Melt Flow Index Vergleich von Simulation und Experiment

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Bella Kerner
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1 Melt Flow Index Vergleich von Simulation und Experiment Seminarvortrag von Matrikel-Nr.: Januar 2015 Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 1 / 28

2 Outline 1 Motivation 2 Versuchsdurchführung MFI 3 Modellierung des MFI 4 Numerische Näherung 5 Ergebnisse 6 Fazit und Ausblick Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 2 / 28

3 Motivation

4 Motivation Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 4 / 28

5 Der Füllvorgang Einfüllen des Granulats, Schnecke rotiert Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 5 / 28

6 Der Füllvorgang Einfüllen des Granulats, Schnecke rotiert Granulat plastifiziert durch Scher-Erwärmung Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 5 / 28

7 Der Füllvorgang Einfüllen des Granulats, Schnecke rotiert Granulat plastifiziert durch Scher-Erwärmung Düse wird geöffnet und die Schnecke nach Vorne gepresst Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 5 / 28

8 Materialeigenschaft: Viskosität Das Polymer bestimmt Prozessparameter wie Druck und Temperatur Die Materialeigenschaften des Polymers müssen für einen rentablen Prozess bekannt sein Die Viskosität beschreibt das Fließverhalten von Fluiden Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 6 / 28

9 Melt Flow Index als integrale Größe Rheologische Analyse eines Polymers ist teuer und zeitaufwändig Der Melt Flow Index gibt an, wieviel Gramm Polymerschmelze in 10 Minuten aus einem Kapillar-Rheometer fließt Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 7 / 28

10 Vorteile des Melt Flow Index Der Melt Flow Index ist eine integrale Größe zur Beschreibung des Fließverhaltens Er ist schnell und kostengünstig zu bestimmen Er liefert eine grobe Einordnung bezüglich des Fließverhaltens Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 8 / 28

11 Versuchsdurchführung MFI

12 Normung des MFI Messung ist nach ASTM D1238 und DIN EN ISO 1133 genormt Konstantes Gewicht und Temperatur Kapillare: Durchmesser 2.1mm und Länge 8.0mm Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 10 / 28

13 Modellierung des MFI

14 Das Kräftegleichgewicht im Rohr Kräftegleichgewicht eines Volumenelements p 1 πr 2 (p 1 p)πr 2 τ2πrl = 0 Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 12 / 28

15 Viskosität und Scherspannung newton scher Fluide τ = η γ Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 13 / 28

16 Viskosität und Scherspannung nicht-newton scher Fluide η ist für nicht-newton sche Fluide nicht konstant Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 14 / 28

17 Das Materialmodell CrossWLF η 0 (T, p) η(t, γ, p) = ( 1 + η0(t,p) γ D 4 η 0 (T, p) = D 1 e A 1 (T D 2 D 3 p) A 2 +T D 2 ) 1 n τ = η(t, γ, p) γ Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 15 / 28

18 Numerische Näherung

19 Analytische Lösung: Das Gesetz von Hagen-Poiseuille Voraussetzung: Vollständig entwickelte laminare Strömung eines newton schen Fluids Geschwindigkeitsgradient γ(r) = pr 2ηl Geschwindigkeit u(r) = γ(r)dr = p 4ηl (r 2 max r 2 ) Volumenstrom Q = π p A u(r)da = 8ηl rmax 4 Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 17 / 28

20 Numerische Näherung für nicht-newton sche Fluide Bei nicht-newton schen Fluiden können diese Integrale nicht analytisch gelöst werden Numerische Quadratur liefert Näherung Validierung der Ergebnisse Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 18 / 28

21 Ergebnisse

22 Vergleich der Ergebnisse Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 20 / 28

23 Modellbegrenzungen quasi-stationäre Strömung Anfahrphase existiert, während der der Druck nicht konstant ist Nach ASTM/ISO Norm ausgeschlossen Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 21 / 28

24 Modellbegrenzungen quasi-stationäre Strömung Anfahrphase existiert, während der der Druck nicht konstant ist Nach ASTM/ISO Norm ausgeschlossen Eingangs- und Ausgangsdruckverluste Druckverlust beim Übergang vom Reservoir zur Kapillare Korrektur in die richtige Richtung Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 21 / 28

25 Modellbegrenzungen quasi-stationäre Strömung Anfahrphase existiert, während der der Druck nicht konstant ist Nach ASTM/ISO Norm ausgeschlossen Eingangs- und Ausgangsdruckverluste Druckverlust beim Übergang vom Reservoir zur Kapillare Korrektur in die richtige Richtung vollständige Wandhaftung Polymer muss nicht an der Wand haften Korrektur in die falsche Richtung Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 21 / 28

26 Modellbegrenzungen Vernachlässigung der Scher-Erwärmung Erwärmung durch Scherkräfte im Fluid Korrektur in die falsche Richtung Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 22 / 28

27 Modellbegrenzungen Vernachlässigung der Scher-Erwärmung Erwärmung durch Scherkräfte im Fluid Korrektur in die falsche Richtung Druckabhängigkeit der Viskosität FlowRateSolver kann keine Druckabhängigkeit von η berechnen Korrektur in die richtige Richtung Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 22 / 28

28 Modellbegrenzungen Vernachlässigung der Scher-Erwärmung Erwärmung durch Scherkräfte im Fluid Korrektur in die falsche Richtung Druckabhängigkeit der Viskosität FlowRateSolver kann keine Druckabhängigkeit von η berechnen Korrektur in die richtige Richtung Extrapolation im CrossWLF-Fit Starke Extrapolation des CrossWLF Plateau Korrektur in beide Richtungen möglich Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 22 / 28

29 Fazit und Ausblick

30 Fazit und Ausblick Vielversprechende Korrekturmöglichkeiten gefunden Näherung des Melt Flow Index auf wenige Prozent an relativen Fehler scheint realistisch Informationgehalt des Melt Flow Index kann genauer untersucht werden Verbesserung des CrossWLF-Fits durch den MFI als weitere Stützstelle Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 24 / 28

31 Noch Fragen? Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 25 / 28

32 Literatur Bibliographie I Dietmar Haba. Der prinzipielle Viskositätsverlauf verschiedener Fluide in Abhängigkeit der Schergeschwindigkeit in linearer Auftragung. url: Viskosit%C3%A4t_Nichtnewtonscher_Fluide_linear. png#mediaviewer/file:viskosit%c3%a4t_ Nichtnewtonscher_Fluide_linear.png. Dietmar Haba. Der Zusammenhang zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit für verschiedener Fluide in linearer Auftragung. url: Newtonsches_Fluid#mediaviewer/File: Scherspannung_Nichtnewtonscher_Fluide_linear.png. Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 26 / 28

33 Literatur Bibliographie II ASTM International. Standard Test Method for Melt Flow Rates of Thermoplastics by Extrusion Plastomer. ASTM D American Society for Testing und Materials, Ernst W. Otten. Repetitorium Experimentalphysik. Berlin Heidelberg: Springer, Brendan Rockey. Injection moulding reciprocating screw; hopper; granules; barrel; heaters; mold. University of Alberta Industrial Design. url: moulage_injection_polymere.svg#mediaviewer/file: Principe_moulage_injection_polymere.svg. Melt Flow Index: Vergleich von Simulation und Experiment 27 / 28

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