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Kautschuktechnologie

Der Forschungsschwerpunkt im Bereich der Kautschuktechnologie liegt bei der Kunststofftechnik Paderborn auf der Verarbeitung im Extrusionsprozess sowie auf der Vernetzung von Kautschuk durch Heißluftvulkanisation. Die Extrusion nimmt unter den formgebenden Verfahren in der Kautschuktechnik eine Sonderstellung ein, da der überwiegende Teil der Kautschukmischungen während der Verarbeitung zumindest einmal extrudiert wird. Mit dieser Technologie werden sowohl Fertigprodukte als auch Halbzeuge produziert. Zudem werden Extruder in der Aufbereitung, zur Ausformung von Fellen oder zum Pelletisieren eingesetzt. Bei der Heißluftvulkanisation werden die Extrudate dann durch Vernetzung vom plastischen in den elastischen Zustand überführt. Dabei wird das Vulkanisat durch einen Heißluftkanal transportiert und mithilfe thermischer Energie vernetzt.

Die Forschung im Bereich der Kautschuktechnologie basiert auf simulativen und experimentellen Methoden. Für die experimentellen Untersuchungen steht ein 32 mm Kautschukextruder der Firma Rubicon und ein 60 mm Stiftextruder von Troester zur Verfügung. Letzterer stellt einen Prototyp für die Hochgeschwindigkeitsextrusion dar.

Kautschukextrusion

  • Hochgeschwindigkeitsextrusion
  • Mischverhalten von Stiftextrudern
  • CFD-Simulationen
  • Thermisches Prozessverhalten

Vernetzung von Kautschuken

  • Optimierung der Heißluftvulkanisation
  • CFD-Simulationen
Halbleitergestützte Mikrowellenvernetzung von Kautschukextrudaten

Hochleistungskautschuke sind der Grundwerkstoff, aus dem diverse Gummiprodukte wie Reifen, Riemen oder Schläuche hergestellt werden. Ein Großteil wird in der Extrusion von Gummiprofilen verarbeitet, die in zahlreichen Branchen wie der Automobilindustrie, Medizin-, Elektrotechnik und im Maschinenbau eingesetzt werden. Diese Profile werden primär zum Abdichten von zwei oder mehr Komponenten (z.B. bei Türen, Deckeln) oder auch zum Trennen von Flüssigkeiten (z.B. Kühlmittel) genutzt.
Die ständig wachsenden Werkstoffanforderungen und steigenden Komplexitäten sowie Entwicklungen von Werkstoffrezepturen erfordern Anpassungen in den Produktionsverfahren, da sich bei der Verwendung herkömmlicher Vulkanisationsverfahren inhomogene Temperaturen und Vernetzungsgrade ausbilden.

Im Laufe des Projekts soll die Steuerung einer halbleitergestützten Mikrowelle realisiert werden, welche ein über den Querschnitt homogenes Erwärmungsprofil erzeugt. Dies ermöglicht eine Verringerung der eingebrachten Primärenergie in das Extrudat. Des Weiteren soll das Mikrowellenverfahren die Vulkanisationsqualität durch eine möglichst homogene Erwärmung des gesamten Querschnitts steigern und für die Vernetzung von möglichst vielen Kautschukprofilen und Werkstoffen anwendbar sein.

Genauer Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier: Projektbericht

Simulative Auslegung von Kautschukextrusionswerkzeugen unter Berücksichtigung der Belastungshistorie im Extruder sowie Fließanomalien

Die Bestimmung der Materialparameter, welche für numerische Simulationen von Kautschukextrusionsprozessen erforderlich sind, basieren auf laboranalytischen Methoden, wodurch der Einfluss der Scherhistorie auf das Material im Extrusionsprozess vernachlässigt wird. Kautschukmischungen neigen zudem in Abhängigkeit der Mischungszusammensetzung zu Fließanomalien wie Wandgleiten. Die Vernachlässigung dieser Effekte führt zu ausgeprägten Abweichungen zwischen Simulation und Praxis. Ziel des Forschungsprojektes ist die Verbesserung der analytischen und simulativen Methoden zur Auslegung von Kautschukextrusionswerkzeugen durch empirisch ermittelte Korrekturfaktoren und Kennfelder.

Zur Bereitstellung dieser werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an EPDM-Kautschukmischungen mit variierendem Rußgehalt mittels Extrusionsrheometern auf zwei Kautschukextrudern unterschiedlicher Größe (Ø 32 mm, Ø 60 mm) durchgeführt. Durch Verwendung von zwei Schneckengeometrien (Fördergewinde, Schnecke mit Stegdurchbruch) wird bei vergleichbaren Prozessbedingungen der Einfluss der Belastungshistorie auf die Fließeigenschaften berücksichtigt. Zur Ermittlung der Gleitgeschwindigkeiten werden verschiedene Ansätze aus der Literatur hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und ein Kennfeld zur Berücksichtigung von Gleiteffekten in Abhängigkeit vom Rußgehalt, der Temperatur sowie der Belastungshistorie aufgestellt. Neben Wandgleiteffekten neigen Kautschukmischungen ebenfalls zu ausgeprägten nicht-isothermen Effekten. Hierfür werden im Rahmen der Untersuchungen die Austrittstemperaturen der Extrudatstränge mittels IR-Wärmebildkameras erfasst. Durch die Entwicklung eines analytischen Berechnungsmodells erfolgt die Abschätzung der Extrudataustrittstemperatur.

Die numerischen Strömungssimulationen werden mit der Open-Source Software openFOAM durchgeführt. Die Simulationen werden anschließend in experimentellen Untersuchungen validiert und die Ergebnisse in einem Leitfaden dokumentiert.

Genauer Informationen zu diesem Projekt finden Sie hier: Projektbericht

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Kontakt

Dr.-Ing. Matthias Hopp

Kunststofftechnologie und Kunststoffverarbeitung

Oberingenieur

Matthias Hopp
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