Simultane rheologische und thermische Analyse des Glasfaserziehvorganges Teil 2.) Numerische Ergebnisse und Vergleich mit den Experimenten

Abstract

Es werden nach dem Düsenziehverfahren endlose Glasfasern aus Glasschmelzen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gezogen, wobei die Ziehparameter — Düsentemperatur, Düsenvordruck und Ziehgeschwindigkeit — in breiten Bereichen variabel sind. Zur Untersuchung der Abkühldynamik des Faserziehprozesses wird die Temperaturverteilung der Ziehzwiebel berührungslos gemessen; desgleichen die sich einstellenden Profile der Ziehzwiebel. Diese und weitere experimentell zugängliche Größen, wie Ziehkraft, Massenstrom und Geschwindigkeitsverteilung, werden herangezogen, um die in Teil 1 dargelegte simultane rheologische und thermische Analyse einer kritischen Prüfung zu unterziehen. Darüber hinaus werden weitere numerische Ergebnisse dieser Analyse über die sich einstellenden rheologischen und thermischen Zustände während des Ziehprozesses in der Ziehzwiebel und im Glasfaden in grafischer Form mitgeteilt. Je dünner der Enddurchmesser der Glasfaser ist, desto größer werden die Abkühlgeschwindigkeiten, der radiale Temperaturgradient, der Geschwindigkeitsgradient und die während des Ziehprozesses vorhandene Zugspannung. Auf Grund der zweidimensional durchgeführten thermischen Analyse konnte die maximal mögliche thermische Spannung im Faden berechnet werden. Die durch die Abkühlung der Faser entstehende Druckspannung in der Oberfläche kann nicht die Ursache der hohen Festigkeit von Glasfasern sein. Alle prüfbaren Größen befinden sich über den gesamten Bereich, vom Düsenausgang bis zum fertigen Faden, in guter Übereinstimmung zwischen Experiment und theoretischem Modell, so daß eine im Rahmen der notwendigen Vereinfachungen brauchbare quantitative thermische und rheologische Gesamtanalyse des Faserziehprozesses vorliegt. Simultaneous rheological and thermal analysis of glass fibre drawing Part 2. Numerical results and comparison with experiments Continuous glass fibres with different compositions are drawn from a bushing; the drawing parameters — temperature and pressure on the nozzle, drawing speed — are variable over a broad range. To investigate the dynamics of cooling in fibre drawing the temperature distribution just below the nozzle was measured by a technique not involving contact; also the profile of the jet. These and other experimental parameters such as mass flow rate, drawing force and velocity distribution were taken to proof critically those deduced from the simultaneous rheological and thermal analysis given in part 1. Following this further numerical results of the analysis of thermal and rheological conditions in the jet and the glass fibre during the drawing process are shown graphically. The smaller the final diameter of the fibre, the greater are the cooling rate, the radial temperature gradient, the velocity gradient and the tensile stress during drawing. From the two dimensional thermal analysis it is possible to calculate the maximum thermal stress in the fibre. A compressive stress in the surface, produced by cooling, cannot be responsible for the high strength of glass fibres. All the Parameters tested are in good agreement with the theory over the whole range between the exit from the nozzle to the final fibre and demonstrate that, despite the necessary simplifications, a useful quantitative thermal and rheological analysis of fibre drawing is possible. Analyse rhéologique et thermique simultanée du processus d'étirage des fibres de verre 2e partie. Résultats numériques et comparaison avec les essais On étire par un procédé mécanique, des fibres silionnes à partir de fontes de différentes compositions en faisant varier dans un large domaine les paramètres d'étirage tels que température des filières, pression et vitesse d'étirage. L'étude de la dynamique du refroidissement au cours du processus d'étirage comporte la mesure à distance de la distribution de température du bulbe de même que les profils successifs du bulbe. L'examen critique de l'analyse thermique et rhéologique simultanée du processus d'étirage (v. première partie de ce travail) fait intervenir ces résultats ainsi que d'autres grandeurs mesurables telles que force d'étirage, écoulement et distribution des vitesses. De plus, on donne une représentation graphique d'autres résultats numériques de cette étude portant sur les comportements rhéologiques et thermiques du bulbe et du fil au cours du processus d'étirage. Plus le diamètre final de la fibre est petit, plus grands sont les vitesses de refroidissement, le gradient radial de température, le gradient de vitesse et la contrainte de traction qui se crée au cours du processus d'étirage. Une analyse thermique bidimensionnelle a permis de calculer la contrainte thermique maximale à l'intérieur du fil. La contrainte de compression créée à la surface de la fibre suite au refroidissement ne peut pas être à l'origine de la résistance mécanique élevée des fibres. On obtient une bonne concordance entre les résultats théoriques et expérimentaux pour toutes les grandeurs mesurables dans tout le domaine étudié, de la sortie de la filière jusqu'au fil terminé, de sorte que l'on dispose dans le cadre des simplifications nécessaires, d'une étude quantitative globale portant sur les aspects thermiques et rhéologiques du processus d'étirage.