Die Zusammenhänge in der Polymerverarbeitung sind komplex mit vielen Einflussparametern. Simulationen können dabei helfen die komplexen Zusammenhänge zu verstehen, den experimentellen Aufwand bei Entwicklungen zu reduzieren und so zu besseren Prozessen führen. Die in der Kunststoff- und Kautschukindustrie etablierte Vorgehensweise das Fließverhalten über statische, strukturviskose Modelle mit scherabhängiger Viskosität zu beschreiben, stößt bei Kautschuk-Simulationen zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit, abbildbaren Effekten und Rechenzeit. Dies liegt daran, dass neben der Scherverdünnung weitere Effekte, wie z.B. Wandgleiten berücksichtigt werden müssen. Insbesondere für die Viskoelastizität ist noch keine zufriedenstellende Erfassung und Beschreibung möglich.
Daher wurde im Projekt auf der Grundlage des Leonov-Modells eine CFD-Softwareumgebung (Computational Fluid Dynamics) zur Modellierung der viskoelastischen Strömung gefüllter Kautschukschmelzen in Extrusionswerkzeugen entwickelt und in FeatFlow implementiert. Die Parameter zur Beschreibung viskoelastischen Verhaltens verschiedener ungefüllter sowie mit Ruß und Silica gefüllter Kautschukmischungen sollten basierend auf Messungen des Rubber Process Analyzer (RPA) bestimmt werden. Das Fließverhalten wurde durch Druckverlustmessungen in einem Hochdruck-Kapillarrheometer (HKR) in Abhängigkeit von verschiedenen Düsengeometrien untersucht. Durch geeignete Variationen der untersuchten Kautschukrezepturen konnten die beobachteten Effekte im Fließverhalten auf bestimmte Wechselwirkungen in der Polymermatrix zurückgeführt werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das HKR eine geeignete aber bisher selten angewandte rheologische Messmethode für eine extrusionsnahe Charakterisierung des Fließverhaltens von Kautschuken ist. Sie ermöglicht KMU bereits erste Abschätzungen zum Werkststoffverhalten neuer Compounds in der Werkzeuggeometrie, bei geringem Zeit- und Materialaufwand.
Das engagierte Projektziel, innerhalb der gegebenen Zeit geeignete Leonov Parameter zur Modellierung von Druckverlusten in Düsengeometrien anhand einfach anzuwendender RPA- und HKR-Messungen zu bestimmen, konnte aufgrund der Komplexität der Materialmodells nicht erreicht werden. Doch obgleich keine anwendungsnahe, geeignete Methode zur Bestimmung der Modellparameter gefunden werden konnte, kann durch die nun bestehende Implementierung des Leonov Modells in den CFD Code FeatFlow das Modell direkt von Unternehmen, die den Code verwenden, genutzt werden. Doch auch für Anwender ohne eine breite Infrastruktur von Messgeräten oder Simulationscodes wurde ein Online-Simulationstool auf Basis des Giesekus-Modells entwickelt. Dieses ermöglicht die Simulation ungefüllter Kautschukschmelzen und erfordert dabei lediglich eine Messung mit dem RPA. Da diese bereits heute von KMU zur Mischungscharakterisierung eingesetzt und darüber hinaus von zahlreichen Dienstleistern angeboten werden, entstehen so nur geringe Kosten. Somit kann von KMU eine Vorabschätzung viskoelastischer Effekte für verschiedene Fließgeometrien zunächst ohne Betrachtung der Füllstoff-Polymer-Wechselwirkungen durchgeführt werden. Ein solches Tool für die Kautschuk-Simulation ist dabei erstmalig online veröffentlicht und zur freien Verfügung für die Öffentlichkeit und kann damit KMU die Auslegung von Werkzeugen erleichtern und bei der Behebung von Problemen im klassischen Trial- und Error-Verfahren unterstützen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 11/2019 bis 04/2022 an der TU Dortmund, Angewandte Mathematik u. Numerik (44221 Dortmund, Tel: 0231 755-3075) unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Stefan Turek (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. Stefan Turek) und an der SKZ-KFE gGmbH, Würzburg (Friedrich Bergius-Ring 22, 97076 Würzburg, Tel: 0931 4104-447) unter der Leitung von Herrn Dipl. Ing. Johannes Rudloff (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. Martin Bastian)
Das IGF-Vorhaben Nr. 20871 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.