Bestimmung von Optimierungspotentialen einer Extrusions-Breitschlitzdüse zur Herstellung von Kunststofffolien mittels CFD-Simulation

Die Auslegung und Konstruktion von Extrusionswerkzeugen erfolgte früher aufgrund der Erfahrungen des Konstrukteurs und der Techniker und durch Modifikation bewährter Konstruktionen. Oft waren aber nach den Versuchsläufen Nachbearbeitungen und Korrekturen notwendig. Diese Vorgehensweise wird zunehmend durch den Einsatz von Simulationswerkzeugen ergänzt, was im Zeitalter von immer kürzeren Entwicklungszyklen und hohem Preisdruck mittlerweile zu einer Notwendigkeit geworden ist. Dieser Beitrag befasst sich mit der Anwendung einer kommerziellen Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationssoftware für eine Problemstellung in der Kunststoffverarbeitung. Am Beispiel eines so genannten „Kleiderbügel-Verteilers“ einer Extrusionsbreitschlitzdüse wurden die Einsatzmöglichkeiten und Verbesserungspotentiale im Hinblick auf die Fließkanalausführung und Verteilerwirkung aufgezeigt. Die Herstellung von Kunststofffolien erfolgt neben der Blasfolien-Extrusion mittels Gießfolien- oder Castfolien-Extrusion. Dabei wird meist in einem Einschnecken-Extruder das Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und anschließend mit einer speziellen Breitschlitzdüse ein breiter Schmelzefilm erzeugt (extrudiert), welcher dann an einer Kühlwalze erstarrt und über eine Reihe weiterer Walzen abgezogen eventuell gereckt, Oberflächen behandelt und schließlich aufgewickelt wird. Die Düse besteht aus einem runden Einlauf und einem breiten Schlitz am Auslauf, dazwischen liegt das Herzstück, der Verteiler. Dieser sorgt dafür, dass der Düsenschlitz am Ausgang möglichst gleichmäßig durchströmt wird: D.h. die Polymerschmelze sollte am ganzen Querschnitt möglichst mit der gleichen Geschwindigkeit austreten und die Verweilzeit der Polymerschmelze innerhalb der Düse soll möglichst wenig streuen. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde die Eignung der vorliegenden „Kleiderbügel“-Verteilergeometrie für einen kommerziellen klaren Polystyrol-Typ (PS) und einen ebenfalls klaren Typ der biobasierten Polymilchsäure (PLA) überprüft. Bei der praktischen Umsetzung wurde die Verteilergeometrie mittels Gambit konstruiert. Diese digitalisierte Geometrie der Breitschlitzdüse wurde in weiterer Folge mit etwa 5105 Hexaederzellen vernetzt. Dieses Netzgitter bildete die Grundlage für die folgenden CFD-Simulationen. In deren Rahmen wurden der Druckverlust bei verschiedenen Durchflüssen (die sogenannte Düsenkennlinie) und die Geschwindigkeitsverteilung in der Düse insbesondere am Austritt der Düse berechnet. Für die Beschreibung des Fließverhaltens der Polymere wurden ein erweiterter Carreau- und der truncated Power Law-Ansatz verwendet: Diese beschreiben die Änderung der dynamischen Viskosität als Funktion der Formänderungsgeschwindigkeit (Schergeschwindigkeit). Abbildung 1 links zeigt die normierte Geschwindigkeitsverteilung am Düsenauslass von PS bei verschiedenen Volumenströmen. Es ist ersichtlich, dass bei PS mit zunehmendem Volumenstrom am Einlass die Geschwindigkeitsprofile am Auslass ungleichförmiger werden. Diese Simulationsergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Auf der rechten Seite der Abbildung 1 sind die Teilchenpfade, die mit der Verweilzeit in der Düse eingefärbt wurden, dargestellt. Durch die Kombination aus Pfadlänge und Geschwindigkeiten sind die kürzesten Verweilzeiten der Materialströme links und rechts der Düse in der Nähe des Randes zu finden. Aufgabe einer Breitschlitzdüse ist eine gleichmäßige Verteilung der Schmelze am Düsenaustritt, damit auch die ausgeformte Folie eine gleichmäßige Dicke aufweist. CFD-Simulationen erlauben die Berechnung der Geschwindigkeitsverteilung am Düsenaustritt. Diese ist ein Maß für die Güte des Verteilers und kann. durch Geometrie-Variationen mittels CFD-Simulation verbessert werden kann.