بخشی از مقاله
طراحي قالب كارا در روش اكستروژن
قسمت 5
طراحي برش عمودي مستطيلي قلب اكستروژن با يك سوراخ
1ـ5 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 1ـ5 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 3 داده شده بنا نهاده شده‌اند.
در بخش 2ـ5 علم هندسه مدل ارائه شده است. در بخش 3ـ5 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 4ـ5. 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 4ـ5 نتايج محاسبات سطوح آزاد و وارونه اكستروژنه هستند. بخش 5ـ5 تشريح مي‌كند اجزاء متفاوتي از قالبها و اهدافشان در جريان قالب نقشه چاپي آبي براي قالب طراحي شده در پيوست A داده شده است.
2ـ5 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 2ـ5 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 2ـ5 را ملاحظه فرمائيد). بدليل عنكبوتي پيچيده و ساختار قالب تحول، شبيه‌سازي كردن نيمي از حوزه جريان واقعي لازم بود. شكل (3ـ5 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 4ـ5 را ملاحظه فرمائيد). حركت پولي براي شبيه‌سازي جريان قالب 3 بعدي و انتقال گرما مثل جريان سطح آزاد mm25 پائين رود از انتهاي قالب بكار مي‌رود
(شكل 5ـ5 را ملاحظه فرمائيد). حوزه محاسباتي مانند شكل 3 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 5ـ5 را ملاحظه فرمائيد)
3ـ5 مدل عنصري محدود
بعلت هندسه 3 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 6ـ5 را ملاحظه فرمائيد). آن شامل 30872 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 33/0 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.
4ـ5 شبيه‌سازي و نتايج تست حقيقي
1ـ4ـ5 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 4ـ5 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 7ـ5 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 007/0% 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 1 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 253/0 به 53/0 تغيير كرده است، تغيير در مختصات اكسترود بين 8/3% و 4/17% 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 8ـ5 نشان داده شده است.
زمانيكه حجم پارامتر انتقال از 5/0 تا 2 تغيير كرده است كه بكار رفته در مدل كريو، تغيير در برجستگي قالب كه مشاهده شده كه كمتر از 7/2% بوده است. نتايج شبيه‌سازيهاي مختلف زمانيكه با استاندارد يكي در درصد مقايسه شده در جدول 1ـ5 نشان داده شده است.
2ـ4ـ5 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 7ـ5 نمايش داده شده براي هر دوي شبيه‌سازيها مقايسه شده‌اند. نتايج 2 شبيه‌سازي در ارتباط با درصد مقايسه شده‌اند در جدول 1ـ5 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 2% كه نمايش مي‌دهد كه توانائي اكستروژن معكوس از جريان پولي خيلي خوب است.
3ـ4ـ5 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 (بخش1)، سطح قالب، سطح زيري (بخش1 و2) و همه قالب (بخشهاي1 و2 و3) همراه با سطح آزاد (شكل 3ـ5 را ملاحظه فرمائيد) و ابعاد اكسترود مقايسه شده‌اند. گنجايش از سطح زيري در شبيه‌سازيها نشان مي‌دهد يك اختلاف از 5% 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 1% 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.
4ـ4ـ5 نتايج شبيه‌سازي اكستروژن معكوس
شبيه‌سازيها بر روي يك 2.52 GHz, windowsكامپيوتر خانگي با رم GB-1 اجرا شده است. بر روي اين پلت فرم 19 ساعت و 36 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 9ـ5 با شكل 10ـ5. در حدود 5% 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 5% 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.
1ـ4ـ4ـ5 توزيع فشار
فشار يكي از پراهميت‌ترين مقادير از تنزيل در تحليل قالب اكستروژن است.
در تحليل حاضر، فشار خروجي 5 مشخص شده بود. اين مقدار كمك مي‌كند بعنوان يك مرجع براي نتايج ارائه شده در زير براي ديگر حوزه‌ها، شكل 11ـ5 و 12ـ5 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 02/5 مگاباسكال
مي‌باشد.
2ـ4ـ4ـ5 توزيع سرعت
شكل 13ـ5 و 14ـ5 طرح نقشه برجسته‌اي از بزرگي سرعت از تمام حوزه و در سطوح يكسان مختلف را نشان مي‌دهد. سرعت حداكثر از پليمر تقريباً 1/14 است كه در ناحيه همگرا شده در تعديل كننده پمپ ذرب اتفاق مي‌افتد و ميانگين سرعت در خروجي 1/6 است.
3ـ4ـ4ـ5 توزيع دما
توزيع دما بوسيله حل معادلات بالانس انرژي توصيفي در حوزه قالب بدست آمده است. شكل 15ـ5 توزيع دما از پليمر را در طول اكستروژن نشان مي‌دهد. پليمر وارد قالب مي‌شود در يك دماي 473 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.
4ـ4ـ4ـ5 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 0 تا 320 تغيير مي‌كند. در ديوار پين مركزي بيشترين مي‌شود. اطراف ديواره‌هاي سطح قالب سرعت برش در حدود 70 تا 150 تغيير مي‌كند. مقدار ويسكوزيته از 480 تا 13350، Pa-S تغيير مي‌كند. اين حد بالا از ويسكوزيته نشان مي‌دهد درجه غير خطي مواد در حل عددي. شكل 16ـ5 . 17ـ5 و 18ـ5 حد فاصل سرعت كشش و ويسكوزيته را نشان مي‌دهد.
5ـ5 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 5 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 3 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 2 بعدي و جداگانه در شكلهاي 19ـ5 تا 22ـ5 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 3 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 2 نماي اكسترود با اشكال لازم، با 10 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 663. 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.
