialisierungszustand eine unbekannte Kontur nahezu exakt abzubilden. Darüber hinaus konnte anhand eines erweiterten Kühlluftführungssystems gezeigt werden, dass das Prozessmodell auf geänderte Luftführungsgeometrien der Realität entsprechend reagiert. Hierbei konnte eine wesentliche Beeinflussung des Konturverlaufs durch das auftretende Druckprofil nachgewiesen werden. Das durch den Venturi-Effekt hervorgerufene Ansaugen der Schlauchfolie an die Kühlluftführung kann korrekt abgebildet werden. Erste Untersuchungen des Modells hinsichtlich des generellen Abbildungsvermögens zeigen eine bemerkenswert gute Qualität im Vergleich mit experimentell ermittelten Prozesszuständen. Während aller Simulationen konnte eine sehr gute Stabilität der einzelnen Iterationsrechnungen beobachtet werden. Auf die gesamten Untersuchungen bezogen zeigen die Ergebnisse das vorhandene Potenzial dieses integrativen Simulationsmodells. Durch dieses Simulationsmodell wird es erstmals möglich, die Effektivität von Kühlluftführungssystemen im Zusammenhang mit der Folienreaktion zu betrachten und zu bewerten. Dies erlaubt es in Zukunft, Kühluftsysteme zu optimieren und die Entwicklung neuer besserer Systeme voranzutreiben. Es können zum ersten Mal in Interaktion mit dem Kühlsystem sich frei einstellende Konturen vorhergesagt werden. Ferner sind in dieser Arbeit richtungsweisende Schritte erarbeitet worden, ein solches Modell zu einem handhabbaren Simulationstool zu machen. Ungeachtet des generell guten Abbildungsvermögens sind in der exakten Einflussnahme des Druckprofils auf die Kontur noch Schwächen zu finden. Dies liegt hauptsächlich an der komplexen Reaktion der gekoppelten Prozessparameter untereinander. Um ein tiefgreifendes Verständnis der Parameterabhängigkeiten zu erlangen, ist es sinnvoll, dieses Modell noch umfassender einzusetzen. Hierzu ist das Modellverhalten in Bezug auf deutlich unterschiedliche Polymere und andere Prozessräume zu untersuchen. Anhand der so gewonnenen Erfahrungen kann eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit des Modells ermöglicht werden.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Produkt Engineering
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Blasfolienextrusion, Extrusion, Simulation, Kunststoffverarbeitung
Beitragende:
Prof. Dr.-Ing. Wortberg, Johannes [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr.-Ing. Radusch, Hans-Joachim [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
30.07.2010
Dokument erstellt am:
12.11.2010
Promotionsantrag am:
25.05.2010
Dateien geändert am:
30.07.2013
Medientyp:
Text