Entwicklung eines neuartigen, generativ gefertigten Dornhalterwerkzeugs für die bindenahtfreie Extrusion von Kunststoffen

Abstract

Zur Herstellung von Rohren, Schläuchen und Vorformlingen beim Blasformen haben sich verschiedene Werkzeugtypen wie Wendelverteiler-, Siebkorb-, Pinolen- und Dornhalterwerkzeuge etabliert. Vor allem letztere zeichnen sich durch ihre gute Schmelzeverteilung und geringe Schererwärmung aus und sind nahezu betriebspunktunabhängig einsetzbar. Damit sind Dornhalterwerkzeuge bei der Verarbeitung von thermisch empfindlichen Materialien (z.B. Polyvinylchlorid (PVC)) unerlässlich. Nachteilig ist dagegen die Entstehung von Bindenähten, die optische und mechanische Schwachstellen im Produkt darstellen. Weitere Werkzeugkonzepte, wie der Wendelverteiler, sind dagegen aufgrund hoher Verweilzeiten für die Verarbeitung von thermisch empfindlichen Materialien ungeeignet. Dieses Vorhaben befasste sich daher am Beispiel der Rohrextrusion mit der Reduzierung des Bindenahteinflusses auf die Extrudateigenschaften. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Erhöhung der Schmelzehomogenität in Dornhalterwerkzeugen bzw. die Reduzierung von Bindenahteffekten auf die mechanische Extrudatfestigkeit. Zunächst wurden neuartige Stege konzipiert, die in ihrem Design an statische Mischelemente angelehnt sind und Querströmungen bzw. Strömungsumlagerungen erzeugen. Mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationen wurden die Stege hinsichtlich der resultierenden Bindenahtausprägung, Druckverluste, thermischen Homogenität und Verweilzeit bewertet. Die Bewertung basiert auf Bewertungskennzahlen, die teils der Literatur entnommen und teils bei Bedarf in diesem Vorhaben entwickelt wurden. Anhand der Simulationsergebnisse konnten zudem erste Steggestaltungshinweise abgeleitet werden. Vier neuartige Stegdesigns wurden mittels Selectivem Laser Melting (SLM) gefertigt und praktisch erprobt. Bei der Herstellung von Rohrproben unter Verwendung der neuartigen Stegdesigns erfolgte eine Analyse des Betriebsverhaltens. Anschließend wurden die Rohrproben mikroskopischen Analysen sowie mechanischen Ringsteifigkeits- und Berstprüfungen unterzogen. Hierbei hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der neuartigen Stege das Zusammenfließen der Schmelzeströme hinter den Stegen dahingehend angepasst werden konnte, sodass sich der mechanische Einfluss aufgrund von Bindenähten auf das Endprodukt reduziert. So steigt die Innendruckbelastbarkeit um bis zu 40 % an. Mit der verbesserten Innendruckbelastbarkeit gehen allerdings höhere Druckverluste und damit steigender Energiebedarf bei der Herstellung einher. Der Druckverlust nimmt um bis zu 27 % zu. Durch die erhöhte Innendruckbelastbarkeit können jedoch zukünftig die Rohrwanddicken ohne Einbußen der mechanischen Festigkeit reduziert und damit Material eingespart werden. Dies wiederum verringert die Energiekosten des Aufschmelzvorgangs. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

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