طراحي قالب كارا در روش اكستروژن

قسمت ۵
طراحي برش عمودي مستطيلي قلب اكستروژن با يك سوراخ
۱ـ۵ مقدمه
هدف از شبيه‌سازي CFD، معين كردن حالت بهينه شكل قالب شامل صفحه قالب و مقطع عرضي پين براي بدست آوردن ابعاد اكسترود خواسته شده از cm1*cm2 از بخش عبوري مستطيلي با يك سوراخ دايره‌اي از cm1/1 ضخامت براي مركز آن (شكل ۱ـ۵ را ملاحظه فرمائيد. براي بدست آوردن

اين اكسترود، يك خالي كردن، تقريباً بخش مسطتيلي، قالب برشي با يك انداختن شبيه يك پين در مركز آن مورد نياز است. آناليز عنصر محدود انجام شده يك گردش بولي را بكار مي‌گيرد يك كد عنصر محدود CFD تجاري. نتايج بدست آمده براساس اطلاعات مواد و موقعيتهاي فرآيند كه در قسمت ۳ داده شده بنا نهاده شده‌اند.

در بخش ۲ـ۵ علم هندسه مدل ارائه شده است. در بخش ۳ـ۵ يك توضيح مختصر از مدل عنصر محدود توسعه داده شده براي شبيه‌سازي ارائه شده است. اين استنباط شده بوسيله يك بازبيني متصل از نتايج اكستروژن در بخش ۴ـ۵٫ اين نتايج شامل يك بازبيني از اطلاعات در زمينه تندي برحسب زمان. فشار و دما مانند يك نقشه از سرعت برش و ويسكوزينه پليمر، همچنين شكلها در بخش ۴ـ۵ نتايج محاسبات سطوح آزاد و وارونه اكستروژنه هستند. بخش ۵ـ۵ تشريح مي‌كند اجزاء متفاوتي از قالبها و اهدافشان در جريان قالب نقشه چاپي آبي براي قالب طراحي شده در پيوست A داده شده است.
۲ـ۵ علم هندسه از مدل
قالب اكستروژن يك جريان پليمر زير فشار از ورودي تا خروجي نگه مي‌دارد. ورودي يك دايره است با قطر m055/0 كه با بخش عبوري خروج از لوله برابر است. پليمر از ميان بخشهاي تناوب و منشعب و اطراف عنكبوتها و از ميان تحول قالب دور نهايت از ميان سطح قالب جريان مي‌يابد (شكل ۲ـ۵ را ملاحظه فرمائيد). لبه قالب يك بخش مسطتيلي انحناءدار بي قاعده با عرض كاسته شده در وسط هست و پين از بخش عبوري شبيه انداخت هست. حتي با وجود آن مقطع عرضي اكسترود و لبه

قالب بالانس چهارتايي هستند. (شكل ۲ـ۵ را ملاحظه فرمائيد). بدليل عنكبوتي پيچيده و ساختار قالب تحول، شبيه‌سازي كردن نيمي از حوزه جريان واقعي لازم بود. شكل (۳ـ۵ را ملاحظه فرمائيد) هر چند تحليلهاي پارامتري مي‌تواند باشد و انجام شده باشد خيلي كارآمدتر بوسيله جريان شبيه‌سازي در سطح قالب و يا نواحي زيري قالب فقط با يك ربع از حوزه جريان واقعي بعلت بالانس كردن چهارتايي در آن ناحيه (شكل ۴ـ۵ را ملاحظه فرمائيد). حركت پولي براي شبيه‌سازي جريان قالب ۳ بعدي و انتقال گرما مثل جريان سطح آزاد mm25 پائين رود از انتهاي قالب بكار مي‌رود

(شكل ۵ـ۵ را ملاحظه فرمائيد). حوزه محاسباتي مانند شكل ۳ بعدي واقعي قالب و يك جريان سطح آزاد بعد از قالب جائيكه سرعت دوباره توزيع مي‌شود و كم شدن فشار در يك پائين رود فاصله كوتاه اتصال از انتهاي قالب اتفاق افتاده است. حوزه به چندين زير حوزه تقسيم شده است براي آسان كردن استفاده از موقعيتهاي مرز وابسته (شكل ۵ـ۵ را ملاحظه فرمائيد)

۳ـ۵ مدل عنصري محدود
بعلت هندسه ۳ بعدي پيچيده از قالب و رابطة غير خطي ميان ويسكوزيته پليمر و سرعت برش يك شبكه عنصري محدود وظيفه‌اي و داراي جزئيات توسعه يافته براي آسان كردن ثبات عددي از راه‌حل (شكل ۶ـ۵ را ملاحظه فرمائيد). آن شامل ۳۰۸۷۲ عنصر با شبكه مكعبي شاختاري در سطح قالب و سطوح آزاد و شبكه چهارضلعي غيرساختاري در بخش باقيمانده. شبكه ساختاري در سطح قالب و سطح آزاد كمتر از ۳۳/۰ است. بعد از بوجود آمدن شبكه عنصري محدود در گامبيت، مدل بيرون برد، شده براي اطلاعات پولي جائيكه اطلاعات مواد و وضعيت مرزي مشخص شده است.

۴ـ۵ شبيه‌سازي و نتايج تست حقيقي
۱ـ۴ـ۵ برجستگي قالب ـ تحليل ميزان حساسيت

تبعيت از پارامترهاي گوناگون روي برجستگي قالب زمانيكه جريان از ميان يك قالب با يك سوراخ دانسته براي اكستروژن مستقيم مي‌يابد. براي اين بررسي، فقط اجزاء سطح زيري، سطح قالب و سطح آزاد به حساب مي‌آيند، در شكل ۴ـ۵ نمايش داده شده است. هندسه متناسب است در مورد هر دو برنده فقط يك چهارم بخش از قالب محاسبه مي‌گردد. شبيه‌سازيهاي گوناگون انجام شده براي استفاده چركت پولي بوسيله تغيير حجم از يك پارامتر هنگاميكه ديگر ثابتها، ثابت نگه داشته شوند. مختصات اكسترود در شكل ۷ـ۵ نشان داده شده براي شبيه‌سازيهاي مختلف مقايسه شده است.

يك شبيه‌سازي بدون گرفتن حالت سكون در كار مؤثر اجرا شده و ديگر شبيه‌سازي بوسيله گرفتن حالت سكون كه هست كمتر از ۰۰۷/۰% در برجستگي قالب انجام شده است. مقاطع عرضي سرعت اغلب يكسان هستند براي دو مورد كه نمايش مي‌دهد كه نتيجه از حالت سكون براي جريانها در تعداد رينولد كم بي‌اهميت است. تعداد رينولدها براي جريانهاي پليمري در قالبهاي

اكستروژن بوش عمودي داده شده معمولاً كمتر از ۱ است. شبيه‌سازيهاي گوناگون انجام شده توسط تغيير هر حجم از توان از مدل كريو، ويسكوزيته سرعت برشي مبدأ، سرعت جريان توده، پارامتر انتقال و ثابت زماني هنگاميكه همة پارامترهاي باقيمانده ثابت نگه داشته مي‌شوند. زمانيكه توان در مدل ياسودا ـ كريو، n از ۲۵۳/۰ به ۵۳/۰ تغيير كرده است، تغيير در مختصات اكسترود بين ۸/۳% و ۴/۱۷% پيدا مي‌شود. اين نشان مي‌دهد كه توان يا شيب ويسكوزيته در برابر منحني

سرعت برش يك ثانيه بيشتري بر روي برجستگي قالب دارد. تأثير توان بر روي برجستگي قالب در شكل ۸ـ۵ نشان داده شده است.
زمانيكه حجم پارامتر انتقال از ۵/۰ تا ۲ تغيير كرده است كه بكار رفته در مدل كريو، تغيير در برجستگي قالب كه مشاهده شده كه كمتر از ۷/۲% بوده است. نتايج شبيه‌سازيهاي مختلف زمانيكه با استاندارد يكي در درصد مقايسه شده در جدول ۱ـ۵ نشان داده شده است.

۲ـ۴ـ۵ توانائي اكستروژن معكوس از جريان پولي
كارايي اكستروژن معكوس، پشكويي از ابعاد ورودي قالب زمانيكه مقطع عرضي خروجي مورد نظر داده شده است، بكارگيري نرم‌افزار جريان پولي توسط معكوس جريان و شبيه‌سازيهاي اكستروژن مستقيم از بين يك قالب با يك سوراخ تحليل شده است. شبيه‌سازيها توسط گرفتن فقط ؟؟ بخش از سطح قالب در امتداد با سطح آزاد اجرا شده‌اند. يك شبيه‌سازي توسط دادن حوزه خروجي

خواسته شده از ورودي اجرا شده و جريان پولي شبيه‌سازي اكستروژن معكوس را انجام مي‌دهد و شكل خروجي قالب مورد نياز از خروجي را مي‌دهد. بعد يك شبيه‌سازي توسط گرفتن حوزه لبه قالب اجرا شده بوسيله اكستروژن معكوس از ورودي و جريان پولي شبيه‌سازي اكستروژن مستقيم را انجام مي‌دهد. و شكل از حوزه اكسترود را مي‌دهد.

بعد. شكلها از بخش ورودي در شكل قالب‌گير و بخش خروجي در شكل دومي براي معتبر ساختن توانائي شبيه‌سازي اكستروژن معكوس از جريان پولي مقايسه شده‌اند. مختصات اكسترود در شكل ۷ـ۵ نمايش داده شده براي هر دوي شبيه‌سازيها مقايسه شده‌اند. نتايج ۲ شبيه‌سازي در ارتباط با درصد مقايسه شده‌اند در جدول ۱ـ۵ نمايش داده شده است. ابعاد معكوس حوزه اكسترود خواسته شده از ورودي در اكستروژن معكوس خيلي به ابعاد بدست آورده شده توسط اكستروژن مستقيم نزديك است با يك اختلاف درصد كمتر از ۲% كه نمايش مي‌دهد كه توانائي اكستروژن معكوس از جريان پولي خيلي خوب است.

۳ـ۴ـ۵ تبعيت از جريان مخالف روي مقطع عرضي اكسترود.
تعدادي شبيه‌سازيهاي اكستروژن مستقيم انجام شده براي تعيين اثر جريان مخالف بر روي مقطع عرضي اكسترود كرون، شبيه‌سازيهاي انجام شده توسط گرفتن سطح قالب (بخش۱)، سطح قالب، سطح زيري (بخش۱ و۲) و همه قالب (بخش‌هاي۱ و۲ و۳) همراه با سطح آزاد (شكل ۳ـ۵ را ملاحظه فرمائيد) و ابعاد اكسترود مقايسه شده‌اند. گنجايش از سطح زيري در شبيه‌سازيها نشان مي‌دهد يك اختلاف از ۵% در ابعاد از اكسترونهائي زمانيكه مقايسه كرد با شبيه‌سازيها بوسيله

گرفتن فقط سطح قالب كه نشان مي‌دهد كه سطح زيري بايد در شبيه‌سازيها شامل باشد. اما اختلاف در ابعاد از اكسترود فقط ۱% براي شبيه‌سازيهاي انجام شده با سطح زيري و سطح قالب و كل قالب هست كه نشان مي‌دهد كه شبيه‌سازيهاي پارامتري مي‌تواند انجام شده با سطح زيري و سطح قالب باشد اما براي نتايج دقيق‌تر كل قالب بايد درنظر گرفته شود.

۴ـ۴ـ۵ نتايج شبيه‌سازي اكستروژن معكوس
شبيه‌سازيها بر روي يك ۲٫۵۲ GHz, windowsكامپيوتر خانگي با رم GB-1 اجرا شده است. بر روي اين پلت فرم ۱۹ ساعت و ۳۶ دقيقه از زمان cpu براي بدست آوردن كل نتايج شبيه‌سازي معكوس نياز بوده است. جريان پولي مفيد بوده است براي انجام دادن شبيه‌سازي عددي از قالب اكستروژن، بكارگيري اطلاعات فرآيند و مدل عنصري محدود كه در بالا شرح داده شده است.
بعد نتايج يك پس‌انداز براي بكارگيري پست روان ملاحظه شده‌اند. شبيه‌سازيهاي اكستروژن براي هندسه قالب موجود و پارامترهاي فرآيند اكستروژن واقعي اجرا شده است. مقطع عرضي اكسترود با شبيه‌سازي بدست آمده شبيه شكل بدست آمده در طول اكستروژن واقعي هست.

مقايسه شكل ۹ـ۵ با شكل ۱۰ـ۵٫ در حدود ۵% انحراف در عرض و ارتفاع مي‌تواند با محدوديتهاي شبيه‌سازي حمايت شود به‌خوبي با نتايج از خنك كردن و پائين كشيدن كشش در طول اكستروژن واقعي.
طرح اكستروژن معكوس نيرومند از نرم‌افزار كاربردي CFD براي بدست آوردن يك سطح قالب محدود و مقاطع عرضي بين مركزي براي توليد يك اكسترود مستطيلي با يك سوراخ دايره‌اي در مركز آن مفيد بوده است.

ابعاد محصول هدف ۵% بزرگتر داده شده است براي جبران كردن براي پائين كشيدن و تأثيرات سرما در كاليبراتور و پائين رود دورتر. برنامه از برجستگي قالب تأثير مي‌گيرد بعلت كاهش سرعت از گداز در ناحيه سطح آزاد كه آن از قالب خارج مي‌شود و سطح قالب مورد نياز را محاسبه مي‌كند و مقاطع عرضي پين مركزي براي بدست آوردن ابعاد اكسترود خواسته شده بعد از خروج گداز از ناحيه سطح آزاد. مختصات لبه قالب شبيه‌سازي مفيد داده شده در ضميمه A را بدست آورد.
۱ـ۴ـ۴ـ۵ توزيع فشار

فشار يكي از پراهميت‌ترين مقادير از تنزيل در تحليل قالب اكستروژن است.
در تحليل حاضر، فشار خروجي ۵ مشخص شده بود. اين مقدار كمك مي‌كند بعنوان يك مرجع براي نتايج ارائه شده در زير براي ديگر حوزه‌ها، شكل ۱۱ـ۵ و ۱۲ـ۵ نشان مي‌دهد توزيعهاي فشار در تمام خوزه ورودي سطوح يكسان از مختصات ثابت، كه عمودي هستند براي هدايت جريان كه مي‌تواند مشاهده شود كه فشار پيوسته در امتداد سطوح يكسان از ورودي قالب تا خروجي كاهش مي‌يابد و سطوح از فشار ثابت براي هدايت جريان عمودي هستند كه نشان مي‌دهد كه آنها نواحي باز چرخشي در قالب نيستند. افت فشار در تمام قالب از ورودي تا خروجي ۰۲/۵ مگاباسكال

مي‌باشد.
۲ـ۴ـ۴ـ۵ توزيع سرعت
شكل ۱۳ـ۵ و ۱۴ـ۵ طرح نقشه برجسته‌اي از بزرگي سرعت از تمام حوزه و در سطوح يكسان مختلف را نشان مي‌دهد. سرعت حداكثر از پليمر تقريباً ۱/۱۴ است كه در ناحيه همگرا شده در تعديل كننده پمپ ذرب اتفاق مي‌افتد و ميانگين سرعت در خروجي ۱/۶ است.

۳ـ۴ـ۴ـ۵ توزيع دما
توزيع دما بوسيله حل معادلات بالانس انرژي توصيفي در حوزه قالب بدست آمده است. شكل ۱۵ـ۵ توزيع دما از پليمر را در طول اكستروژن نشان مي‌دهد. پليمر وارد قالب مي‌شود در يك دماي ۴۷۳ درجه كلوين و ديوارهاي قالب در يك دماي k473 نگهداري مي‌شوند بنابراين تغييرات دما در درون قالب اتفاق نمي‌افتد. سطح بيروني پليمر تا k465 خنك مي‌شود زمانيكه از قالب mm25 پائين رود

بيرون مي‌آيد. دما در قالب افزايش مي‌يابد بعلت چسبناكي گرماي پيدا شده k5 در اطراف نزديك ناحيه پين جائيكه سرعتهاي برش بالا در طول بررسيهاي پارامتري اتفاق مي‌افتد كه ناچيز است و بنابراين در شبيه‌سازي نهائي ناچيز است.

۴ـ۴ـ۴ـ۵ سرعت برش، ويسكوزيته و توزيع فشار
ويسكوزيته سيترون در شبيه‌سازي قالب در مدل كاربردي كاريو ـ ياسورا مشخص شده بود. با اين مدل ويسكوزيته ماكزيمم اتفاق مي‌افتد زمانيكه سرعت برش به صفر تمايل دارد و يك ميني‌يوم است زمانيكه سرعت برش بالاترين است. سرعت برش از ۰ تا ۳۲۰ تغيير مي‌كند. در ديوار پين مركزي بيشترين مي‌شود. اطراف ديواره‌هاي سطح قالب سرعت برش در حدود ۷۰ تا ۱۵۰ تغيير مي‌كند. مقدار ويسكوزيته از ۴۸۰ تا ۱۳۳۵۰، Pa-S تغيير مي‌كند. اين حد بالا از ويسكوزيته نشان مي‌دهد درجه غير خطي مواد در حل عددي. شكل ۱۶ـ۵ . ۱۷ـ۵ و ۱۸ـ۵ حد فاصل سرعت كشش و ويسكوزيته را نشان مي‌دهد.
۵ـ۵ طراحي قالب
وظيفه نهايي همه شبيه‌سازيهاي انجام شده هست رسيدن به شكل بهينه از قالب براي بدست آوردن ابعاد خواسته شده از حوزة اكسترود است. براي اينكه ساده كردن ساخت و بررسي، قالب اكسترود شامل ۵ صفحه مي‌شود هركدام وظيفه و اهميت خودشان را دارند. بعد از خروج پليمر اكسترود با سرعت زياد حركت مي‌كند و از ميان يك صفحه شكننده پرده جريان مي‌يابد. آن هست

اندازه‌گيري شده در واحد متر بوسيله يك پمپ چرخ دنده‌دار ذوب قبل از ورود به قالب. اولين صفحه قالب، تعديل كننده پمپ ذوب متصل كرده قطر خارجي mm55 پمپ چرخ‌دنده‌دار ذوب به صفحه تعديل كنندة عنكبوتي كه در چرخش وصل مي‌كند صفحه عنكبوتي با ۳ عنكبوت. عنكبوتها براي نگهداري يك پين ميان‌تهي براي شكل دادن سوراخ مركزي اكسترود مفيد هستند يك سوراخ متصل در يكي از عنكبوتها ساخته شده است از خط نيتروژن تنظيم شده به پين ميان‌تهي براي نگهداري

فشار گاز و به ميانه شكل دادن حوزه در اكسترود. بنابراين پليمر از ميان صفحه زيري جريان مي‌يابد. تغيير شكلش از مدور به حالت خميده، بخش عبوري شبيه مستطيلي از صفحه سطح قالب آخري با بخش عبوري يكسان، اجازة گداخته پليمر به نيت شود قبل از خروج از قالب. پين مركزي در ساختار

عنكبوتي محكم شده و بخش عبوري خروجش انداختني هست بطوريكه بدست آوردن يك سوراخ مدور در اكسترود كردن نهائي بعد از باد كردن جريان آزاد و توقف درهمان زمان خروج ذوب شده پليمر منحني است بخش عبوري سطح قالب مستطيلي شكل منتظر است براي تغيير شكل دادن به پائين رود حوزه مستطيلي خواسته شده همه قسمتهاي قالب در شكل مونتاژ شده، شكل گسترده، ديد ۲ بعدي و جداگانه در شكلهاي ۱۹ـ۵ تا ۲۲ـ۵ نمايش داده شده‌اند.

خلاصه
هدف از اين مطالعه توسعه يك استراتژي ممكن براي طراحي قالب كارا در روش اكستروژن براي شكل‌دهي پليمر اكسترود شده با يك شكل دلخواه باتوجه به افزايش عملكرد قالب يك پليمر مذاب و بدست آوردن محاسبات خيلي مهم فيزيكي و پديده‌هاي سيال شناسي در فرآيند را شامل مي‌شود. روند ۳ بعدي و انتقال حرارت از ميان قالب همچنين حركت به سمت خروجي قالب در داخل سطح آزاد تحليل شده است.

استفاده از رفتار عامل CFD در انتها باتوجه به رفتار غير نيوتني پليمر ۲ نماي اكسترود با اشكال لازم، با ۱۰ سوراخ گرد يك اندازه و روي خط مركز به قطر mm1/1 براي طراحي قالب محاسبه شده‌اند. موارد مورد استفاده با يك درجه‌بندي صنعتي شامل پلي‌استيژن استيرن ۶۶۳٫ تركيب شده با ناخالصي‌هاي براق‌كننده. هدف از شبيه‌سازي CFD محاسبه فشار، حرارت، سرعت، تنش و توزيع سرعت برشي روي كل قلمرو شبيه‌سازي و بررسي تأثير قسمتهاي مختلف روي تعادل جريان جرم در خروجي قالب و در پايان تعيين شكل بهينه قالب شامل پايه قالب و پينها براي محاسبه ابعاد دلخواه از قسمت اكسترود شده.