Numerisches Vorhersagemodell für die Auslegung von Spritzköpfen und Werkzeugen für den Extrusionsprozess von Gummi

Abstract

Derzeit basiert die Dimensionierung von Spritzköpfen bei der Extrusion von Gummiprofilen ausschließlich auf empirischem Wissen über das nichtlineare Fließverhalten und die strukturviskosen Eigenschaften rußverstärkter Elastomere. Die Auslegung eines Spritzkopfes erfolgt daher in Abhängigkeit von der verwendeten Gummimischungsqualität.<br />Darüber hinaus lässt sich das Fließverhalten der unvernetzten Gummimischung durch geeignete Temperierung des Spritzkopfes beeinflussen.<br />Die Auslegung des die Form eines Extrusionsprofils bestimmenden Werkzeugs hängt entscheidend von der Strangaufweitung der Kautschukmischung ab. Das bedeutet, dass die Profilgeometrie des Produkts nicht mit der Geometrie des Werkzeugs identisch ist. Die endgültige Produktgeometrie wird daher durch empirische Adaptierungen am Werkzeug erreicht. Dies erfolgt in Form eines bis zu drei Adaptierungsschritte umfassenden Einpassvorgangs.<br />Die Schwachstelle des derzeitigen Herstellungsverfahrens liegen in der Tatsache, dass das Wissen über die prozessbestimmenden Zusammenhänge lediglich bei einzelnen Mitarbeitern konzentriert ist und damit nicht objektiv reproduziert werden kann. Darüber hinaus wird durch den beschriebenen Einpassvorgang einerseits die Kapazität der laufenden Produktion stark beeinträchtigt und andererseits sind erhebliche Werkzeug-Entwicklungszeiten vonnöten.<br />Die Beseitigung der zuvor genannten Schwachstellen im Herstellungsprozess von Extrusionsprofilen wird durch die Entwicklung eines numerischen Vorhersagemodells für die Dimensionierung und Auslegung von Spritzköpfen und Werkzeugen für den Extrusionsprozess von Gummi erreicht. Dies beinhaltet sowohl die Entwicklung neuer sowie die Adaptierung bestehender Messmethoden zur Charakterisierung der Gummiviskosität als auch die Entwicklung geeigneter Werkstoffmodelle zur Beschreibung von Rohgummimischungen als zähe Flüssigkeit. Die zuletzt genannten Materialgesetze werden im Rahmen von Finite Elemente-Analysen eingesetzt. Mit Hilfe des entwickelten numerischen Vorhersagemodells ist es möglich Spritzköpfe und Werkzeuge mischungsspezifisch auszulegen.<br />Die Entwicklung derartiger computergestützter Berechnungsmethoden eröffnet immense Entwicklungspotentiale, welche zu einer bedeutenden Verkürzung der Entwicklungszeit neuer Extrusionsprofile und zu einer wesentlich kostengünstigeren Erreichung der Serienreife solcher Profile führen.<br />Das technische Risiko der vorliegenden Arbeit liegt im Wesentlichen in einer mangelnden Wiedergabe- und Prognosegenauigkeit von Modellierungen.<br />Insbesondere gilt es einerseits die viskosen Werkstoffeigenschaften von unvernetztem Gummi mit messtechnischen Mitteln wirklichkeitsnah zu beschreiben und andererseits eine realistische numerische Werkstoff- und Strukturmodellierung mittels der Finite Elemente-Methode durchzuführen.<br />

The dimensioning of injection heads for the extrusion of rubber profiles is exclusively based on empiric knowledge of the non-linear viscoelastic flow behaviour of elastomers. Thus, the design of injection heads is carried out with subject to the used rubber blend, whereas the geometry of the appropriate profile is achieved by empiric adaptation of the extrusion die. This adaptation process is mainly influenced by the swelling after the extrusion of rubber and is carried out in several steps. The disadvantage of the current production process is the process technology which is non-reproducible and the design of dies which is connected with long development times. This affects the capacity of the running production relevantly.<br />This fact was one of the motivations for a research project concerning the characterization of the extrudate swell properties of rubber blends.<br />The research work was performed in cooperation with Semperit Technische Produkte Ges.m.b.H., which provided the rubber blends as well as the experimental devices.<br />An important task of a constitutive material characterisation is the determination of a viscosity function which can be used for the numerical simulation of arbitrary parts of instruments for the production of rubber profiles. Till now, capillary-rheometry is the most important method for the determination of the viscosity of rubber compounds as well as rubber blends. The flow in a capillary is inhomogeneous and influenced by various effects. For the description of the pseudo-plastic and shear-thinning material behaviour of rubber blends the power law by Ostwald & de Waele is used. As regards viscous properties, there is still a lack of constitutive characterisation of rubber blends.<br />Using common correction methods leads to various application problems for the investigated rubber blends. Thus, a new concept was developed for the identification of viscoelastic properties. Consideration of wall slippage and the non-linear coupling of viscosity and shear strain rate yields a coupled system of nonlinear equations for the resulting parameter identification. For this purpose the generalised Newton-Raphson procedure has been adopted.<br />In order to consider the die swell phenomenon and for validation of the new material characterisation a genetic algorithm was used. Thus, the interaction of the typical swelling behaviour of viscoelastic fluids and the viscosity of the investigated rubber blends is identified. With this knowledge more realistic simulations of the die swell phenomenon and its influence on the resulting profile geometry are possible.<br />For the numerical prediction of the shape of tools for the production of rubber profiles by extrusion two principal strategies are possible, which were applied for a various profiles. The presented material concept led to an improvement of the consideration of the extrudate swell phenomenon in the context of numerical simulations. The simulations were performed by means of the commercial computational fluid dynamics program POLYFLOW.