Description

Durch numerische Verfahren lässt sich das Strömungsverhalten von hochgefüllten Kunststoffschmelzen effizient berechnen und die Auslegung von Verarbeitungswerkzeugen beschleunigen. Zu den biobasierten Verbundwerkstoffen zählt Wood-Polymer Composites (WPC), welches mit hohen Holzanteilen meist im Extrusionsverfahren verarbeitet wird. Für valide numerische Berechnungen ist eine hinreichend genaue Materialmodellierung notwendig, wobei diese Arbeit einen Beitrag zur Analyse des Strömungsverhaltens neben Scherdeformationen auch unter Dehndeformationen leisten soll. Ein strukturviskoses Fließverhalten über einen breiten Scherratenbereich mit einem Anstieg der Viskosität bei steigendem Holzanteil sowie ein Absinken der Scherviskosität mit steigender Temperatur kann am Rotations- und Kapillarrheometer beobachtet werden. Ein einphasiger Modellierungsansatz dient der Berücksichtigung der teilweisen Erstarrung des WPC-Extrusionsstrangs, wobei der Einfluss der Kristallisathionsenthalpie vernachlässigbar ist. Durch rheometrische und optische Verfahren wird technisch relevantes Wandgleiten ab ca. 0,1 MPa ermittelt. Bei dem Vergleich von numerischen mit experimentellen Daten sowohl auf generischen als auch industrienahen Werkzeugen kann in scherdominanten Bereichen eine hinreichende Übereinstimmung gezeigt werden. In Bereichen großer Dehndeformationen zeigt sich experimentell mit steigendem Holzanteil ein deutlich größerer Druckverlust als in den Simulationen. Zur Bestimmung der Fließeigenschaften unter Dehndeformationen wird eine hyperbolische Düse gefertigt, in welcher ein uniaxialer Dehnzustand vorliegt und anhand des Druckverlustes die Dehnviskosität ermittelt werden kann. Diese wird über einen hybriden Ansatz für ein verallgemeinertes newtonsches Fluid je nach vorliegendem Deformationszustand berücksichtigt. Durch die Verwendung dieses hybriden Modells kann sowohl der Druckverlust in scherdominanten Bereichen als auch der gesteigerte Druckverlust in Bereichen mit großen Dehndeformationen berechnet werden, sodass eine verbesserte Vorhersage des Strömungszustandes im gesamten Extrusionswerkzeug ermöglicht wird.