Automated generation of virtual prototypes for extrusion dies
Final Report Abstract
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. Allerdings bleibt die Nutzung von Simulationswerkzeugen in der industriellen Anwendungspraxis weiterhin eine Insellösung. Es besteht somit der Bedarf eines ganzheitlichen Ansatzes für die Auslegung und Fertigung von Extrusionswerkzeugen. Der diesbezügliche Stand der Technik konnte im Rahmen der zwei Bearbeitungsphasen dieses Projektes deutlich erweitert werden. Der ganzheitliche Auslegungsansatz sieht vor, sämtliche Prozessschritte der Auslegung und unterschiedliche Komponenten der Werkzeugbaugruppe zu berücksichtigen. Grundlage ist die konsequente Verwendung von dreidimensionalen, parametrischen Geometriemodellen, welche konstruktive Restriktionen und fertigungstechnische Aspekte berücksichtigen. Im Rahmen der Vordimensionierung wird die Geometrie einfacher Strömungskanäle aus vorgegebenen Zustandsgrößen und Materialeigenschaften direkt berechnet. Dafür wird ein verkettetes Berechnungsmodell, bestehend aus eindimensionalen, analytischen Ansätzen, verwendet. Dies ermöglicht unter Annahme idealisierter Strömungen in Wendelkanälen und Ringspalt eine direkte Berechnung der inneren Geometrie eines Wendelverteilers sowie die Vorgabe einer geeigneten Variations-Bandbreite für die automatisierte Optimierung. Im Rahmen der automatisierten Optimierung findet eine Variation der definierten Freiheitsgrade des dreidimensionalen Werkzeugmodells statt. Auf Basis eines multikriteriellen Optimierers werden unter Berücksichtigung vorab definierter Randbedingungen isotherme dreidimensionale Strömungssimulationen durchgeführt und die Ergebnisse in Form skalarer Qualitäts- und Ausschlusskriterien ausgewertet. Metadaten der automatisierten Optimierung, wie etwa Qualitätskennwerte oder lokal aufgelöste Strömungsgrößen wie Masseströme, werden für jede Einzelsimulation in einer Datenbank abgelegt. Sie können so für die Auslegung neuer Werkzeuge mit anderen Prozessfenstern oder geometrischen Restriktionen genutzt werden und helfen so, die Entwicklungszeit bzw. die nötige Simulationszeit zu reduzieren. Dafür wurde eine webbasierte Schnittstelle geschaffen, die dem Werkzeugingenieur bei der Auslegung plattformunabhängig die nötigen Informationen bereitstellt. Zusätzlich wurde die Platzierung von vorbereiteten Fertigungsfeatures in diese Oberfläche integriert, womit somit alle Funktionen in eine gemeinsame Benutzerschnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Eine nachfolgende Detailoptimierung und virtuelle Erprobung, welche auf dreidimensionalen numerischen Strömungssimulationen der gesamten Werkzeugbaugruppe beruht, schafft die Möglichkeit Geometriedetails manuell zu modifizieren, um beispielsweise die prinzipielle Strömungsführung lokalen Modifikationen zu unterziehen. Die virtuelle Erprobung, welche den Optimierungsprozessen nachgeschaltet ist, ermöglicht die Analyse von Betriebspunkvariationen am virtuellen Werkzeugmodell. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden temperaturabhängige Effekte berücksichtigt, welche auf die dissipative Erwärmung in der Polymerschmelze und die Wärmeleitung in den Bauteilen der Werkzeugbaugruppe zurückzuführen sind.
Publications
- Design for Manufacturability – 3D-CAD Design Methodology for Spiral Milled Polymer Processing Tools. Antec 2018, 7.-9. Mai 2018, Orlando (Florida), Vereinigte Staaten
Hungenberg, P.
- Local Mean Age of Melt: New Approaches for Die Optimisation. Proceedings of the Polymer Processing Society 34th Anual Meeting (PPS- 34), 21.-25. Mai 2018, Taipeh, Taiwan
Kummerow, J.; Wortberg, J.
- (2019) Integration zeitabhängiger Materialmodelle in CFD-Simulationen von Extrusionswerkzeugen. Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology, 04/2019, 288-313
Kummerow, J.; Wortberg, J.; Schiffers, R.
