Experimentell abgesicherte Simulationsrechnungen zur beschleunigten Auslegung von WPC-Extrusionswerkzeugen

Das SKZ in Würzburg arbeitet zusammen mit dem Fachgebiet Strömungsmechanik der Universität Kassel an der Optimierung von Extrusionswerkzeugen für holzfaserverstärkte Kunststoffe, sogenannte Wood Polymer Composites (WPC). Das Projekt umfasst die rheometrische Charakterisierung und rheologische Modellierung von WPC-Werkstoffen im Schmelzezustand, 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 z. B. 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 u. a. 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.

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. Hierzu 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. An der Universität Kassel erfolgt die Entwicklung eines passenden Materialmodells, welches auch die Erstarrung der Schmelze berücksichtigt. Dieses wird zur numerischen Simulationen 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 19652 N 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 

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