Integrative Kopplung von Gestaltung, Berechnung und Simulation für die Auslegung von Fließkanälen in der Kunststoffverarbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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. Motivation für die Untersuchungen in diesem Vorhaben war das Fehlen durchgängiger rechnerunterstützter Lösungen zur Auslegung und Optimierung von Werkzeugen und Fließkanälen für die Kunststoffverarbeitung. Der Entwicklungsprozess ist geprägt durch Insellösungen. Zur Umsetzung einer integrierten Produktentwicklung im Sinne eines vollständigen virtuellen Prototypens wurde die Kopplung eines virtuellen Produktmodells der Strömungsgeometrie mit einem CFD-Berechnungsmodell durchgeführt. Ein integrierter Algorithmus berechnet die optimale Geometrie in Hinblick auf quantitativ festgelegte technisch-wirtschaftliche Optimierungskriterien. Dabei modifiziert der Optimierungsalgorithmus die wissensbasierte Geometrie des virtuellen Produktmodells, so dass z. B. auch die Einhaltung fertigungstechnischer Restriktionen gewährleistet wird. Ziel der ersten Bearbeitungsphase war der Aufbau eines vollständig digitalen Produktmodells eines Fließkanals, mit dem eine in Hinblick auf Druckverlust, thermische Homogenität und Verweilzeitverhalten optimale Geometrie erzeugt werden kann. Dazu wurden verschiedene Softwaresysteme integrativ miteinander gekoppelt, so dass ein durchgängiger Systemablauf realisiert werden konnte. Die Optimierung basiert dabei auf wenigen physikalischen Größen, die aus der Simulation ausgelesen werden. Hierzu zählen der Druck, welcher über den Strömungskanal abfällt und die auftretenden Wandschubspannungen in der Schmelzeströmung. Der vollständig funktionsfähige und automatisierte Optimierungsprozess konnte in ersten Versuchsläufen mit einfachen Strömungskanalgeometrien, wie einem 90°-Bogen und einer T-Verteilung, bereits gute Ergebnisse abbilden. Diese Ergebnisse wurden auf einem dafür konstruierten Prüfstand verifiziert. Die Versuchsergebnisse zeigten eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den theoretischen Berechnungen und den praktischen Versuchen. Aufbauend auf den Ergebnissen der ersten Förderphase wurde dieses Konzept in der zweiten Förderphase überarbeitet und weiterentwickelt, so dass derzeit die vollständig automatisierte Optimierung eines Wendelverteiler-Extrusionswerkzeuges mit wenigen freigegebenen Freiheitsgraden möglich ist. Dazu wurde ein parametrisches 3D-CAD-Mastermodell eines Wendelverteilers entwickelt, welches auf der Basis von wenigen Geometrieparametern eine vollständige Wendelverteilergeometrie generiert, ohne dass fertigungstechnische Restriktionen verletzt werden. Im Anschluss finden durch eine integrative Kopplung verschiedener Softwaresysteme eine automatisierte Diskretisierung des Fluidvolumens, eine Berechnung der Strömungssituation sowie eine Auswertung der Produktqualität statt. Die Interpretation der Produktqualität des Extrusionswerkzeuges erfolgt dabei auf der Basis eines erstmalig definierten, skalaren Werkzeugqualitätskriteriums. Insgesamt werden sechs skalare Kennwerte automatisiert abgeleitet und in der Zielfunktion des Optimierungsalgorithmus über die Methode der „gewichteten Summe“ in einen einzigen skalaren Wert überführt. Hierzu zählen Druckverlust, Spülbarkeit, Schmelzebruch, Geschwindigkeitsverteilung, Überlappungswinkel und Betriebspunktabhängigkeit. Dieser Kennwert beschreibt die Qualität eines Extrusionswerkzeuges für einen konkreten Betriebspunkt (Massendurchsatz, Schmelzetemperatur) eines bestimmten Materials.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Integrative Interconnection of Design, Calculation and Simulation for Dimensioning a Flow Channel in Polymer Processing, Proceedings of Polymer Processing Society 24th, PPS, Salerno, Italien, S. 142, ISBN 88-7897-024-7, 2008
Wortberg, J., Köhler, P., Saul, K., Lupa, N.
- Automatisierte Optimierung von Strömungskanälen zur Verbesserung des Spülverhaltens von Kunststoff- Extrusionswerkzeugen, Zeitschrift Kunststofftechnik, Journal of Plastics Technology, Nr. 5, Ausgabe März/April 2009, Carl Hanser Verlag, S. 130 - 153, 2009
Wortberg, J., Saul, K., Köhler, P., Lupa, N.
- Einsatz wissensbasierter Features für die automatische Konfiguration von Produktkomponenten, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2009
Lupa, N.
- Increasing the Efficiency of Extrusion Purge Processes by Numeric Optimization, Proceedings of Polymer Processing Society 25th, PPS, Goa, Indien, S. 173, 2009
Wortberg, J., Köhler, P., Saul, K., Lupa, N.
- Improved Performance and Product Quality by Automated Geometry Optimization of Extrusion Dies, Proceedings of Polymer Processing Society 26th, PPS, Banff, Canada, 2010
Wortberg, J., Saul, K.
- Automatisierte Auslegung von Extrusionswerkzeugen, Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011
Saul, K.
- Die Quality Criteria for fully Automized Optimization of Melt Distribution Systems, Proceedings of Polymer Processing Society 27th, PPS, Marrakesch, Marokko, 2011
Wortberg, J., Saul, K., Köhler, P., Klemme, U.
- Effizienzsteigerung des virtuellen Produktentwicklungsprozesses durch automatisierte Modellierungsansätze im Optimierungsumfeld, Tagungsband 9 Kolloquium Konstruktionstechnik, ISBN 978-3-8440-0381, 2011
Köhler, P., Klemme, U., Humpa, M.
- Advanced computational technique for the optimization of spiral mandrel dies, SPE ANTEC Conference, Orlando, Florida, USA, 2012
Wortberg, J., Köhler, P., Saul, K., Klemme, U., Humpa, M.
