Automatische Optimierung von Coextrusionswerkzeugen mithilfe der Methode der Lagrange-Multiplikatoren zur Minimierung von Fließinstabilitäten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Hopmann
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541089602

Extrusionswerkzeuge werden genutzt, um Produkte und Halbzeuge kontinuierlich herzustellen. Bei Folien, die ihren Einsatz als Verpackung von Lebensmitteln finden, werden mehrere Schichten benötigt, um den hohen Anforderungen an z. B. Transparenz, Barriereeigenschaften, Siegelfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit der Verpackung gerecht zu werden. In den meisten Fällen bietet sich aus wirtschaftlichen Gründen das Verfahren der Coextrusion zur Herstellung solcher Folienverbunde an. Ein weiterer Anwendungsfall für die Coextrusion nimmt in den letzten Jahren als Folge der Forderungen nach Nachhaltigkeit in der Kunststoffverarbeitung zu. Da rezyklierter Kunststoff oft optisch und mechanisch Neumaterial unterlegen ist und im direkten Kontakt mit bestimmten Stoffen strengeren Regularien unterliegt, wird die Coextrusion hier genutzt, um ein ehemaliges Einschichtprodukt in ein Coextrusionsprodukt umzuwandeln, bei dem der Kern des Produkts aus Rezyklat besteht, das mit einer Außenschicht aus Neumaterial ummantelt wird. Eine der größten Herausforderungen für die Wirtschaftlichkeit von Coextrusionsprozessen sind Fließinstabilitäten an der Grenzschicht. Es gibt unterschiedliche Arten, eine davon ist die sog. Wave-Instabilität, die als Folge eines unstetigen Verlaufs der Normalspannungen im Zusammenströmbereich des Werkzeugs entsteht. Es ist – Stand heute – nicht bekannt, wie Wave-Instabilitäten im Coextrusionsprozess zuverlässig erkannt und verhindert werden können. Im beantragten Forschungsvorhaben wird daher essenzielles Grundlagenwissen geschaffen, indem simulationsgetrieben verschiedene Materialpaarungen und Betriebspunkte in Hinblick auf ihre Neigung zu Wave-Instabilitäten untersucht werden. Ziel ist es herauszufinden, welche Änderungen in der Feedblockkonfiguration zu einer Reduktion von Wave-Instabilitäten führen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss zuerst eine Simulationsumgebung geschaffen werden, in der der Coextrusionsprozess modelliert und in der Grenzschichtinstabilitäten anhand des Total Normal Stress Difference (TNSD)-Kriteriums vorhergesagt werden. Weiterhin erfolgt eine Erweiterung dieser Simulationsumgebung um Algorithmen zur automatischen Optimierung der Fließkanalgeometrie in Hinblick auf Grenzschichtinstabilitäten. Dabei wird anhand des TNSD-Kriteriums und den Oberflächensensitivitäten angezeigt, durch welche Anpassung der Geometrie die Grenzschichtinstabilitäten reduziert werden können. In Laborversuchen wird die Optimierungsmethode validiert und eine Methodik zur Anpassung des Feedblocks entsprechend der Optimierungsergebnisse entwickelt. Abschließend wird diese Simulationsumgebung genutzt, um einen Datensatz zu erstellen, der Aussagen darüber treffen kann, welche Materialpaarungen zu welchem TNSD-Verhalten neigen. Aus dem Datensatz erfolgt die Ableitung von Kennfeldern und Auslegungsrichtlinien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen