Erweiterung des Folgar-Tucker-Modells zur Vorhersage der Zusatzstofforientierung bei Zusatzstoffmischungen und deren Anwendung in der Prozesssimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kunststoffe finden durch den Einsatz unterschiedlicher Zusatzstoffe meist Anwendung in Form von technischen Bauteilen, die multiplen und steigenden Anforderungen gerecht werden müssen. Ein aktueller Trend ist neben der Modifikation von Kunststoffen ausschließlich mit faserförmigen, vermehrt auch die Kombination mit beispielsweise plättchen- oder kugelförmigen Partikeln. Hierdurch können z. B. neben den mechanischen zugleich auch die elektrischen oder wärmeleitenden Eigenschaften gezielt an die Anwendung angepasst werden. Die Anisometrie der Zusatzstoffe führt dabei zu anisotropen Bauteileigenschaften, die sehr stark von der Zusatzstoffausrichtung abhängig sind. Aus diesem Grund ist die Beschreibung des Orientierungsverhaltens für die Auslegung additivierter Kunststoffbauteile bereits in einer frühen Phase der Bauteilentwicklung essentiell. Um aufwendige experimentelle Untersuchungen zu ersetzen, ist es heutzutage üblich, die aus der Verarbeitung resultierende Zusatzstofforientierung zu simulieren, wobei die Verwendung des Folgar-Tucker-Modells gebräuchlich ist. Dieses wurde bislang allerdings ausschließlich für faser- und plättchenförmige Zusatzstoffe validiert. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, das Orientierungsverhalten in Zusatzstoffmischungen sowie die vorherrschenden Wechselwirkungen systematisch experimentell zu untersuchen (Ziel 1), basierend darauf eine Erweiterung am Folgar-Tucker-Modell für die Verwendung in Zusatzstoffmischungen vorzunehmen (Ziel 2) und abschließend diese Erweiterungen an realen Bauteilen zu validieren (Ziel 3). Aus diesen Zielen leitete sich direkt das Arbeitsprogramm ab. Zunächst wird in einer einfachen Scherströmung (Couette-Strömung) das Orientierungsverhalten bei Zusatzstoffmischungen bestimmt sowie die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Zusatzstoffen untersucht. Hierbei werden sowohl Kombinationen aus orientierungsaktiven Zusatzstoffen (Fasern, Plättchen) als auch kugelförmige Additive als orientierungspassive Zusatzstoffe einbezogen. Basierend auf diesen experimentellen Untersuchungen wurde ein erweitertes Folgar-Tucker-Modell aufgestellt und anschließend in der Open-Source Simulationssoftware OpenFOAM implementiert. Zusätzlich wurde das implementierte Modell auf die Couette-Strömung angewendet, um einen ersten Abgleich zwischen Experiment und Simulation zu erhalten. Zuletzt wurde eine Validierung des neuen Modells an realen, technisch relevanten Bauteilen mit Zusatzstoffmischungen durchgeführt. Hierfür wurden plattenförmige Bauteile hergestellt, deren Zusatzstofforientierung ermittelt und die Ergebnisse mit den Simulationen verglichen. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden wiederum für die Optimierung des zugrunde liegenden Modells genutzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bestimmung der Faserorientierung langglasfaserverstärkter Thermoplaste mittels bildoptischer Analyse und Computertomografie. In: DGZfP-Berichtsband BB 166 (2018), Mi 2.C.5, ISBN 978-3-940283-92-4
F. Willems, A. Beerlink, J.-F. Metayer, M. Kreutzbruck, C. Bonten
- Orientierungsverhalten von Zusatzstoffmischungen, In: Kunststoffe 12/19
S. Joas, F. Willems, J. Kattinger, M. Kreutzbruck
- When Fibers Mix with Platelets – Simulating the Orientation Behavior of Additive Mixtures, In: Kunststoffe international 12/19
S. Joas, F. Willems, J. Kattinger, M. Kreutzbruck
- Application of the Folgar–Tucker model to predict the orientation of particles of different aspect ratios in polymer suspensions. Journal of Polymer Engineering, 2021, 41. Jg., Nr. 7, S. 528-536
J. Kattinger, S. Joas, F. Willems, M. Kreutzbruck, C. Bonten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/polyeng-2021-0117)
