Optimization Software for Automation in Die Design for Polymer Processing

Abstract

O plástico está presente em várias aplicações domésticas e industriais, colocando sua indústria como uma das maiores e mais importantes do mundo. A versatilidade de produtos possibilita sua aplicação nas mais diversas áreas. Para os próximos anos, espera-se um crescimento em torno de 5% ao ano neste ramo. Dentre os vários processos de fabricação, a extrusão é o mais utilisado. Este processo permite uma flexibilidade quanto ao material a ser utilizado e à forma do produto final desejado. Esta vantagem é possível devido ao molde, uma peça que faz parte da extrusora. Ela é responsável por transformar o fluxo de material polimérico em um produto final com a geometria desejada. O design do molde é bastante complexo visto que existem várias variáveis discretas com grande quantidade de valores possíveis envolvidas no processo. O comportamento não linear do fluxo de material polimérico dentro do molde também torna a obtenção dos resultados de forma analítica uma tarefa quase impossível. Por isso, a simulação por software é imprescindível. A complexidade da geometria resulta em milhares de possíveis combinações de parâmetros. O processo para encontrar a melhor é geralmente feito simulando cada ferramenta individualmente e aplicando alterações manualmente por tentativa e erro, o que demanda bastante tempo. Além disso, os moldes são geralmente utilizados com vários materiais, que possuem características distintas, e a ferramenta precisa satisfazer as especificações para todos os casos. Este projeto, denominado Wendigo e em desenvolvimento no Institut für Künststoffverarbeitung (IKV) – Universidade RWTH Aachen, busca desenvolver um programa capaz de captar todas as especificações do usuário, simular e fornecer os resultados obtidos assim como realizar a otimização do molde para encontrar a melhor geometria sem a necessidade de um operador durante o processo. É importante ressaltar que o escopo do projeto limita-se apenas a moldes utilizados para a fabricação de produtos com formas tubulares. A simulação utiliza-se de um modelo do processo construído utilizando um circuito elétrico como analogia. Esse método é conhecido como controle de volume e 5 também chamado de “teoria de rede”. Para calcular os resultados desejados, o sistema de matrizes esparsas é gerado e resolvido através de um algoritmo iterativo utilizando um solver optimizado para esse tipo de sistema desenvolvido por terceiros e fornecido sob licença livre. A optimização do processo de design do molde analisa três parâmetros de saída: distribuição de volume, histórico da taxa de cisalhamento e diferença de pressão total. Essa tarefa é realizada pelas estratégias distintas implementadas que se utilizam dos parâmetros de qualidade calculados pela simulação como as funções a serem minimizadas para a obtenção das melhores soluções de geometria que atendam às especificações do usuário.

The plastics are present in many domestic and industrial applications, placing its industry as one of the biggest and most important in the world. The versatility of products enables its applications in vast distinguishable areas. For the next years, a growth of 5% is expected to this segment. Among the fabrication processes, the extrusion is the most used. This process allows a flexibility regarding the material to be used and the profile to be shaped in the final product. This advantage is possible because of the die, which is a part of the extruder machine. The die is responsible for transforming the flow of the melted polymeric material into the final product with a specific geometry. The design of the die is reasonably complex since there are many variables with a large range of values involved in the process. The non-linear behavior of the polymeric melt flow inside the die also transforms the analytical calculation of the results into an almost impossible task. Therefore, the simulation through software is highly necessary. The complexity in the geometry results in thousands of possible combinations of parameters. The process of finding the best one is usually done by simulating each tool individually and applying changes manually by trial and error, which takes a large amount of time. Furthermore, the tools are usually used with multiple materials, which have different characteristics, so the design has to satisfy the constrictions in all cases. This project, named Wendigo and under development at the Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) – RWTH Aachen University, seeks to develop a program capable of collecting all the user specifications, simulate and return the results calculated as well as perform the optimization of the tool to find the best geometry without the need of one operator during the process. It is important to note that the scope of the project is limited only to dies used to manufacture products with tubular shapes. The simulation uses a model of the process built using an electrical circuit analogy. This approach is known as control volume and also referred to as “network 7 theory”. In order to calculate the desired results, a system of sparse matrices that represents the network is obtained and solved through an iterative algorithm using a third party open source solver optimized for this task. The optimization of the die design process analyses three output parameters: volume distribution, shear rate history and total pressure drop. This task is performed by the different strategies implemented that use the quality parameters calculated by the simulation as the function to be minimized in order to find the best geometry solutions that meets the user‟s specifications.