Influence of Process and Material Parameters on the Draw Resonance Instability

Der Einfluss von Prozess- und Materialparametern auf die Draw Resonance Instabilität

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-89235
  • In this work, the influence of process and material parameters on the draw resonance instability in film casting and fiber spinning is investigated both theoretically and experimentally. Draw resonance generally occurs if the draw ratio, i.e., the ratio of outlet to inlet velocity, exceeds a critical value, and manifests itself in steady oscillations of the flow velocity and the geometric properties of the fibers and films. Several Newtonian and viscoelastic models for film casting and fiber spinning are derived and the critical draw ratio is determined by means of linear stability analysis in order to investigate the influence of various effects like gravity, inertia, neck-in and strainIn this work, the influence of process and material parameters on the draw resonance instability in film casting and fiber spinning is investigated both theoretically and experimentally. Draw resonance generally occurs if the draw ratio, i.e., the ratio of outlet to inlet velocity, exceeds a critical value, and manifests itself in steady oscillations of the flow velocity and the geometric properties of the fibers and films. Several Newtonian and viscoelastic models for film casting and fiber spinning are derived and the critical draw ratio is determined by means of linear stability analysis in order to investigate the influence of various effects like gravity, inertia, neck-in and strain hardening on draw resonance. Moreover, physical mechanisms underlying the instability are revealed and alternative stability criteria are reviewed and extended. Employing control parameters with strong connection to practical application, the results are visualized in stability maps, which enable both a quick determination of the critical draw ratio and a partition of the parameter space into several dynamical regimes. The theoretical results are completed by an experimental study on draw resonance in fiber spinning. Using an effective relaxation time, the measured critical draw ratios can be well described by the theoretical predictions.show moreshow less
  • n dieser Arbeit wird der Einfluss von Prozess- und Materialparametern auf die Draw Resonance Instabilität bei der Folienextrusion und beim Faserspinnen sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Draw Resonance tritt im Allgemeinen auf, wenn das Abzugsverhältnis, also das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsgeschwindigkeit, einen kritischen Wert überschreitet und äußert sich durch permanente Oszillationen in der Fließgeschwindigkeit und den geometrischen Eigenschaften der Fasern und Folien. Mehrere newtonsche und viskoelastische Modelle für die Folienextrusion und das Faserspinnen werden hergeleitet und das kritische Abzugsverhältnis wird mittels linearern dieser Arbeit wird der Einfluss von Prozess- und Materialparametern auf die Draw Resonance Instabilität bei der Folienextrusion und beim Faserspinnen sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Draw Resonance tritt im Allgemeinen auf, wenn das Abzugsverhältnis, also das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsgeschwindigkeit, einen kritischen Wert überschreitet und äußert sich durch permanente Oszillationen in der Fließgeschwindigkeit und den geometrischen Eigenschaften der Fasern und Folien. Mehrere newtonsche und viskoelastische Modelle für die Folienextrusion und das Faserspinnen werden hergeleitet und das kritische Abzugsverhältnis wird mittels linearer Stabilitätsanalyse bestimmt, um den Einfluss verschiedener Effekte wie Gravitation, Trägheit, Neck-in und Dehnverfestigung auf die Draw Resonance zu untersuchen. Außerdem werden der Instabilität zu Grunde liegende physikalische Mechanismen aufgezeigt und alternative Stabilitätskriterien überprüft und erweitert. Unter Verwendung von Kontrollparametern mit engem Bezug zur praktischen Anwendung werden die Ergebnisse in Stabilitätskarten dargestellt, die sowohl eine schnelle Bestimmung des kritischen Abzugsverhältnisses als auch eine Aufteilung des Parameterraums in verschiedene dynamische Regimes ermöglichen. Die theoretischen Ergebnisse werden durch eine experimentelle Untersuchung der Draw Resonance beim Faserspinnen vervollständigt. Mit Hilfe einer effektiven Relaxationszeit können die gemessenen kritischen Abzugsverhältnisse gut durch die theoretischen Vorhersagen beschrieben werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Mathias Bechert
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-89235
ISBN:978-3-96147-067-9
Series (Volume number):FAU Studien Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (17)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Advisor:Dirk W. Schubert, Benoit Scheid
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/10/26
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/07/31
Release Date:2017/11/02
Tag:Faserspinnen; Fließinstabilität; Folienextrusion; Lineare Stabilitätsanalyse; Nichtlineare Dynamik; Polymerverarbeitung; Prozessmodellierung; Viskoelastizität
Draw Resonance Instability; Fiber Spinning; Film Casting; Flow Velocity; Viscoelasticity
SWD-Keyword:Chemiefaser; Folienherstellung; Instabilität; Lineare Stabilitätstheorie; Mathematische Modellierung; Nichtlineare Dynamik; Polymerschmelze; Viskoelastische Flüssigkeit
Pagenumber:vii, 250 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-066-2
Institutes:Technische Fakultät / Department Werkstoffwissenschaften
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Mechanik der Fluide; Mechanik der Flüssigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell-KeineBearbeitung