Coex–Instabilitäten

Automatisierte Werkzeugoptimierung für die Coextrusion von Rezyklaten

Bei der Coextrusion treten oft Fließinstabilitäten an der Grenzschicht auf, die zu optischen und mechanischen Defekten führen. Wie sich solche Instabilitäten durch eine automatisierte Optimierung von Coextrusionswerkzeugen vermeiden lassen, wird im Projekt Coex-Instabilitäten untersucht.

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Entscheidend für die Produktqualität ist eine stabile Schichtdickenverteilung im Zusammenströmbereich des Feedblocks. Dort können starke Dehnströmungen oder Viskositätsunterschiede zu sogenannten Wave-Instabilities führen, die Ausschuss verursachen und die Prozessfähigkeit einschränken. Zur Verbesserung der Strömungsstabilität wird eine umfassende Simulationsumgebung in OpenFOAM aufgebaut. Dazu werden die viskoelastischen Eigenschaften von Neuware und Rezyklat-Compounds experimentell bestimmt und mit dem Phan-Thien-Tanner-Materialmodell abgebildet. Die Simulationen nutzen einen Volume-of-Fluid-Ansatz zur exakten Erfassung der Schichtgrenze im Werkzeug. Der zentrale methodische Ansatz ist ein adjungiertes Optimierungsverfahren, das zuvor definierte geometrische Freiheitsgrade des Feedblocks gezielt anpasst. Als Bewertungsgröße dient das Total-Normal-Stress-Difference-Kriterium (TNSD), das kritische Normalspannungsdifferenzen identifiziert und damit auf die Entstehung von Grenzschichtinstabilitäten schließen lässt. Aus der Simulation lässt sich anschließend konkret ableiten wie die Werkzeuggeometrie geändert werden sollte, um Instabilitäten zu reduzieren.

Darüber hinaus werden verschiedene Materialpaarungen systematisch untersucht. Dadurch entsteht ein Datensatz, der aufzeigt, wie sich Eigenschaften wie Dehnviskosität oder Relaxationszeiten auf die Prozessstabilität auswirken. Abschließend werden ausgewählte Betriebspunkte in praktischen Versuchen validiert, um die Übertragbarkeit der Simulation in die industrielle Praxis zu gewährleisten. Das Projekt leistet somit einen Beitrag zur wirtschaftlichen und qualitativen Nutzung von Rezyklaten in hochwertigen Kunststoffprodukten. Werkzeugoptimierung und schnelle, datenbasierte Prozesseinstellungen tragen dazu bei, Ausschuss zu reduzieren und die Ressourceneffizienz im Bereich verpackungsrelevanter Coextrusion nachhaltig zu steigern.

Projektdaten und Förderung

Wir danken der DFG für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen HO 4776/98-1) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.

Projektlaufzeit: 01.03.2026 – 28.02.2027