Experimentell abgesicherte Simulationsrechnungen zur beschleunigten Auslegung von WPC-Extrusionswerkzeugen

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Die Bedeutung gefüllter und verstärkter Kunststoffe mit hohen Füllstoffanteilen nimmt stetig zu. Ein Beispiel dafür sind Kunststoffe mit bis zu 70 Gew.-% Holzfasern (WPC), welche überwiegend im Extrusionsverfahren verarbeitet werden. Die Prozessführung solcher hochgefüllten Materialien unterscheidet sich aufgrund des komplexen Materialverhaltens und der notwendigen partiellen Erstarrung der WPC-Schmelze im Werkzeug jedoch von der Herstellung klassischer Kunststoffprodukte. WPC-Werkzeuge werden daher zumeist in kosten- und zeitaufwändigen Versuchen optimiert. Simulationen kommen dabei bisher kaum zum Einsatz. Forschungsziel war deshalb die numerische Berechnung des Fließ- und Verformungsverhaltens von WPC im Extrusionswerkzeug und die darauf basierende Erstellung von Empfehlungen für eine optimierte Auslegung von WPC-Werkzeugen. Im Projekt wurden erforderliche Materialdaten von WPC für die Simulation ermittelt und durch geeignete Materialmodelle beschrieben. Parallel wurden Extrusionsversuche durchgeführt, um die notwendigen Randbedingungen für die Simulation zu ermitteln. Darauf aufbauend wurden numerische Berechnungen der Fließvorgänge im Extrusionswerkzeug durchgeführt. Ein Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Werten zeigt eine gute Übereinstimmung für Parallelteile des Werkzeugs. Für Einström- und Übergangsteile mit hohen Dehnströmungen wurden für Kunststoffe mit 70 Gew.-% Holzfasern deutliche Abweichungen festgestellt. Versuche mit einem industrienahen Werkzeug zeigen vergleichbare Abweichungen zwischen Simulation und Experiment. Dennoch kann die Entwicklung neuer WPC-Extrusionswerkzeuge mit Hilfe der numerischen Prognosen zukünftig effektiver und kostengünstiger gestaltet werden, da Fehler im Werkzeugdesign frühzeitig erkannt und vermieden werden können.