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GMA: Auslegung von Breitschlitzdüsen

GMA: Auslegung von Breitschlitzdüsen

Artikel
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Bild 1: Gleichmäßiger Schmelzefluss im Flusskanal

Dynamische Entwicklungen in der Folienextrusion erweitern die Einsatzmöglichkeiten in viele Richtungen. Verbundfolien aus mehreren Lagen mit Polymeren verschiedener Eigenschaften sind notwendig, um Produkte für die jeweils geforderten Anwendungen präzise herzustellen.

Die Hersteller von modernen Extrusionswerkzeugen für die Folienextrusion stehen vor der Herausforderung, die Eigenschaften der Schmelze dieser Polymere für die Auslegung der Fließkanäle zu prüfen und diese Informationen in das Design einfließen zu lassen. Umfassendes Wissen über die Eigenschaften und die Verarbeitungsparameter der Polymere ist notwendig, um gemeinsam mit den rheologischen Daten die Geometrien der Strömungskanäle innerhalb eines Extrusionswerkzeuges mit einer CAE-Software mittels Simulation überprüfen zu können. Das Ergebnis dieser Analyse ist einer der entscheidenden Faktoren in der Auslegung.

Zusätzlich setzt man bei GMA auf die jahrelange Erfahrung der Ingenieure in der Auslegung von Coextrusionsadaptern und Mehrkanaldüsen.

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Bild 2: Simulation des Schmelzeflusses

Um gleichmäßigen Schmelzefluss und Düsenaustritt zu erreichen, wird der Druck über alle Strömungsbahnen ausgeglichen. Darauf sind Verteilerkanal (Manifold) und Drosselfeld (Restriktor) in der Breitschlitzdüse auszulegen. Im Relaxationsbereich (relaxation chamber) verringert sich der Druck, sodass eventuell erzeugte Spannungen im Verteilerkanal und Drosselfeld abgebaut werden. Perfekte Abstimmung und damit Interaktion von Verteilerkanal, Drosselfeld und Relaxationsbereich führen zu einer gleichmäßigen Verteilung. Alle Strömungslinien der Schmelze haben jetzt auf ihrem Weg durch die Düse die gleiche Druckdifferenz.

Auf Basis der rheologischen Daten und der Verarbeitungsparameter an der Extrusionsanlage des Kunden ist man bei GMA durch den Einsatz von CAE-Simulation in der Lage, Strömungskanäle zu entwickeln und diese auch zu optimieren. Dabei werden Auslegungsfehler schnell erkannt und müssen nicht erst mechanisch an den Düsen selbst behoben werden. Dies führt zu einer schnelleren Entwicklung und Auslegung auch bei neuen Materialien bzw. Materialkombinationen (verschiedenen Polymeren mit unterschiedlichen Additiven).

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Bild 3: Fließkurven verschiedener Polymere

Polymerschmelzen sind „Nicht-Newton'sche" Flüssigkeiten, das heißt ihre Viskosität ist abhängig von der Schergeschwindigeit im jeweiligen Kanal.

Mit Geräten wie den Kapillar-Rheometer (Bild 4) werden Fließkurven (Viskosität über Schergeschwindigkeit – Bild 3) erstellt, diese Diagramme sind die Basis für die Auslegung von Schmelzekanälen.

Eine perfekte Simulation und Optimierung ist nur auf Basis der Fließkurven möglich, das Heranziehen von Schmelzindexes (MFI) alleine wäre eine unzuverlässige Methode mit zu wenig Daten. Polymerschmelzen mit gleichen MFI müssen nicht das gleiche Fließverhalten (beschrieben durch die Fließkurve) aufweisen (Bild 3).

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Bild 4: Kapillar-Rheometer

Bei großen Unterschieden in der Verarbeitungstemperatur sowie im Fließverhalten der verwendeten Polymere sind Mehrkanaldüsen notwendig, anstelle von Einkanaldüsen mit Coextrusionsadaptern. Die für jede Schmelze individuellen Kanäle dieser Breitschlitzdüsen reduzieren die Kontaktzeit nach dem Zusammenfluss bis zum Austritt aus der Düse auf ein Minimum.

Bei Mehrkanaldüsen müssen die Schmelzen beim Zusammenfluss vor dem Relaxationsbereich in ihrem Fließverhalten abgestimmt werden. Auch hier werden durch CAE-Simulation Geometrie, Druck und Scherraten solange angepasst, bis das Fließverhalten der verschiedenen Schmelzen aufeinander optimiert ist.

Die benötigte Zeit für Auslegung, Optimierung und schließlich der Fertigung wird durch den CAE-Einsatz erheblich verkürzt, damit ermöglicht GMA den Kunden einen Produktionsstart ihrer neuen Produkte innerhalb kurzer Zeit.

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