Automatisierte Auslegung von Extrusionswerkzeugen

Duisburg, Essen (2011), X, 133 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
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. Ziel dieser Arbeit ist die integrative Kopplung verschiedener Softwaresysteme zur vollständig automatisierten Auslegung eines Wendelverteiler-Extrusionswerkzeuges auf der Basis eines parametrischen, assoziativen 3D-CAD-Modells. Zur Auswertung der verschiedenen Designvorschläge wird das Ziel formuliert, ein automatisiert kalkulierbares, skalares Zielkriterium (Die Quality Criterion) zur Beschreibung der Werkzeugqualität einzuführen. In einer manuellen computergestützten Optimierung eines prototypischen Radialverteilerwerkzeuges für die Blasfolienextrusion werden zunächst Auswertemethoden erarbeitet, die eine spätere automatisierte Auslegung auf der Basis skalarer Kennwerte erlauben. Diese Auswertegrößen beschreiben als skalaren Kennwert produktqualitätsrelevante Parameter wie die Wanddickenverteilung des Extrudates, den Winkel der Schmelzeüberlappung sowie den Druckverlust, die Betriebspunktabhängigkeit und die Spülbarkeit des Werkzeuges. Darüber hinaus wird ein Indikator für das Auftreten von Schmelzebruchphänomenen eingeführt. Die Abbildegenauigkeit der formulierten Qualitätskennwerte wird anhand eines manuell ausgelegten, prototypischen Radialverteilerwerkzeuges in realen Praxisversuchen verifiziert. Die Abbildegenauigkeit ist hoch, der Fehler liegt im vernachlässigbaren Bereich. Im zweiten Schwerpunkt der Arbeit wird ein Ablauf implementiert, der die zuvor manuell durchgeführten Schritte automatisiert bearbeitet. Dazu werden verschiedene Softwaresysteme integrativ gekoppelt. Ein übergeordnetes Softwaresystem steuert auf der Basis implementierter Programmroutinen die verschiedenen Prozessschritte der Geometrievariation, Ableitung und Diskretisierung des Fluidvolumens, Preprocessing, Solving, Postprocessing, Ergebnisinterpretation und der Berechnung eines Werkzeugqualitätskriteriums. Neue Geometrievorschläge werden durch ein heuristisches Optimierungsverfahren vorgeschlagen, so dass der Prozess iterativ bis zur Erreichung eines Abbruchkriteriums vollständig automatisiert abläuft. Als zu optimierendes Wendelverteilerwerkzeug wird eine real existierende Werkzeuggeometrie eingesetzt. Die Basiskonfiguration des Wendelverteilers wird vorgegeben. Der Spaltweitenverlauf sowie der Wendeltiefenverlauf werden dem Optimierungssystem als Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt. Der Optimierungsautomatismus errechnet voll automatisiert und ohne Benutzereingriff einen optimalen Geometrievorschlag für den Spaltweiten- und Wendeltiefenverlauf und gibt diesen als Optimierungsergebnis aus. Der Automatismus löst die gestellte Optimierungsaufgabe robust und ohne Unterbrechungen. Der vorgeschlagene Optimal-Verlauf entspricht manuellen Auslegungen dieser Art von Verteilsystemen, so dass eine hohe Abbildegenauigkeit des Automatismus unter Berücksichtigung der gewählten Gewichtungsfaktoren verifiziert werden kann. Das zuvor definierte Ziel der Arbeit gilt damit als erreicht. Im Weiteren werden Ergänzungs- und Verbesserungsmöglichkeiten des implementierten Automatismus vorgeschlagen und in Berechnungsversuchen untersucht. Als Erweiterungsmöglichkeit wird eine Überarbeitung der Formulierung der Qualitätskriterien vorgeschlagen, die einen trigonometrischen Funktionsverlauf auf der Basis des Arcustangens vorsieht. Der Vorteil dieser Methode liegt in der Nicht-linearität der Qualitätskriterien, so dass kritische Grenzwerte definiert werden können, deren Verletzung zu einer starken Beeinflussung des Optimierungskriteriums führt. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass nach dem Erreichen eines Zielwertes eines speziellen Qualitätskriteriums keine kontinuierliche weitere Verbesserung dieses Wertes im Vordergrund steht.