Extrusion 6-2020

Statische Mischer sind feststehende Einbau- ten, deren Mischwirkung auf dem Prinzip Trennen, Umlagern und Zusammenführen von Strömungen beruht. Dabei wird die vor- handene Strömungsenergie zur Mischung genutzt. Sie bestehen in der Regel aus gleichartigen, hintereinander geschalteten Elementen, die jeweils um 90° versetzt plat- ziert sind. Für hochviskose Fluide gibt es eine Vielzahl an verschiedenen statischen Mischern von unterschied- lichen Herstellern. Sie werden eingesetzt, um Schmelze ther- misch bzw. stofflich zu homogenisieren. Mischergeometrien, die sich auf dem Markt etabliert haben, sind unter anderem der X-Mischer, der LPD-Mischer und der Kenics-Mischer [Kra03, MSA12, PM79]. Auf Basis dieser Mischergeometrien werden zunächst erste neuartige Stege gestaltet. Sie werden anschließend optimiert und in praktischen Versuchen getestet. Die Konstruktion er- folgt für ein Dornhalterwerkzeug, welches zur Herstellung von Rohren mit 32 mm Außendurchmesser und einer Wandstärke von 2 mm dient. Um bei der Neugestaltung der Stege über ma- ximale Gestaltungsfreiheit zu verfügen, wird eine Fertigung der Stege mittels Selektivem Laser Melting (SLM) vorgesehen. Es werden daher verschiedene Konstruktionsrichtlinien berück- sichtigt, die für das SLM relevant sind [Kra17, URL20]. In Bild 1 sind die ersten neuartigen Stegdesigns dargestellt. Um eine Bewertung der Stegdesigns vornehmen zu können, wurden Strömungssimulationen mit der Software OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd., London, Vereinigtes Königreich) durchgeführt. Die Simulationsergebnisse sollten zum einen Querströmungen quantifizieren und zum anderen eine Ab- schätzung der mit der Fließkanaländerung einhergehenden Ef- fekte bezüglich Druckverluste Schererwärmung und Verweilzeit ermöglichen. Simuliert wurde die wandhaftende Strömung einer extrusions- typischen, hochviskosen Schmelze durch das Dornhalterwerk- zeug mit den verschiedenen Stegvarianten. Um diese mit einem herkömmlichen Dornhalterwerkzeug vergleichen zu können, wurden zusätzlich konventionelle Stege simuliert. Alle durchge- führten Simulationen basieren auf einem Gitter mit 2.354.867 Elementen. Zur Abbildung des strukturviskosen und tempera- turabhängigen Materialverhaltens dienten der Carreau- und WLF-Ansatz. Weitere Annahmen waren laminares und inkom- pressibles Materialverhalten sowie ein stationärer Strömungs- zustand. Der Werkzeugmantel ist adiabat auf 200 °C tempe- 23 Extrusion 6/2020 Bild 2: Fließgeschwindigkeit in Abhängigkeit der verschiedenen Stegdesigns riert. Der eintretende Schmelzeblockstrom von 5 kg/h weist ebenfalls eine über dem Querschnitt konstante Temperatur von 200 °C auf. Die Schererwärmung wird mitberücksichtigt. Die Querströmungsausbildung hinter den Dornhaltergeome- trien ist eines der wichtigsten Bewertungskriterien hinsichtlich der Reduzierung des Bindenahteinflusses auf mechanische und optische Extrudateigenschaften. Zur Quantifizierung der Quer- strömungen wurde daher der Fließkanalquerschnitt nach Durchströmen des Stegbereichs betrachtet. Der Vergleich der erzeugten Querströmungen der neuen Steggeometrien mit de- nen eines konventionellen Dornhalterwerkzeugs erfolgt an- hand der Kennzahl Q ( Gleichung 1 ). Diese setzt jeweils die ad- dierten Geschwindigkeitsanteile W quer zur Fließrichtung z mit denen des konventionellen Dornhalters ins Verhältnis. Die Ste- ge mit einer Kennzahl >1 erzeugen also mehr und die mit einer Kennzahl <1 weniger Querströmung als das konventionelle Pendant. In Tabelle 1 sind die Kennzahlen der drei neuen Steg- designs dargestellt. (Gl. 1) Zu erkennen ist, dass die Steggeometrie angelehnt an den X- Mischer im Vergleich zu den konventionellen Stegen nicht ge- eignet ist, um mehr Querströmung zu generieren. Bei dem Ke- nics- und LPD-Design dagegen werden mehr Querströmungen erzeugt. Dies spiegelt sich auch in Bild 2 wider. Hier sind die Geschwindigkeiten mittels Particle Tracking im Werkzeug abgebildet. Zu erkennen ist außerdem, dass die Schmelze im Stegbereich unterschiedlich starke Beschleunigun- gen erfährt. Durch die höheren Schmelzegeschwindigkeiten bei gleichzeitiger Wandhaftung an Mantel und Stegen wirken grö- ßere Scherraten auf das Material, dem entsprechend wird mehr Schubspannung eingebracht. Dies kann zum einen für scher- Tabelle 1: Kennzahlen zur Bewertung der Auswirkung neuer Stegdesigns auf Querströmungen Stegdesign Konventionell X-Design LPD-Design Kenics-Design Kennzahl 1,00 0,08 3,23 3,66