Сотрудники Институтапереработки пластмасс при Рейнско-Вестфальскомтехническом университете Ахена (RWTH):
Кристиан Хопманн, профессор, д.т.н.,
Лиза Лейхтенбергер, магистр,
Мальте Шен, магистр,
Мартин Факлам, д.т.н.
 |
Для производства труб, пленочных рукавов или различных заготовок используются различные типы экструзионных головок, например головки со спиральным распределителем, пинолью или дорнодержателем. Головки последнего типа отличаются хорошим распределением расплава и почти не зависят от рабочей точки [1]. Поэтому экструзионные головки с дорнодержателем незаменимы в производстве труб из ПВХ. Формование расплава, поступающего из экструдера, в заготовку кольцевидного сечения обеспечивается за счет обтекания расплавом дорна, который закреплен в центре головки с помощью спиц дорнодержателя. При прохождении через них расплав разделяется на несколько отдельных потоков. Из-за прилипания к стенкам возникают большие локальные перепады скорости.
 |
Кроме того, поток расплава ускоряется их-за уменьшения сечения проточного канала. В результате расплав испытывает сильное растяжение, и происходит его ориентация. Поскольку сильно ориентированные цепи макромолекул за спицами дорнодержателя больше не могут в достаточной степени сцепиться друг с другом, данный эффект вызывает образование линии стыка при соединении отдельных потоков. Линии стыка являются визуальными недостатками и ухудшают механическую прочность изделия.
 |
Существуют разные пути решения данной проблемы, влияющей на качество продукции. Например, можно повысить температуру массы или время выдержки, что позволит повторно соединить макромолекулы до выхода из экструзионной головки [1]. Однако такой способ не подходит для чувствительных к температуре материалов из-за высокой тепловой нагрузки. Другая возможность заключается в том, чтобы переместить линию стыка таким образом, чтобы она проходила по периметру потока, что можно реализовать, например, с помощью спиральных канавок на дорне и корпусе с противоположным направлением витков, тангенциального расположения спиц дорнодержателя или их расположения со смещением [1].
 |
Недостатками перечисленных способов уменьшения количества линий стыка являются повышенная сложность экструзионных головок или ухудшение распределения объемного потока на выходе из экструзионной головки. Другие конструкции экструзионных головок с более гомогенным распределением объемного потока, например головки со спиральным распределителем, из-за продолжительного времени выдержки не подходят для изготовления труб из ПВХ. Поэтому уменьшение или полное устранение линий стыка и их влияния на свойства изделия представляет собой основную проблему. В основе рассматриваемого в настоящей статье подхода лежит изменение конструкции спиц дорнодержателя. Цель изменения конструкции — создание поперечных потоков за спицами. Это позволяет оптимизировать соединение потоков расплава в данной зоне таким образом, чтобы обеспечить расположение макромолекул поперек направления экструзии и тем самым свести к минимуму влияние линий стыка на механические свойства и внешний вид. Для создания поперечных потоков предлагается использовать статические смесители расплава, поэтому изменение конструкции спиц дорнодержателя происходит на их основе.
Статические смесители расплава для решения проблемы
 |
Статические смесители представляют собой неподвижные встроенные на выходе из экструдера устройства, принцип смешивания в которых основан на разделении, переворачивании и соединении потоков расплава. Для смешивания используется имеющаяся энергия потока. Статические смесители состоят, как правило, из одинаковых установленных друг за другом элементов, повернутых относительно друг друга на 90°. Для высоковязких жидкостей существует множество разнообразных статических смесителей различных производителей. Они используются для однородного распределения температуры или материала расплава. На рынке представлены следующие типы смесителей: X, LPD, Kenics и другие [2, 3, 4].
Сначала на основе перечисленных форм смесителей конструируются новые спицы дорнодержателя. Затем они оптимизируются и тестируются в ходе практических испытаний. Конструкция предназначена для экструзионной головки с дорнодержателем, которая служит для изготовления труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 2 мм. Чтобы получить максимальную свободу выбора действий при проектировании новых спиц дорнодержателя, для изготовления спиц используется технология селективного лазерного спекания (SLM). Поэтому учитываются различные требования директив по конструированию, относящиеся к технологии SLM [5, 6]. На рис. 1 представлены первые новые конструкции спиц дорнодержателя.
Компьютерное моделирование для оценки результатов проектирования
 |
Чтобы иметь возможность оценить конструкцию спиц дорнодержателя, было произведено моделирование потока с использованием программы OpenFOAM (разработка компании OpenFOAM Foundation из Великобритании). Результаты моделирования должны были, с одной стороны, количественно оценивать поперечные потоки, а с другой стороны, давать оценку эффектов, сопровождающих изменение проточного канала, в отношении потери давления, нагрева при сдвиге и времени выдержки материала.
Было смоделировано течение с прилипанием к стенкам стандартного для экструзии высоковязкого расплава через экструзионную головку с дорнодержателем с различными вариантами спиц дорнодержателя. Для сравнения с традиционной экструзионной головкой с дорнодержателем дополнительно были смоделированы обычные спицы дорнодержателя. Все произведенные процессы моделирования основываются на сетке, разбивающей поверхность на 2 354 867 элементов. Для отображения свойств материала в зависимости от структурной вязкости и температуры использовались модели Карро и WLF. Другими допущениями были ламинарный поток несжимаемой вязкой жидкости, а также установившееся течение. Температура корпуса экструзионной головки 200°C поддерживалась с помощью адиабатического термостатирования. Возникающий поток расплава с расходом 5 кг/ч также имел постоянную температуру по всему сечению 200°C. Нагрев при сдвиге также принимался в расчет.
Характер поперечного потока за дорнодержателем является одним из важнейших критериев с точки зрения уменьшения влияния линий стыка на механические и визуальные свойства экструдата. Поэтому для количественной оценки поперечных потоков рассматривалось поперечное сечение проточного канала за зоной спиц дорнодержателя. Сравнение полученных поперечных потоков в экструзионной головке с новой формой спиц дорнодержателя с поперечными потоками в традиционной экструзионной головке с дорнодержателем осуществляется на основании показателя Q (уравнение 1). Он устанавливает соотношение между прибавленной составляющей скорости W в направлении, перпендикулярном направлению течения Z (оси X и Y), и соответствующими показателями традиционной экструзионной головки с дорнодержателем. Спицы дорнодержателя с показателем больше 1 создают больший, а с показателем меньше 1 меньший поперечный поток, чем традиционный дорнодержатель. В табл. 1 представлены показатели трех новых конструкций спиц дорнодержателя.
Из табл. 1 видно, что форма спиц дорнодержателя на основе смесителя типа X по сравнению с традиционными спицами не подходит для создания большего поперечного потока. И, наоборот, конструкции Kenics и LPD создают больший поперечный поток. Это показано на рис. 2.
На нем показана скорость в экструзионной головке, определенная с помощью отслеживания частиц. Кроме того, видно, что расплав в зоне спиц дорнодержателя испытывает ускорение разной силы. Из-за повышенной скорости расплава и прилипания к стенкам на корпусе и спицах дорнодержателя материал имеет большую скорость сдвига и, соответственно, возникает большее напряжение сдвига. С одной стороны, это может оказаться критичным для чувствительных к сдвигу материалов, а с другой стороны, привести к дополнительному нагреву материала при сдвиге. Локальное повышение температуры в зависимости от материала может привести к изменению цвета или даже к разложению материала. Для оценки возникшего нагрева при сдвиге используется диаграмма, представленная на рис. 3. На нем представлены значения средней температуры за зоной спиц дорнодержателя, а также максимальная температура для каждой конструкции спиц дорнодержателя. Как и ожидалось, уровень температуры при использовании спиц дорнодержателя новой конструкции немного повысился. Однако рост максимальной температуры небольшой и составляет около 1°C.
Кроме сдвига и нагрева при сдвиге увеличение времени выдержки также может отрицательно повлиять на материал. По сравнению с традиционной конструкцией спиц дорнодержателя в новой конструкции имеются дополнительные спицы, часть которых установлена перпендикулярно направлению потока. Это приводит к удлинению пути течения и, соответственно, к увеличению времени выдержки. Кроме того, уменьшение сечения проточного канала приводит к увеличению полной потери давления. В результате растет скорость сдвига и касательное напряжение в пограничном слое у стенки, что положительно влияет на время выдержки материала, прежде всего в слое у стенки.
На рис. 4 в диаграмме представлены значения потери давления для всех конструкций спиц дорнодержателя. Видно, что потери давления увеличиваются на величину от 2 до 9 раз по сравнению с потерями в случае традиционной конструкции. Следовательно, чтобы уменьшить дополнительную потребность в энергии, необходимо также оптимизировать число, форму и угол установки спиц дорнодержателя. По сравнению с конструкциями типа X и Kenics конструкция типа LPD обеспечивает многообещающий результат с точки зрения создания поперечного потока и предотвращения дополнительной потери давления. Однако здесь абсолютно необходима оптимизация спиц дорнодержателя для предотвращения образования застойных зон, как показано на рис. 2. Спицы дорнодержателя типа LPD могут иметь, например, дополнительные отверстия в застойной зоне. Таким образом, можно сделать вывод, что для уменьшения влияния линии стыка на механическую прочность и внешний вид экструдированных труб целесообразно сконструировать новые спицы дорнодержателя, позволяющие увеличить поперечный поток за зоной спиц в экструзионной головке с дорнодержателем. Это позволит перераспределить линию стыка и свести до минимума влияние линий стыка на механические и визуальные свойства экструдата, но при этом повлечет за собой увеличение потери давления и времени выдержки. Поэтому при разработке новой конструкции спиц дорнодержателя и плановой оптимизации спиц необходимо оценить увеличенное время выдержки, а также сдвиг и температуру в зависимости от материала. Кроме того, помимо увеличения поперечного потока до максимума необходимо свести потери давления и время выдержки до минимума, а также обеспечить достаточную механическую прочность спиц дорнодержателя. В какой степени отрицательное влияние линий стыка может быть устранено за счет увеличения поперечного потока, предстоит выяснить в ходе практических испытаний.
Литература:
1. Hopmann Ch., Michaeli W. Extrusion Dies for Plastics and Rubber — Design and Engineering Computations. Muenchen: Hanser Verlag, 2016.
2. Kraume M. Mischen und Ruehren: Grundlagen und moderne Verfahren. Weinheim: Wiley-VCH, 2003.
3. Meijer H.E.H., Singh M.K., Anderson P.D. On the performance of static mixers: A quantitative comparison, Progress in Polymer Science, 37 (2012) 10, s. 1333-1349.
4. Pahl M.H., Muschelknautz E. Einsatz und Auslegung statischer Mischer. Chemie Ingenieur Technik, 51 (1979), s. 347-364.
5. Kranz J. Methodik und Richtlinien fuer die Konstruktion von laseradditiv gefertigten Leichtbaustrukturen. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2017.
6. N.N.: Konstruktionsempfehlungen fuer das selektive Laserschmelzen. URL:https://www.protiq.com/out/pictures/ddmedia/PROTIQ_Handouts_ Konstruktionsempfehlungen_Laserschmelzen.pdf, 31.07.2020.
