Numerische und experimentelle Untersuchung von Schichtumlagerungseffekten in der Co-Extrusion

In dieser Arbeit wurden Schichtumlagerungseffekte in der Coextrusion, hervorgerufen durch viskoelastische Eigenschaften von Polymerschmelzen, untersucht. Für ein besseres Verständnis der Umlagerungseffekte wurden numerische Untersuchungen mit einer anschließenden experimentellen Validierung durchgeführt. Zur Modellierung der Viskoelastizität von Polymerschmelzen wurde das Giesekusmodell als benutzerdefinierte Funktion in Ansys Fluent implementiert. Die numerische Untersuchung gliederte sich dabei in die Simulation einer Monoströmung, womit sowohl der Einfluss der Modellparameter als auch der Einfluss der Kanalabmessungen auf die Strömung analysiert wurde und die Simulation einer zweiphasigen Strömung aus ABS und einem Polymerblend aus PC und ABS zur Bewertung der Schichtumlagerungen. Zur Bewertung wurde ein Maß definiert, welches den Grad der Schichtumlagerung wiedergibt. Die Ergebnisse der zweiphasigen Strömungssimulationen wurden anschießend, anhand einer Grauwertanalyse von experimentell gewonnen Schmelzeabdruckproben des Düsenkanals sowie von produzierten Plattenproben, validiert. Anhand der Monoströmung konnte gezeigt werden, dass – hervorgerufen durch die viskoelastischen Eigenschaften der Schmelze – Strömungen quer zur Hauptstromrichtung auftreten. Diese Sekundärströmungen äußern sich in Form von je zwei gegenläufigen Strömungswirbeln in einem Quadranten des Kanals. Anhand der Simulationsergebnisse zeigte sich, dass die Stärke der Sekundärströmung mit steigendem Seitenverhältnis des Kanals, mit steigendem Viskositätsverhältnis und mit sinkendem Mobilitätsparameter abnimmt. Die Simulation der Schichtumlagerung zeigte eine geringere Umlagerung mit steigendem Durchsatz, eine Zunahme bei steigendem Anteil des elastischeren Materials im Querschnitt und geringe Umlagerungen bei ausgeglichener Schichtverteilung. Diese Ergebnisse konnte durch die experimentelle Untersuchung auf qualitativer Ebene bestätigt werden. (Betreut durch Univ-Prof. Georg Steinbichler und DI Alexander Hammer BSc)