Simulative Auslegung von thermisch-rheologisch homogenen Vorverteilern in Wendelverteilerwerkzeugen

Das wichtigste Ziel bei der Auslegung von Wendelverteilerwerkzeugen ist die Sicherstellung einer gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung am Austritt des Extrusionswerkzeugs. Thermische Inhomogenitäten im Werkzeug können aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Scherviskosität zu einer ungleichmäßigen Schmelzeverteilung im Wendelverteiler-werkzeug führen. Die thermischen Inhomogenitäten sind im Vorverteiler des Wendelverteiler-werkzeugs besonders ausgeprägt, werden allerdings bei der rheologischen Werkzeug-auslegung bislang meistens vernachlässigt. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein integratives Simulationsmodell zur Analyse des Temperatureinflusses im Vorverteiler von Wendelverteilern entwickelt, welches den gesamten Vorverteiler, bestehend aus Fließkanal und umgebendem Werkzeugmaterial, nicht-isotherm abbildet. Die Simulation berücksichtigt sowohl die dissipative Schererwärmung der Schmelze als auch die Wärmeleitung im gesamten Werkzeug. Eine simulative Analyse verschiedener Typen von Vorverteilern verdeutlicht, dass die Temperaturverteilung im Vorverteiler einen wesentlichen Einfl uss auf dessen Durchsatzverhalten besitzt. Sowohl die dissipative Schererwärmung als auch die externe Temperierung des Werkzeugs bewirken eine inhomogene Temperaturverteilung in der Schmelze, die zu unterschiedlichen Durchsätzen an den einzelnen Vorverteileraustritten führt. Die ungleichmäßige Schmelzevorverteilung kann vom nachfolgenden Hauptverteiler nicht vollständig kompensiert werden und bleibt bis zum Werkzeugaustritt größtenteils erhalten. Eine experimentelle Validierung der Simulationsergebnisse liefert eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment und belegt somit die hohe Güte des verwendeten Simulationsmodells. Die integrative Simulation wird nach der Analyse des Temperatureinfl usses im Vorverteiler zur Ableitung von Gestaltungsrichtlinien zur Auslegung thermischrheologisch homogener Vorverteiler herangezogen. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt hierbei auf thermischen Gestaltungsmaßnahmen, die die Temperaturverteilung in der Schmelze homogenisieren sollen. Es kann gezeigt werden, dass durch die gezielte Kombination von Heizpatronen, hochleitfähigen Einsätzen und isolierenden Aussparungen im Vorverteiler eine thermisch und rheologisch homogene Schmelzevorverteilung erreicht werden kann.