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Automatisierte Auslegung von Extrusionswerkzeugen

Saul, Kenny

Die Auslegung von Extrusionswerkzeugen ist ein zeitintensiver Prozess der ein hohes Maß an Erfahrungswissen erfordert. Der Einsatz von CFD-Systemen zur Simulation der Strömung einer Kunststoffschmelze innerhalb eines Extrusionswerkzeuges findet zunehmend Anwendung in Forschung und Industrie und stellt eine wichtige Erweiterung der Möglichkeiten bei der Extrusionswerkzeugauslegung dar. Ziel dieser Arbeit ist die integrative Kopplung verschiedener Softwaresysteme zur vollständig automatisierten Auslegung eines Wendelverteiler-Extrusionswerkzeuges auf der Basis eines parametrischen, assoziativen 3D-CAD-Modells. Zur Auswertung der verschiedenen Designvorschläge wird das Ziel formuliert, ein automatisiert kalkulierbares, skalares Zielkriterium (Die Quality Criterion) zur Beschreibung der Werkzeugqualität einzuführen. In einer manuellen computergestützten Optimierung eines prototypischen Radialverteilerwerkzeuges für die Blasfolienextrusion werden zunächst Auswertemethoden erarbeitet, die eine spätere automatisierte Auslegung auf der Basis skalarer Kennwerte erlauben. Diese Auswertegrößen beschreiben als skalaren Kennwert produktqualitätsrelevante Parameter wie die Wanddickenverteilung des Extrudates, den Winkel der Schmelzeüberlappung sowie den Druckverlust, die Betriebspunktabhängigkeit und die Spülbarkeit des Werkzeuges. Darüber hinaus wird ein Indikator für das Auftreten von Schmelzebruchphänomenen eingeführt. Die Abbildegenauigkeit der formulierten Qualitätskennwerte wird anhand eines manuell ausgelegten, prototypischen Radialverteilerwerkzeuges in realen Praxisversuchen verifiziert. Die Abbildegenauigkeit ist hoch, der Fehler liegt im vernachlässigbaren Bereich. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit wird ein Ablauf implementiert, der die zuvor manuell durchgeführten Schritte automatisiert bearbeitet. Dazu werden verschiedene Softwaresysteme integrativ gekoppelt. Ein übergeordnetes Softwaresystem steuert auf der Basis implementierter Programmroutinen die verschiedenen Prozessschritte der Geometrievariation, Ableitung und Diskretisierung des Fluidvolumens, Preprocessing, Solving, Postprocessing, Ergebnisinterpretation und der Berechnung eines Werkzeugqualitätskriteriums. Neue Geometrievorschläge werden durch ein heuristisches Optimierungsverfahren vorgeschlagen, so dass der Prozess iterativ bis zur Erreichung eines Abbruchkriteriums vollständig automatisiert abläuft. Als zu optimierendes Wendelverteilerwerkzeug wird eine real existierende Werkzeuggeometrie eingesetzt. Die Basiskonfiguration des Wendelverteilers wird vorgegeben. Der Spaltweitenverlauf sowie der Wendeltiefenverlauf werden dem Optimierungssystem als Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt. Der Optimierungsautomatismus errechnet voll automatisiert und ohne Benutzereingriff einen optimalen Geometrievorschlag für den Spaltweiten- und Wendeltiefenverlauf und gibt diesen als Optimierungsergebnis aus. Der Automatismus löst die gestellte Optimierungsaufgabe robust und ohne Unterbrechungen. Der vorgeschlagene Optimal-Verlauf entspricht manuellen Auslegungen dieser Art von Verteilsystemen, so dass eine hohe Abbildegenauigkeit des Automatismus unter Berücksichtigung der gewählten Gewichtungsfaktoren verifiziert werden kann. Das zuvor definierte Ziel der Arbeit gilt damit als erreicht. Im Weiteren werden Ergänzungs- und Verbesserungsmöglichkeiten des implementierten Automatismus vorgeschlagen und in Berechnungsversuchen untersucht. Als Erweiterungsmöglichkeit wird eine Überarbeitung der Formulierung der Qualitätskriterien vorgeschlagen, die einen trigonometrischen Funktionsverlauf auf der Basis des Arcustangens vorsieht. Der Vorteil dieser Methode liegt in der Nicht-linearität der Qualitätskriterien, so dass kritische Grenzwerte definiert werden können, deren Verletzung zu einer starken Beeinflussung des Optimierungskriteriums führt. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass nach dem Erreichen eines Zielwertes eines speziellen Qualitätskriteriums keine kontinuierliche weitere Verbesserung dieses Wertes im Vordergrund steht.

The design of extrusion dies is a time consuming process with a huge necessity for practical knowledge. The use of CFD-Systems to simulate the flow behavior of polymer melts within an extrusion die is more and more introduced in research and industrial applications and has developed to an important area of application in the design of such systems. The goal of this research work is the integrative coupling of different software systems for fully automized design of a spiral mandrel die on the basis of a parameterized, associative 3D-CAD-model. To interpret the quality of the different design proposals the objective is formulated, to introduce an automatically calculable, scalar target criterion for the die quality (Die Quality Criterion - DQC). In a manual computer aided optimization of a prototype flat spiral die for the blown film extrusion, different scalar quality criteria are analyzed to prepare the automization. These criteria describe quality-relevant parameters such as the wall-thickness distribution of the extrudate, the angle of the weld-line overlapping as well as the pressure loss, the operation-state dependency or the purge behavior of the system. Additionally an indicator for the occurrence of melt fracture is introduced. The projection exactness of the different quality-criteria is verified in several practical tests by using a manual optimized prototype flat spiral die in a blown film extrusion line. The conformity of theoretically calculated values with real measurements is very high. In a second focus of this research work a process is implemented to perform the design of an extrusion die completely automized. Therefore different software-systems are coupled integratively. A superior master system steers different partial functions (geometry-variation, flow-volume-extraction, discretization, preprocessing, solving, postprocessing, and interpretation) on the basis of implemented program routines and calculates a die quality criterion. New design proposals are suggested by a heuristic optimization algorithm, so that this process is running in an iteration loop until the optimum is found or termination criteria are reached. For the validation of the optimization-procedure, existing spiral mandrel die geometry is used. The basis configuration of this die is predefined. The gap width and the spiral depth are used as degrees of freedom for the optimization system. The automized procedure calculates an optimal design proposal independent on user interactions. This optimization task is solved robustly and without interruptions. The design proposal corresponds very well with manual design studies of such distributor systems so that the correctness of the solution can be verified. The predefined goal of this research work is reached. Further extension- and improvement-possibilities of the implemented automization procedure are discussed and analyzed in different optimization-runs. To improve the procedure a new formulation of the quality criteria is discussed based on a trigonometric instead of linear formulation.

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Saul, Kenny: Automatisierte Auslegung von Extrusionswerkzeugen. 2011.

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