Forschungsprojekt entwickelt thermisch agiles Extrusionswerkzeug für eine effizientere Folienproduktion
Ziel ist es, durch gezielte Leichtbauansätze die Masse, Fließwege und thermischen Rüstzeiten von Werkzeugen zu reduzieren, um die Effizienz in der Folienproduktion zu steigern. Dieses innovative Vorhaben verspricht maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedliche Werkzeuggrößen und -typen.
Extrusionswerkzeuge, die genutzt werden, um komplexe Produkte wie eine coextrudierte Folie von mehreren Metern Breite kontinuierlich auszuformen, sind meist sehr groß und schwer. Die Kombination aus hohen Drücken aufgrund der hohen Viskosität der verarbeiteten Polymere, mehreren Fließkanälen des Coextrusions-Aufbaus und großen Folienbreiten führt dazu, dass auf Extrusionswerkzeuge hohe mechanische Lasten wirken. Damit trotz dieser Lasten eine Dichtigkeit der einzelnen Werkzeugplatten gegeneinander besteht, werden diese im Allgemeinen konservativ dimensioniert, also sehr steif und damit sehr voluminös ausgeführt. Das große Volumen bzw. die sich daraus ergebende hohe Masse führen wiederum zu Schwierigkeiten beim Handling, langen Fließwegen und langen thermischen Rüstzeiten, also langen Wartezeiten bei der Umstellung auf ein Produkt mit abweichender Solltemperatur.
© IKVIm neuen Forschungsvorhaben „Automatisierte simulationsgetriebene Analyse von Leichtbaustrategien zur effizienten Auslegung von Folienextrusionswerkzeugen“ soll untersucht werden, welche Leichtbaustrategien sinnvoll sind, um je nach Größe und Bautyp des Extrusionswerkzeugs Massen, Fließwege und thermische Rüstzeiten zu verringern. Um dieses Ziel zu erreichen, muss zuerst eine Simulationsumgebung geschaffen werden, die die Interaktion zwischen der Strömung im Fließkanal und der Durchbiegung der Werkzeugplatten genau beschreiben kann. Zusätzlich muss diese Simulationsumgebung es erlauben, die Geometrie der Platten automatisiert anzupassen. Dazu soll die ImmersedBoundary-Surface-Methode in der Open Source Software OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd., Großbritannien) genutzt werden.
Zuerst wird diese Methode anhand eines Vergleiches mit konventionellen Berechnungsmethoden sowie Laborversuchen mit einem biegeweichen Werkzeug aus PMMA validiert. Danach kommen automatisiert die Leichtbaustrategien der Substitution von Stahl durch Aluminium, der Versteifung durch Krümmung, der höchstgenauen mechanischen Auslegung, der Verrippung sowie der Topologieoptimierung zur Anwendung. Es werden dabei zwei grundverschiedene Bauarten von Extrusionswerkzeugen und verschiedene Baugrößen untersucht. Die simulierten Verbesserungen hinsichtlich Werkzeugmasse, Fließweglänge und thermischer Rüstzeit werden detailliert analysiert und mit industriell typischen Werten verglichen. Dadurch wird erstmals für eine Mehrheit der in der Praxis eingesetzten Extrusionswerkzeuge bestimmt, inwiefern Leichtbau sinnvoll ist. Zwei optimierte Werkzeuge werden gefertigt und in Laborversuchen untersucht, sodass neben der Berechnungs- auch die Optimierungsmethode validiert wird.
Projektdaten und Förderung
Wir danken der DFG für die Förderung des Projekts (Förderkennzeichen HO 4776/89-1) und den Projektpartnern für die Zusammenarbeit.
Projektlaufzeit: 01.01.2024 – 31.12.2025
Projektpartner
