Für die simulationsgestützte Auslegung von Kunststoffverarbeitungsprozessen ist die Viskosität der eingesetzten Materialien insbesondere im Spritzgießen und in der Extrusion eine zentrale Eingangsgröße. Während temperatur- und schergeschwindigkeitsabhängige Viskositätsdaten standardmäßig mit Hochdruckkapillarrheometern (HKR) bestimmt werden, wird die Druckabhängigkeit in der industriellen Praxis häufig vernachlässigt. Grund hierfür sind der hohe apparative Aufwand und die geringen verfügbaren Ressourcen für druckvariable Viskositätsmessungen, beispielsweise mittels Gegendruckviskosimetern oder Gegendruckkammern.
Ziel des IGF-Forschungsvorhabens war es daher, ein Modell zur Beschreibung der Viskosität als Funktion von Temperatur, Schergeschwindigkeit und insbesondere Druck zu entwickeln, wobei ausschließlich konventionell verfügbare rheologische Daten und pvT-Messungen als Grundlage dienen sollten. Die Modellierung basiert auf dem Ansatz des freien Volumens, der eine Korrelation zwischen Viskosität und dem spezifischen Volumen des Polymers erlaubt.
Im Rahmen des Projekts wurden unterschiedliche amorphe und teilkristalline thermoplastische Polymere (PP, LDPE, HDPE, PC, PS, ABS) untersucht. Die Materialauswahl erfolgte in Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss unter Berücksichtigung praktischer Relevanz in Extrusion und Spritzguss. Für die Materialien wurden isotherme und isobare pvT-Messungen sowie konventionelle HKR-Messungen durchgeführt. Ergänzend wurden exemplarisch thermografische Infrarotaufnahmen zur Erfassung scherdissipativer Erwärmung während der HKR-Messung erstellt und deren Einfluss auf die Viskosität analysiert.
Zur Validierung des entwickelten Modells wurden druckabhängige Viskositätsdaten mit einem HKR mit zusätzlicher Gegendruckkammer experimentell ermittelt und mit den modellbasiert generierten Daten verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung, sodass die Druckabhängigkeit für die untersuchten Materialien zuverlässig beschrieben werden kann, ohne zusätzliche Messaufbauten einsetzen zu müssen.
Für die praktische Anwendung wurde das Modell in ein Python-basiertes Softwaretool überführt. Die Anwendung erfolgt reproduzierbar und mit minimalem manuellem Aufwand. Auf Grundlage der neu generierten Viskositätsdaten lassen sich damit Simulationen unter Berücksichtigung der Druckabhängigkeit der Viskosität durchführen.
Die Auswirkungen durch die Berücksichtigung der Druckabhängigkeit der Viskosität wurden zusätzlich anhand von Heißkanalsimulationen evaluiert. Im Vergleich zu konventionellen Viskositätsansätzen zeigte sich insbesondere bei amorphen Kunststoffen ein signifikant erhöhter simulierter Einspritzdruck, was auf eine realistischere Abbildung der Prozessbedingungen hindeutet. In Zusammenarbeit mit der Firma ARBURG GmbH + Co KG und Barnes Group Inc. wurden vergleichende experimentelle Spritzgießuntersuchungen durchgeführt, die eine Verbesserung der Simulationsgenauigkeit bestätigen.
Eine abschließende Wirtschaftlichkeitsanalyse hat ergeben, dass der entwickelte Ablauf eine kosteneffiziente Alternative zu Direktmessungen darstellt. Es ermöglicht eine Steigerung der Datenqualität bei gleichzeitiger Reduktion von Messaufwand und Investitionskosten, was insbesondere für KMU mit begrenzten Ressourcen im Bereich der Rheologiemesstechnik ein signifikanter Vorteil sein kann.
Der ausführliche Schlussbericht des IGF-Vorhabens Nr. 01IF22496N kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1352).
