title: Strömungsuntersuchungen hochgefüllter Kunststoffschmelzen
Creators: name: Liese, Fabian
Publisher: name: kassel university press
Year: 2025
Subjects: subject: WPC
subject: Extrusion
subject: Wandgleiten
subject: hyperbolische Düse
subject: Dehnviskosität
subject: extrusion
subject: wall slip
subject: hyperbolic die
subject: extensional viscosity
classificationCode: 600
subject: 600
classificationCode: Wood-Plastic-Composite
subject: Wood-Plastic-Composite
classificationCode: Fließverhalten
subject: Fließverhalten
classificationCode: Extrudieren
subject: Extrudieren
classificationCode: Wandströmung
subject: Wandströmung
classificationCode: Gleitung <Mechanik>
subject: Gleitung

description: Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2024
description: <p>Durch numerische Verfahren lässt sich das Strömungsverhalten von hochgefüllten Kunststoffschmelzen effizient berechnen und die Auslegung von Verarbeitungswerkzeugen beschleunigen. Zu den biobasierten Verbundwerkstoffen zählt Wood-Polymer Composites (WPC), welches mit hohen Holzanteilen meist im Extrusionsverfahren verarbeitet wird. Für valide numerische Berechnungen ist eine hinreichend genaue Materialmodellierung notwendig, wobei diese Arbeit einen Beitrag zur Analyse des Strömungsverhaltens neben Scherdeformationen auch unter Dehndeformationen leisten soll. Ein strukturviskoses Fließverhalten über einen breiten Scherratenbereich mit einem Anstieg der Viskosität bei steigendem Holzanteil sowie ein Absinken der Scherviskosität mit steigender Temperatur kann am Rotations- und Kapillarrheometer beobachtet werden. Ein einphasiger Modellierungsansatz dient der Berücksichtigung der teilweisen Erstarrung des WPC-Extrusionsstrangs, wobei der Einfluss der Kristallisathionsenthalpie vernachlässigbar ist. Durch rheometrische und optische Verfahren wird technisch relevantes Wandgleiten ab ca. 0,1 MPa ermittelt. Bei dem Vergleich von numerischen mit experimentellen Daten sowohl auf generischen als auch industrienahen Werkzeugen kann in scherdominanten Bereichen eine hinreichende Übereinstimmung gezeigt werden. In Bereichen großer Dehndeformationen zeigt sich experimentell mit steigendem Holzanteil ein deutlich größerer Druckverlust als in den Simulationen. Zur Bestimmung der Fließeigenschaften unter Dehndeformationen wird eine hyperbolische Düse gefertigt, in welcher ein uniaxialer Dehnzustand vorliegt und anhand des Druckverlustes die Dehnviskosität ermittelt werden kann. Diese wird über einen hybriden Ansatz für ein verallgemeinertes newtonsches Fluid je nach vorliegendem Deformationszustand berücksichtigt. Durch die Verwendung dieses hybriden Modells kann sowohl der Druckverlust in scherdominanten Bereichen als auch der gesteigerte Druckverlust in Bereichen mit großen Dehndeformationen berechnet werden, sodass eine verbesserte Vorhersage des Strömungszustandes im gesamten Extrusionswerkzeug ermöglicht wird.</p>
description: <p>Numerical methods can be used to efficiently analyze the flow behavior of highly filled polymer melts and accelerate the design of processing dies. One of the biobased composite materials is wood-polymer composites (WPC), which is usually processed by extrusion with a high proportion of wood. Sufficiently accurate material modeling is necessary for valid numerical simulations, whereby this work is intended to contribute to the analysis of the flow behavior in addition to shear deformations also under strain deformations. A shear thinning flow behavior over a wide shear rate range with an increase in viscosity with increasing wood content and a decrease in shear viscosity with increasing temperature can be observed on the rotational and capillary rheometer. A single-phase modeling approach is used to take into account the partial solidification of the WPC extrusion strand, whereby the influence of the crystallization enthalpy is negligible. Using rheometric and optical methods, technically relevant wall slip is determined from approx. 0,1 MPa. A comparison of numerical and experimental data for both generic and industry-related dies demonstrates sufficient agreement in shear-dominant areas. In regions of large strain deformations, a significantly greater pressure drop is shown experimentally with increasing wood content than in the simulations. To investigate flow properties under strain deformations, a hyperbolic die is manufactured, creating an uniaxial strain state. The extensional viscosity can be determined on the basis of the pressure drop. This is taken into account using a hybrid approach for a generalized Newtonian fluid depending on the existing deformation state. By using this hybrid model, both the pressure drop in shear-dominant areas and the increased pressure drop in areas with large strain deformations can be simulated, enabling an improved prediction of the flow state in the entire extrusion die.</p>