Leseprobe Extrusion

 Extrusion – Auslegung und Prozesssimulation
Extrusion – Design and process simulation
Computergestützten Simulationen von Fertigungsprozessen, Halbzeugen oder Bauteilen kommt eine immer
größere Bedeutung zu. Durch die Simulation möchte
man Geld, Zeit, Material oder Energie sparen, die
Produktqualität erhöhen und dem eigenen Unternehmen einen technologischen oder wirtschaftlichen
Vorsprung verschaffen. Im Bereich der Simulation von
Extrusionsprozessen arbeitet das IKV intensiv an der
Erprobung von Methoden, um Fließvorgänge im Extruder sowie im Werkzeug zu analysieren. Neben der
klassischen Folien-, Platten- und Profilextrusion werden
auch Weiterverarbeitungsverfahren, wie z. B. das
(Streck)-Blasformen berücksichtigt.
Today, there is growing interest in computer-aided
simulations of production processes, semi-finished
parts and final products. There are many advantages
of numerical analyses: costs can be reduced, time,
resources or energy can be saved and product quality
can be enhanced. This brings both technological and
economic advantages for the company. In the
simulation of extrusion processes, IKV is working on
the testing and validation of methods for the analysis
of flow phenomena in extruders and extrusion dies.
Besides conventional film, sheet and profile extrusion,
further processing processes - e. g. stretch blow
moulding - are considered.
Hierzu wird einerseits kommerzielle Finite-ElementeSoftware wie Polyflow, Fluent oder Abaqus eingesetzt, um detaillierte Einblicke in Prozesse zu erhalten, die der experimentellen Beobachtung
verschlossen bleiben. Andererseits werden aber
auch eigene, hoch spezialisierte Softwarelösungen
erarbeitet, um z. B. besonders effizient Extrusionsblasköpfe auslegen zu können (Bild 1).
In order to gain an insight into processes or
process details that are barely accessible for
experimental observations, commercially available
finite element software (e. g. Polyflow, Fluent,
Abaqus) is employed. In addition, highly
specialised software solutions developed at IKV
are implemented and tested; e. g. for very fast and
efficient die design studies of extrusion blow
heads (Figure 1).
Folgende Forschungsschwerpunkte adressierte das
IKV im Jahr 2012:
The following research topics were addressed by
IKV in 2012:
Schneckenauslegung mit 3D-FVM
Das Aufschmelzen ist eine der Hauptaufgaben eines
Extruders. Die Länge der Aufschmelzzone, eine
entscheidende Kenngröße für die Leistung eines
Extruders und damit der Qualität der Schmelze, ist
jedoch aufgrund der Vielzahl an Einflussgrößen nur
schwer vorhersagbar.
Screw design using 3D-FVM
One of the major tasks of a plasticising extruder is to
melt the polymer. The length of the melting zone – a
critical parameter for the performance of an extruder,
and thus the quality of the melt – is difficult to predict
due to the large number of variables.
Entwicklung einer ganzheitlichen Simulations-Software für mehrstufige Blasköpfe (Bild 1)
Development of a holistic simulation software for multi-level blow heads (Figure 1)
Ableiten eines Netzwerkes
Schmelze
Derivation of a network
Schmelze
Polymer melt
Polymer melt
Vorverteilung
Pre-distribution
Kleiderbügelverteiler
Coathanger section
Verwischgewinde
Spiral mandrel section
Düse
Outlet
Werkzeugaustritt (kreisringförmig)
Die outlet (circulatoutflow)
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IKV Jahresbericht/Annual Report 2012
Eine einfache Hilfestellung bietet eine am IKV entwickelte Simulationsmethode. Um das Aufschmelzen
eines Feststoffbetts in einer Strömungssimulation zu
berücksichtigen, wählten die IKV-Wisssenschaftler
einen Ansatz, bei dem sie das Feststoffbett als ein
Fluid mit sehr hoher Viskosität betrachteten. Die
Aufschmelzvorgänge in 3-Zonen-Schnecken und auch
in komplexen Barriereschnecken konnten so bereits
erfolgreich berechnet werden. Das IKV analysiert
zudem den Einfluss der Umströmung des Feststoffbettes sowie der Rückströmung über die Schneckenstege. Durch eine Variation von Schneckengeometrie
oder Betriebsparametern kann das Aufschmelzverhalten gezielt beeinflusst werden. So kann z. B.
der optimale Heiz- bzw. Kühlbedarf bestimmt oder
der Einfluss von Schneckenverschleiß auf die Extruderleistung abgebildet werden. Der Feststoff- und
Schmelzekanal kann damit optimal auf das zu verarbeitende Polymer ausgelegt werden. Zusammenfassend führen diese Untersuchungen zu einer
Verkürzung der Entwicklungszeit und zu einer
besseren Schneckenqualität (Bild 2).
Optimierung von Profilwerkzeugen
und Blasköpfen
Im Bereich der Extrusionswerkzeuge nahm das IKV
den iterativen Prozess der Profilwerkzeugherstellung
in den Fokus. Ein Großteil an Zeit und Kosten beim
Produktionsstart wird auf aufwändige, iterative
Einfahrversuche verwendet.
Numerische Berechnungen und automatische
Optimierungsalgorithmen können aber zu einer
A simulation method developed at IKV provides
support with the design of the melting zone. This
approach involves regarding the solid bed as a highviscosity fluid. With the help of this simulation
method, the melting performance of a three-zone
screw and even more complex geometries such as a
barrier screw can be calculated. The influence of the
flow around the solid bed and the backflow over the
screw flights can be observed and analysed. By
changing relevant operating conditions and/or
parameters of the screw geometry, its effect on the
melting behaviour can be examined. With this
method, it is possible to determine the optimum
cooling and heating requirements or to investigate
the influence of excessive wear of the screw on the
performance of the extruder. The solid and melt
channel of barrier screws can then be optimally
designed to suit the behaviour of the processed
material. Summarising, these studies help to reduce
development times and improve extruder
performance (Figure 2).
Optimisation of profile dies and
blow heads
In the field of extrusion dies, IKV focused on the
iterative process of profile die manufacturing. Timeconsuming, iterative running-in trials cause high costs
when setting up a new profile extrusion die.
However, numerical calculations and automatic
optimisation algorithms can contribute to a significant
reduction in downtime. The choice of a suitable
starting geometry and the definition and release of
3D-Simulation des Aufschmelzverhaltens in einem Einschneckenextruder (Bild 2)
3D-simulation of the melting behavior in a single screw extruder (Figure 2)
Barriereschnecke in 3D
Barrier screw in 3D
11D
Extrusionsrichtung
Extrusion direction
1D
3D Darstellung des Feststoffbettes
3D visualisation of the solid bed
Druckverteilung über der Schnecke
Pressure drop along the screw
Feststoffbett
Solid bed
Schmelze
Polymer melt
Viskositätsverteilung
Viscosity distribution
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Extrusion – Auslegung und Prozesssimulation
Extrusion – Design and process simulation
deutlichen Reduktion der Einfahrzeiten beitragen.
Der Wahl einer geeigneten Startgeometrie sowie der
Definition und Freigabe von Geometrieparametern
kommen dabei eine große Bedeutung zu, um
qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.
In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für computergestützte Analyse technischer Systeme (CATS) der
RWTH Aachen wurde eine Softwarelösung erarbeitet
und erfolgreich für die Berechnung von Strömungsvorgängen in Profilwerkzeugen eingesetzt. In Kooperation mit der Döllken Kunststoffverarbeitung GmbH
wurde die Vorgehensweise an einer realen Sockelleiste getestet. Die Erfahrungen und Routine der
Experten von Döllken konnte die Software bisher
noch nicht übertreffen, jedoch wurden bereits äußerst
vielversprechende Ergebnisse erzielt. Auf dieser
Grundlage entwickeln die IKV-Wissenschaftler die
Software im Exzellenzcluster „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“ der RWTH Aachen in
Kooperation mit dem CATS in den nächsten fünf
Jahren weiter, indem dieses Expertenwissen bei der
Definition der Startgeometrie berücksichtigt wird,
um auf diese Weise die Anzahl der notwendigen
Iterationen weiter zu reduzieren (Bild 3).
Darüber hinaus entwickelt das IKV eine eigene,
hochspezialisierte Softwarelösung für die numerische
Berechnung der Strömungsvorgänge in Blasköpfen
z. B. für das Extrusionsblasformen, aber auch für die
Rohr- oder Blasfolienextrusion. Um in möglichst
kurzer Zeit eine hohe Anzahl unterschiedlicher
Geometrievarianten berechnen zu können, basiert
Automatische Optimierung einer Sockelleiste (Bild 3, CATS)
Automatic optimisation of a skirting die (Figure 3, CATS)
Vorbereitung der Fließkanalgeometrie:
Pre-processing of the flow channel geometry:
Automatische Optimierung zur Homogenisierung des
Geschwindigkeitsprofils am Werkzeugaustritt:
Homogenisation of the velocity distribution at the die outlet by
automatic optimisation:
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geometry parameters are of great importance for
obtaining high-quality results.
In collaboration with the Chair for Computational
Analysis of Technical Systems (CATS) at RWTH
Aachen University, finite element software for the
calculation of flow phenomena in profile extrusion
dies has been developed and successfully used. In
cooperation with Döllken Kunststoffverarbeitung
GmbH, an extrusion die for a skirting was studied as
a test case and numerical results were validated
against experiments. Extremely promising results
have been achieved although the numerical studies
have not yet outperformed the experience and
routine of the Döllken experts. Consequently, the
scientists at IKV together with their colleagues from
CATS will continue to work on the development of the
software. During the next five years in the Cluster of
Excellence "Integrative Production Technology for
High-Wage Countries" of RWTH Aachen University,
expertise regarding the definition of the starting
geometry will be added in order to reduce the
number of required iterations (Figure 3).
Furthermore, IKV has developed highly specialised
software for the numerical calculation of the flow
processes in blow heads e. g. for extrusion blow
moulding, but also for pipe production or blown film.
In order to calculate a large number of different
geometry variants as quickly as possible, the
software is based on the proven methods of network
theory. The use of optimisation algorithms makes it
possible to automatically calculate several thousand