Разработки в области моделирования процесса экструзии

Программное обеспечение для моделирования (симулирования) поведения пластмасс часто ассоциируется с процессом литья под давлением. Однако при процессах экструзии также возникают проблемы, такие как подтекание расплава в экструзионной головке, которые можно прогнозировать с помощью программ симуляции на стадии проектирования экструзионных изделий.

Американская компания Plastic Flow (www.plasticflow.com) разработала программу для оптимизации конструкции экструзионной головки, которая позволяет улучшать конструкцию головки для получения профилей квадратной формы с неравномерной толщиной стенки. Программа была успешно использована для оптимизации конструкции головки, в частности плоскощелевой листовой головки, и позволила обеспечить однородность распределения скорости расплава на выходе из оснастки и обеспечить необходимую разницу давления материала внутри головки.

Программа для трехмерного моделирования течения материала в экструзионной головке дает возможность конструкторам точно корректировать форму оснастки до начала ее производства. За счет этого можно на 40–50% уменьшить время, необходимое на разработку инструмента. Такую информацию представил Махеш Гупта (Mahesh Gupta), президент Plastic Flow и профессор в области машиностроения Мичиганского технологического университета.

«Однако пока программы виртуальной симуляции позволяют получать только результаты симуляции процесса течения. Получив их, конструктор вынужден сам изменять геометрию головки на базе своих знаний и опыта», – заявил он в прошлом году на конференции Antec. Специалист уточнил, что новая программа исключает необходимость проведения «виртуальных экспериментов методом проб и ошибок». После каждого цикла симуляции программа сама улучшает геометрию и запускает цикл симуляции снова. Такое циклическое улучшение геометрии инструмента по результатам симуляции течения расплава продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равномерное распределение скоростей движения полимера на выходе из головки.

Руководитель подчеркнул, что программа исключает необходимость участия конструктора в процессе улучшения головки после каждого цикла симуляции, что позволит сократить время, необходимое на разработку экструзионных головок. Перед оптимизацией экструзионной головки происходит параметризация ее геометрии. То есть различные размеры оснастки определяются как переменные параметры, которые можно изменять для модифицирования геометрии инструмента. Эта стадия осуществляется в программе SolidWorks, поскольку геометрию головок для производства сложных профилей трудно разбить на простые элементы, такие как призмы и параллелепипеды.

Параметризованная геометрия головки, созданная в пакете SolidWorks, загружается в программу PolyXtrue фирмы Plastic Flow для симуляции процесса течения расплава в инструменте. PolyXtrue поставляется в качестве дополнительного пакета к программе SolidWorks. При оптимизации с помощью программы головки для получения квадратного профиля был получен канал для течения с постепенно изменяющимся поперечным сечением тонкостенного квадрата. Головка была использована для экструдирования профиля из АБС-пластика. Тонкая выходная щель в головке была разделена на два различных участка: в последней плите оснастки вблизи выхода из инструмента горизонтальные стенки имели размер 2 мм, а вертикальные – 1,5 мм. Длина (ширина) последней плиты головки составляла 1 см. Внешнее поперечное сечение промежуточной плиты оснастки оказалось почти таким же, как и в последней плите. Однако ширина горизонтальных и вертикальных стенок (щелей) в промежуточной плите корректировалась для того, чтобы обеспечить сбалансированный выход расплава из головки. Длина (ширина) промежуточной плиты (2 см) при проведении оптимизации сохранялась постоянной.

Как и ожидалось, в более широких горизонтальных зазорах (2 мм) в последней выходной и промежуточной плитах скорость движения расплава оказалась выше, чем в более узких вертикальных зазорах. Программа симуляции использовалась для балансировки скорости потока расплава на выходе из инструмента за счет изменения ширины горизонтальных и вертикальных зазоров в промежуточной плите головки.

Для увеличения скорости движения расплава в вертикальных участках программа увеличила ширину вертикальных зазоров в промежуточной плите с 1,5 до 2,02 мм, в то время как ширина горизонтальных зазоров в промежуточной плите была уменьшена с 2 до 1,69 мм. «Такая программа позволит уменьшить время разработки экструзионных головок более чем на 50%», – заметил Гупта.

Виртуальное улучшение
Компания Compuplast (www.compuplast.com) добавила два модуля в свою программу Виртуальной лаборатории экструзии (Virtual Extrusion Laboratory, VEL). Этот продукт позволяет симулировать процесс экструзии разных изделий. Модули 3D Shell Simulation и 3D Profile Die были интегрированы в версию 6.9 программного обеспечения. Компания заявляет, что в новых модулях используются принципы интерактивности (необходимо введение параметров геометрии и процесса) и применяются подходы двумерных и трехмерных расчетов с применением методов конечных элементов (FEM).

Compuplast заявляет, что модули позволяют получать результаты за несколько минут и содержат инструменты, которые могут анализировать состояние расплава и отображать все расчеты в среде 3D Visual Studio. Модуль 3D Profile Die подходит, в частности, для оптимизации инструментов для получения профилей, которые имеют крупные размеры каналов по сравнению с размером адаптера, или продуктов сложной формы. Модуль может отображать результаты анализов входного и выходного поперечного сечения в виде двумерных изображений, а также областей между ними – в виде полностью трехмерных изображений. Компания Agfiss (www.agfiss.de), представляющая интересы Compuplast в Германии, Австрии и Швейцарии, заявляет, что программа быстро и точно рассчитывает корректную геометрию инструмента.

Моделирование процесса переработки силикона
Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM; www.tum.de) в Германии рассчитали идеальные условия для экструдирования трубок из жидкого силиконового каучука (LSR). В своей работе исследователи предложили формулу для расчета скорости течения расплава при процессе экструзии силикона с одновременным его отверждением в головке. Таким образом, специалисты описали процесс математически, что позволяет оценивать возможности такой технологии. Для оценки достоверности подхода было проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными.

Процесс экструзии силиконов применяется для получения сложных изделий, таких как медицинские трубки. Для получения таких изделий необходимо использовать материал, обладающий радиационной, химической и термостойкостью, и при этом характеризующийся физиологической инертностью и эластичностью.

Несшитые силиконы должны обладать достаточной вязкостью, для того чтобы стабильными сохранялись размеры получаемого экструдата. Даже при высоких значениях вязкости размеры получаемых изделий имеют ограниченную точность. При предложенном процессе экструзии вулканизация экструдата происходит внутри головки, в то время как при традиционных процессах вулканизация происходит на последующих станциях.

«Процесс отверждения внутри головки не типичен для технологии экструзии силиконов, однако он расширяет возможности метода. Такой подход позволяет расширять номенклатуру экструдируемых изделий и использовать для производства специализированные марки силиконов, – заявил Мириам Хаэрст (Miriam Haerst) на конференции Antec. – Расчетный метод дает возможность оценить влияние различных параметров и еще больше оптимизировать процесс производства».

Модель расчета, примененная исследователями, используется для четырех различных случаев: экструзия с использованием и без применения дорна, а также с отверждением внутри и снаружи инструмента. Соответствующие системы уравнений для каждого случая были решены в программе Matlab с помощью метода градиентного спуска с доверительным интервалом. Были проведены физические эксперименты при значениях температуры головки до 200 °C с переменной частотой вращения привода не более 2 Гц. Результаты были отображены в виде графической зависимости массового потока силикона.

Исследователи сделали вывод, что расчетная модель подтверждает влияние на процесс некоторых параметров и в будущем может использоваться для моделирования процесса экструзии жидкого силиконового каучука. Однако специалисты заявили: «Пока она не сможет полностью заменить подход, предусматривающий проведение экспериментов».

Графическая детализация
Исследователи из Университета Мино (University of Minho; www.uminho.pt/PT) из Португалии использовали устройство обработки графических данных (GPU) для улучшения процесса проектирования профильных экструзионных головок сложной формы. Результаты исследования были опубликованы в издании International Polymer Processing. Для таких расчетов обычно необходимо много времени, однако исследователям удалось проводить параллельную обработку цифрового кода в устройстве GPU с помощью простых принципов программирования. Такая схема не требует сложных манипуляций с памятью устройства. Для проверки метода было проведено моделирование трех эталонных тестовых задач.

Код был использован для проектирования двух реальных экструзионных головок – для производства трубок для медицинских катетеров и для производства профилей из древесно-полимерных композитов (ДПК). Исследователи заявляют, что одна из основных проблем при проектировании экструзионных головок – достижение сбалансированного течения материала во всех каналах инструмента. Цифровые коды могут помочь решить эту проблему, сократив число проб по выявлению оптимальной конструкции. Такой инструмент моделирования может помочь конструктору улучшить геометрию канала экструзионной головки – либо за счет проведения экспериментов на базе анализа цифровой информации, либо путем использования автоматических алгоритмов, которые сами ищут оптимизированную геометрию.

В медицинских катетерах может предусматриваться несколько продольных каналов («просветов») различного диаметра. Катетеры имеют постоянное поперечное сечение и экструдируются из марок материалов медицинского назначения. Исследователи изготовили пятиканальный катетер из гомополимерного ПП марки Novolen PPH 2150 фирмы Targor. Для балансировки выходного потока материала рассматривалась возможность размещения каналов в различных точках. Для каждого расчета требовалось примерно 17 ч работы обычного центрального обрабатывающего устройства (CPU) и менее чем 3 ч работы графического устройства GPU.

Специалистами был также оптимизирован режим течения материала в головке, предназначенной для переработки ДПК. С помощью нового подхода время, необходимое для проведения расчетов, сократилось примерно с 7,5 до 1,25 ч. Для полной оптимизации нужно совершить пять циклов. Общее время, затрачиваемое на такие действие, сократилось с 38,5 до 5,5 ч. Результаты говорят о том, что даже за счет простой параллельной обработки информации время, необходимое для проведения расчетов, можно существенно сократить для обоих типов экструзионных головок. «Важно отметить, что такие результаты были получены без сложных манипуляций с памятью устройства обработки графической информации. В будущем в этой области можно достичь еще более весомые результаты», – заявили исследователи.

Моделирование охлаждения
На прошлогоднем мероприятии Antec в США Кенни Соул (Kenny Saul) из компании SHS Plus (www.shs-plus.de) заявил делегатам, что программа симуляции Chillware, разработанная его фирмой, может применяться для диагностики проблем с прогибом или сплющиванием концов труб. Основу системы составляют методы конечной разности и конечных элементов. Она позволяет рассчитывать параметры процесса охлаждения, время кристаллизации и характер распределения остаточных напряжений в готовом продукте. Прогиб происходит вследствие разницы температур между внутренней и внешней поверхностями стенки трубы. В зоне калибровки материал внешнего слоя быстро охлаждается и застывает. Однако из-за низкого значения коэффициента теплопроводности полимера материал внутреннего слоя остывает медленнее, и для его охлаждения требуется намного больше времени. На этом фоне и происходит прогиб трубы. Для анализа ситуации была оценена секция охлаждения экструзионной линии, а затем в компьютерной программе была смоделирована виртуальная секция охлаждения.

Программа рассчитывает точку, в которой может происходить прогиб, и предлагает способ решения возможной проблемы. Например, она может предложить решение по снижению времени прогиба за счет корректировки температуры охлаждающей воды. Она также может оценивать эффективность системы охлаждения внутренней части трубы. В том случае если труба деформируется, причиной этого часто является неравномерность ее охлаждения. В таком случае изделие может подвергаться короблению. И снова, для минимизации величины остаточных напряжений, программа может корректировать параметры охлаждения.

Соул заявил, что в этом случае значительное влияние на систему могут оказывать температура охлаждающей воды и расстояние между емкостями с охлаждающей жидкостью. Специалист отметил один практический пример, в котором программа предложила увеличить температуру охлаждающей воды с 12 °C до 16 °C и добавить в линию дополнительную станцию воздушного охлаждения.