VM
ru Русский arrow
en English
de Deutsch
ch 中國
Теги
Основное оборудование Подготовка материала Родственные технологии Продукция Автоматизация и контроль
Новый номер

Extrusion 2-2024

19.03.2024

Extrusion 2-2024

Логотип сайта
Новая конструкция спиц дорнодержателя для повышения качества труб

Новая конструкция спиц дорнодержателя для повышения качества труб

Статьи

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.

k1

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.

k2

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.

k3

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].

k4

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

k5

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

k6

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.

sm242x60

Extrusion-International 242x60

Extrusion logo

Для удобства использования на нашем сайте используются файлы cookies.
Продолжая просмотр нашего сайта, Вы соглашаетесь на их использование.