Verbesserte Prozessauslegung für die Kautschukverarbeitung dank numerischer Simulation

Das SKZ und der Lehrstuhl für Angewandte Mathematik & Numerik (LS3) der TU Dortmund haben am 1. November 2019 ein Kooperationsprojekt gestartet, um das viskoelastische Materialverhalten von anwendungsnahen Kautschukschmelzen über geeignete Modelle zu beschreiben. Der Einfluss von Füllstoffen auf das Materialverhalten soll dabei mit einbezogen werden. Das Projekt hat eine Laufzeit von zwei Jahren.

In der Polymerverarbeitung treten komplexe Zusammenhänge und zahlreiche Einflussparameter auf. Simulationen können hier helfen, diese zu verstehen und den experimentellen Aufwand bis zur Auslegung eines optimalen Prozesses zu minimieren. Um das Fließverhalten von Polymerschmelzen zu beschreiben, haben sich dabei statische, strukturviskose Modelle mit scherabhängiger Viskosität, wie etwa die Beschreibung mittels Potenzgesetz, etabliert. Weitere Effekte, wie Wandgleiten, Fließgrenzen oder viskoelastische Phänomene, können damit allerdings nicht ohne Weiteres berücksichtigt werden. Deshalb stoßen diese Modelle zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit, abbildbaren Effekten und Rechenzeit. Insbesondere die Viskoelastizität kann noch nicht zufriedenstellend erfasst und beschrieben werden. Dies führt beispielsweise bei der Auslegung von Kautschukextrusionswerkzeugen häufig zu großen Abweichungen zwischen simulierten und realen Druckwerten.

An dieser Stelle knüpft das Kooperationsprojekt von SKZ und dem Lehrstuhl für Angewandte Mathematik & Numerik (LS3) der TU Dortmund an. Basierend auf den grundlegenden Forschungsarbeiten mit dem LEONOV-Modell soll eine geeignete Methode zur Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens von Kautschukschmelzen gefunden werden, auch unter Einbeziehung des Einflusses von Füllstoffen auf das Verhalten. Als erster Schritt soll eine anwendungsnahe Vorgehensweise zur Bestimmung und Beschreibung von Materialdaten bereitgestellt werden. Dazu werden alle benötigten Materialdaten aus rheologischen Messungen mit dem Platte-Platte-Rheometer und dem Hochdruck-Kapillar-Rheometer ermittelt. Parallel erfolgt eine Implementierung des LEONOV-Modells in eine 3D-Simulationsumgebung. Darauf aufbauend erfolgen die Entwicklung eines anwenderfreundlichen Demonstratortools und die Validierung der Modelle über experimentelle Untersuchungen.

Eine Mitarbeit interessierter Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss ist noch möglich. Außerdem lädt das SKZ dazu ein, eine der nächsten Veranstaltungen, beispielsweise den Qualitätsgipfel Kunststoff am 28. und 29. April 2020 oder den SKZ-Netzwerktag am 27. Mai 2020, für einen Austausch zu nutzen.

Das Vorhaben (Nr. 20871 N) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und der Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V. (GVT) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Das SKZ ist Mitglied der Zuse-Gemeinschaft, ein Verbund unabhängiger, industrienaher Forschungseinrichtungen, die das Ziel verfolgen, die Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der Industrie, insbesondere des Mittelstandes, durch Innovation und Vernetzung zu verbessern.

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