Automatisierte simulationsgetriebene Analyse von Leichtbaustrategien zur effizienten Auslegung von Folienextrusionswerkzeugen – Optimierung von Werkzeugmasse und Fließweglänge sowie Reduzierung der thermischen Rüstzeiten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518072893

Extrusionswerkzeuge werden genutzt, um komplexe Produkte wie eine coextrudierte Folie von mehreren Metern Breite kontinuierlich auszuformen. Die Kombination von hohen Drücken aufgrund der hohen Viskosität, mehreren Fließkanälen des Coextrusions-Aufbaus sowie der großen Produktbreite 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 voluminös und damit sehr steif ausgeführt. Das große Volumen bzw. die sich daraus ergebende hohe Masse führen wiederum zu Schwierigkeiten beim Handling, langen Fließwegen und zu langen thermischen Rüstzeiten, also langen Wartezeiten bei der Umstellung auf ein Produkt mit abweichender Solltemperatur. Es ist – Stand heute – nicht bekannt, inwiefern eine Abweichung von der konservativen Dimensionierung für Extrusionswerkzeuge verschiedener Bautypen und Dimensionen möglich und oder sinnvoll ist. Im beantragten Forschungsvorhaben wird daher essenzielles Grundlagenwissen geschaffen, indem simulationsgetrieben verschiedene Leichtbaustrategien untersucht und umgesetzt werden. Ziel ist es herauszufinden, welche Leichtbaustrategien in Abhängigkeit von Größe und Bautyp des Extrusionswerkzeugs zu geringeren Massen, reduzierten Fließwegen und kürzeren thermischen Rüstzeiten führen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss zuerst eine Simulationsumgebung geschaffen werden, die die sich zwischen stark geometrieabhängiger Strömung im Fließkanal und strömungsabhängiger Durchbiegung der Werkzeugplatten einstellenden Interaktionen genau beschreiben kann. Zusätzlich muss diese Simulationsumgebung es erlauben, die Geometrie der Platten automatisiert anpassen. Beiden Herausforderungen kann durch die Nutzung der in der Kunststoffverarbeitung kaum etablierten Immersed-Boundary-Surface-Methode begegnet 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 sieben verschiedene Baugrößen (300 bis 5000 mm Austrittsbreite) 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, so dass neben der Berechnungs- auch die Optimierungsmethode validiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen