Bestimmung von Dehndruckverlusten bei Kunststoffschmelzen Autor Prof. Dr.-Ing. Thomas Schröder, B. Eng. Daniel Hastert, B. Eng Carsten Fein Institut für Kunststofftechnik ikd Die Berechnung von Fließ- und Füllvorgängen viskoelastischer Medien wie z.B. Polymerschmelzen durch diverse Simulationssoftware ist mit Fehlern behaftet. Aktuell ist es nicht möglich, Dehndruckverluste an Querschnittssprüngen in Kanälen oder Kavitäten zu bestimmen bzw. vorherzusagen. Ursache hierfür sind die viskoelastischen Eigenschaften wie z.B. die Kompressibilität von Kunststoffschmelzen, die bisher nicht beschrieben werden konnten. Projektbeschreibung Sinn und Zweck der Druckverlustberechnung ist es, Dehndruckverluste in einem Heißkanal abschätzen zu können. Diese sind besonders wichtig bei der Auslegung und Konstruktion von Heißkanälen. Das Rheologie-Labor des Instituts für Kunststofftechnik Darmstadt ist im Besitz von verschiedenen Messgeräten, welche die Viskoelastischen Eigenschaften von Kunststoffschmelzen bestimmen können. Wichtige Größen hierfür sind: Abb. 1: Heißkanal Dehn- / Scherdruckverluste Dehn- / Scherviskosität 1. Normalspannungsdifferenz Molekularaufbau / -gewicht Speicher-/ Verlustmodul Nach F.N. Cogswell lässt sich aus dem Einlaufdruckverlust die scheinbare Dehnviskosität bestimmen. Für die Berechnung von Dehndruckverlusten liefert das HKV Daten wie z.B. den Gesamtdruckverlust. Rotationsrheometrie Das Kegel-Platte-Rheometer erlaubt neben der Erfassung der Schubspannungs-Schergeschwindigkeits-Abhängigkeit aus der Messung der Axialkraft auch die Bestimmung von Normalspannungen, d.h. der elastischen Eigenschaften der Flüssigkeit. Die Elastizität eines viskoelastischen Fluids erzeugt einen Überdruck im Scherspalt, der zum Auseinanderdrücken von Kegel und Platte führt. Aus der Axialkraft kann dann die 1. Normalspannungsdifferenz N1 bestimmt werden. Mithilfe der rheologischen Daten wird eine Verifikation der berechneten Daten ermöglicht. Simulation Gängige FEM/CFD Simulationsprogramme für Fließ- bzw. Füllvorgänge berücksichtigen bei der Berechnung die viskoelastischen Eigenschaften von Kunststoffschmelzen nicht. Bei Kanälen und Bauteilen mit Querschnittssprüngen nimmt die Vorhersagequalität mit zunehmender Anzahl solcher Merkmale deutlich ab. Der zu erwartende Druckverlust wird unterschätzt. Für die Ermittlung der Fließeigenschaften werden Viskositätsmodelle verwendet, welche sich auf die strukturviskosen Eigenschaften von Kunststoffschmelzen beschränken. Δp ý N1 (Polymertyp) G‘/G‘‘ Im Rahmen des Forschungsprojektes soll mit Hilfe der verschiedenen Rheometer eine Materialdaten-Matrix erstellt werden. Diese Datenbank soll zukünftig in geeignete Simulationsprogramme eingebunden werden, um Berechnungsfehler zu minimieren. Parallel dazu werden die verschiedenen Rheometer mittels Software (Scherdruckverluste) simuliert um einen stetigen Vergleich zwischen Berechnung und Realität zu erhalten. Messverfahren - Hochdruck-Kapillar-Viskosimeter In einem Kapillarviskosimeter wird eine Flüssigkeit mit einem Kolben durch eine Kapillare mit dem Durchmesser d und der Länge L gedrückt. Beim Übergang in die Kapillare wird die Flüssigkeit eingeschnürt und relaxiert erst beim Austritt. Dadurch entstehen sowohl am Eintritt als auch am Austritt der Kapillare Impulsverluste. Reale Druckverluste oft >> berechnete Druckverluste! Untersuchungsergebnisse und weitere Vorgehensweise ∆𝑝𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 = ∑ ∆𝑝𝑆𝑐ℎ𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔 + ∑ ∆𝑝𝐷𝑒ℎ𝑛𝑢𝑛𝑔 200°C Vergleich Einlaufdruckverluste / Speichermodul 10000000 1000000 Einlaufdruckverluste Rechte Düse 100000 Speichermodul 10000 1000 1 10 100 Schergeschwindigkeit in 1/s 1000 10000 Abb. 4: Darstellung der Beziehung zwischen Speichermodul und Einlaufdruckverlust mit Hilfe eines Faktors ∆𝑝𝐷𝑒ℎ𝑛𝑢𝑛𝑔 = 𝐴 ∗ 𝜀̇ 𝐵 Koeffizient A und B beschreiben den Kurvenverlauf. Dabei ist A von der Geometrie und der Temperatur abhängig und gibt den Y-Achsenschnittpunkt an. B beschreibt die Steigung der Geraden und ändert sich bei unterschiedlichen Polymertypen und Temperaturen. Zusätzlich werden die Koeffizienten mit den materialspezifischen rheologischen Größen in Zusammenhang gebracht, wie z.B. 1.Normalspannungdifferenz, Viskosität, Schubspannung und das Verhältnis zwischen Speicher-/ Verlustmodul tan Δ. Ziel ist es durch Einbringung von vorhandenen Materialgrößen einen Druckverlust zu beschreiben, um anschließend ein Materialgesetz zu generieren, damit zusätzliche Untersuchungen von Polymeren überflüssig werden. 𝜀̇𝑥 = Allgemein lässt sich zusammenfassen, dass der Einlaufdruckverlust gleich dem Speichermodul mal Faktor in Abhängigkeit vom Material/Temperatur/Geometrie ist. Bei Betrachtung der Einlaufdruckverluste welche vom HKV und dem Speichermodul G‘ welche vom Oszillationsrheometer gemessen wurden ist auffällig, dass immer ein Faktor X zwischen den Messreihen liegt, siehe Abb. 4. Die Trendlinien beider Messreihen weißen nahezu eine Parallelität auf. Für diese Messreihen sind die Einlaufdruckverluste mithilfe eines HKV´s zumessen und anhand des Oszillationsrheometer sind die viskoelastischen Eigenschaften wie der Speichermodul festzustellen. 100 ∆𝑝𝐷𝑒ℎ𝑛𝑢𝑛𝑔 = 𝑓(𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙, 𝐺𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑒, 𝑃𝑟𝑜𝑧𝑒𝑠𝑠) Bestimmung der Dehnrate: Abb. 3: Beispielhafter Querschnittssprung Speichermodul in Pa Einlaufdruckverluste in Pa Stand der Technik 𝑑𝑣𝑥 𝑑𝑥 Anhand mm der getätigten Messungen am Hochdruck-Kapillarviskosimeter und am Oszillationsrheometer wurde nach Korrelationen gesucht, wie anhand der gewonnenen Messdaten die Einlaufdruckverluste beschrieben werden können. Über mehrere Schritte konnte der Einlaufdruckverlust im Zusammenhang mit der Temperatur, dem Durchmesserverhältnis und Materialabhängigkeit abgeschätzt werden: ∆𝑃𝐸𝑖𝑛𝑙𝑎𝑢𝑓 (𝐷𝑢𝑟𝑐ℎ𝑚𝑒𝑠𝑠𝑒𝑟𝑣𝑒𝑟ℎä𝑙𝑡𝑛𝑖𝑠) = 𝐺´ ∗ (𝐾𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑓(𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙) ± ∆𝜗 ∗ 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑓(𝑇𝑒𝑚𝑝. ) Der Einlaufwinkel kann noch nicht eindeutig mit einkalkuliert werden, da hier zu wenige Messungen vorhanden sind. Schon bei Messungen mit dem Online-Rheometer zeigte sich, dass der genaue Einlaufwinkel sich abhängig vom Material und der Einspritzgeschwindigkeit ausbildet und somit ein größerer Messaufwand nötig ist. Versuchsmatrix: • 4 unterschiedliche Temperaturen • 4 unterschiedliche Durchmesser • 4 unterschiedliche Einlaufwinkel • 6 unterschiedliche Materialien Abb. 2: Schematischer Aufbau eines Hochdruck Kapillarviskosimeters Korrelation der Versuchsergebnisse • Einflussfaktoren auf Koeffizienten A, B Kontakt Projektpartner Quellen Prof. Dr. Thomas Schröder Institut für Kunststofftechnik Darmstadt ikd Hochschule Darmstadt h_da Haardtring 100, 64295 Darmstadt mail: [email protected] Günther Heißkanaltechnik GmbH Sachsenberger Str.1 - 35066 Frankenberg T. Schröder, „Vorlesungsskript Kunststofftechnologie I – Rheologie“, ikd, Darmstadt, 2014 G. Menges, „Werkstoffkunde Kunststoffe“, Hanser Verlag, 2002 Simcon Cadmould® 3-DF, Simulationsmodell: Hochschule Darmstadt, 6-fach Heißkanal Förderer ZIM – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand
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