Analyse, Auslegung und Optimierung von Wendelverteilersystemen

Wendelverteilerwerkzeuge finden bei der Extrusion von Halbzeugen mit kreisringförmigem Querschnitt (Rohre, Schläuche, Schlauchfolien) Anwendung. Ihre Hauptaufgabe besteht in der Überführung des vom Extruder vorgelegten Plastifikats in eine gleichmäßige Ringspaltströmung, um Profile mit eng tolerierten Dimensionen auszuformen. Wendelverteilersysteme zeichnen sich dabei durch eine gute Schmelzeverteilung aus, so dass bindenahtfreie Halbzeuge mit gleichmäßiger Wanddickenverteilung bei moderatem Druckverbrauch hergestellt werden können. Um die Vorteile des Werkzeugkonzeptes zu nutzen, ist jedoch eine exakte, rheologische Auslegung der komplexen Fließkanalgeometrie notwendig. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Auslegungskonzept für Axial- und Radialwendelverteiler unter Einbeziehung der Nachfolgezonen vorgestellt, das eine effiziente, iterative Optimierung der Fließkanalgeometrie ermöglicht. Das Auslegungskonzept basiert auf der numerischen Strömungssimulation mittels des institutseigenen FEM- Softwarepakets SIMFLOW Ⓡ und berücksichtigt das rheologische Stoffverhalten der Schmelze durch den Carreau- und den Potenzansatz. Die Arbeit legt die strömungsmechanischen Grundlagen des Berechnungsansatzes dar und zeigt die entwickelte Modellierungsstrategie für Axialund Radialwendelverteilersysteme, die dem Auslegungskonzept zugrunde liegt, auf. Insbesondere werden die geometrische Beschreibung der Fließkanalstrukturen und die Berechnung der diskreten Schalendicken an den Knoten des FE-Netzes, die den Kanaltiefen- und Spaltweitenverlauf im Simulationsmodell wiedergeben, detailliert dargestellt. Des Weiteren werden die aussagekräftigen Optimierungskriterien des Auslegungskonzeptes vorgestellt, die die Charakterisierung und Beurteilung der berechneten Strömungsvorgänge im Verteilersystem erlauben.