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Untersuchung und Beschreibung des viskoelastischen Strömungsverhaltens von Kunststoffschmelzen an Querschnittsübergängen

Bei Strömungsvorgängen in Kunststoffschmelzen müssen neben den Scherdruckverlusten auch die Dehndruckverluste berücksichtigt werden. Diese machen sich insbesondere an Querschnittsübergängen bemerkbar. Aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften entstehen an diesen Stellen erhebliche Druckverluste, die sich mit den konventionellen Schervorgängen nicht erklären oder berechnenDehnsdruckverluste lassen. Prinzipiell muss man sich den Vorgang an Querschnittsübergängen wie folgt darstellen. Die hohen Scherkräfte an Querschnittsübergänge führen zu einer Ausrichtung und einer Dehnung des Volumenelements, welches durch diesen Kanal strömt. Gleichzeitig wird das Volumenelement senkrecht zur Strömungsrichtung gestaucht. Dieser Formänderung setzt das Volumenelement einen Widerstand entgegen, den man analog zur bekannten Scherviskosität als Dehnviskosität bezeichnen könnte. Die Scherviskosität setzt dabei dem Schervorgang, sprich der Scherströmung einen Widerstand entgegen, was prinzipiell auch für die Dehnviskosität gilt. Somit entsteht an solchen Stellen ein erhöhter Druckverlust. Bis dato wurde für die Dehnviskosität oftmals der einfache Ansatz ƞD = 3xƞ0 genutzt.
Dieser gilt jedoch nur für sehr kleine Schergeschwindigkeiten. Die realen Strömungsgeschwindigkeiten bei Kunststoffverarbeitungsprozessen sind eher hoch, was auch hohe Schergeschwindigkeiten zur Folge hat und die Vereinfachung nicht mehr gültig ist.
 strömt ein viskoelastisches Fluid aus einem Kanal ins Freie, so kann der sogenannte „swelling effect“ beobachtet werden, d.h. der Strang weitet sich hinter den Austritt bis zum dreifachen des Düsendurchmessers auf. Aus der Aufweitung resultiert auch eine Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit bis ca. um das Neunfache und somit auch eine Erhöhung des Druckverlustes. Dieser Effekt hängt unter anderem sehr ausgeprägt von den viskoelastischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze ab. Insbesondere für die Extrusion ist dies von elementarer Bedeutung, da die Kunststoffschmelze aus einer Extrusionsdüse ins Freie extrudiert wird und dabei nach Möglichkeit die Form des Werkzeugs beibehalten soll.

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