Optimale Schmelzeführung für Spinnprozesse

In verschiedenartigen industriellen Schmelzspinnprozessen wird Kunststoffgranulat in einem Extruder aufgeschmolzen und über einen Verteiler den einzelnen Kapillarbohrungen eines Spinnkopfes zugeführt. Hierzu muss im Allgemeinen der Querschnitt des Polymerschmelzestroms von demjenigen des Zuleitungsrohres auf den viel größeren der Spinnplatte mit ihren Kapillarbohrungen erweitert werden.

Da hierbei die Strömungsgeschwindigkeiten abnehmen, können insbesondere in Wandnähe Totzonen entstehen, in denen das Polymer degradiert und sich an den Wandungen anlagert. Ein geeignetes Maß für die Fließgeschwindigkeit in Wandnähe ist die so genannte Wandschubspannung. Diese kann durch Veränderungen des Strömungsgebietes gezielt beeinflusst werden. Die Abhängigkeiten sind allerdings nicht lokal und so komplex, dass dies in sinnvoller Weise nur durch einen mathematischen Optimierungsprozess erfolgen kann. Wir haben auf Basis geeigneter Kriterien eine Optimierungsmethode für derartige Fragestellungen entwickelt.

Polymerschmelzen gehören zu den strukturviskosen Nicht-Newtonschen Fluiden. In Anwendungsfällen mit geringen Scherraten, kleiner Deborahzahl und kleiner Reynoldszahl wird die Polymerströmung jedoch in guter Näherung als Kriechströmung durch die stationären Stokes-Gleichungen beschrieben.

Außerdem können diese Gleichungen für flache Höhenprofile über dem Ausströmquerschnitt (Abbildung) asymptotisch nach der Höhe entwickelt werden. Der Schmelzezufluss über den Eintrittsquerschnitt kann dabei durch einen Quellterm erfasst werden. Alternativ kann der Einströmbereich komplett aus dem zweidimensionalen Strömungsgebiet herausgeschnitten und mittels einer Einströmrandbedingung behandelt werden. Der Ausfluss über den Austrittsquerschnitt wird dagegen als Senke beschrieben und ist gemäß dem Darcy-Gesetz für poröse Medien proportional zur Druckdifferenz.

Optimerung

Die Abbildungen zeigen die Optimierung einer aus Gründen der Geheimhaltung abstrahierten einfachen radialsymmetrischen Geometrie und die zugehörige Verteilung der Wandschubspannung. Die Güte der optimierten Geometrien kann mit vollen 3D-Simulation überprüft werden. Dieses Vorgehen hat sich bereits in verschiedenen Anwendungsfällen und realen Geometrien bewährt. Die Vorteile der Optimierung sind eine deutliche Reduktion von Degradierungseffekten, eine verbesserte Gleichmäßigkeit und geringere Durchlaufzeit.

Projektart: Industrieprojekt
Projektpartner: Unternehmen des Maschinenbaus