مطالعه عددی و تجربی جریان سیال غیرنیوتنی با لزجت بالا در فرآیند اکستروژن قطعات پلیمری چند ماده‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی قوچان*مکانیک

2 گروه مکانیک- دانشکده مهندسی، دانشگاه صنعتی قوچان

چکیده

در طراحی قالب اکستروژن قطعات پلیمری، پیش بینی و کاهش تغییرشکل های مقطع نواری پس از خروج از قالب، اهمیت زیادی دارد. در این مقاله اثر توازن سرعت در صفحه ی خروجی قالب بر ابعاد قطعه تولید شده مورد مطالعه ی عددی و آزمایشگاهی قرار گرفته است. برای پیش بینی توزیع سرعت و فشار، از شبیه سازی سه بعدی جریان سیال غیرنیوتنی با ویسکوزیته بالا، در راه گاه های قالب استفاده شده تا بتوان با تغییرشکل راه گاه ها، افت فشار را کاهش و نیز توزیع سرعت را یکنواخت کرد. با توجه به اهمیت مرز مواد نرم و سخت در مقطع های چند ماده ای، برای پیش بینی آن از مدل دو فازی VOF استفاده شده است. ویسکوزیته جریان لاستیک مذاب داخل قالب، از میان یابی داده های آزمایشگاهی دستگاه RPA بر اساس روش حداقل مربعات استفاده شده است. مقایسه ابعاد پروفیل تولید شده از قالب اولیه )با پروفیل غیر یکنواخت( و قالب اصلاح شده نشان دهنده ابعاد بسیار دقیق تر قالب اصلاح شده است. در بخش های باریک مقطع که در مجاورت ناحیه های وسیع قرار گرفته اند، به دلیل عدم امکان رسیدن به سرعت یکنواخت، ابعاد مقطع نوار تولید شده کوچک تر از مقدار طراحی است. همچنین بدلیل عدم محدودیت های هندسی در روش عددی نسبت به روش تجربی، با طراحی بهینه هندسه راه گاه ها، افت فشار بیش از 40 % کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical and Experimental Investigation of Non-Newtonian High Viscosity Flow Field in Multi Materials Extrusion Process

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammad Javadi 1
  • Ali Mohammad Naserian-Nik 2
1 Quchan university of technology
2 Department of mechanical engineering, Faculty of engineering, Quchan university of technology
چکیده [English]

Predicting and reducing of the rubber cross-section dimensions after exiting die channel are of great importance in the design process of extrusion die. In this research, the effect of velocity distribution at the die exit on the rubber dimensions is experimentally and numerically studied with the aid of finite volume method. Three-dimensional simulation of non-Newtonian high-viscosity flow was performed to predict the distribution of velocity and pressure in the die channels. Recognizing the soft and hard materials boundaries in the multi-material cross-sections, the two-phase volume of fluid method is employed. The viscosity of melted rubber flow in the die is calculated by interpolating the experimental data obtained from Rubber Process Analyzer apparatus based on least squares method. A comparison between primary (with nonuniform profile) and modified dies shows more precise dimensions of the modified die. In the narrow portions of the profile in the vicinity of wide regions, because of the impossibility of achieving a uniform velocity distribution, the produced cross-section is smaller than the design value. In addition, optimizing channel geometries by the employed numerical method reduces the pressure loss in the modified die by 40% in comparison with that of the primary designed die.

کلیدواژه‌ها [English]

  • numerical simulation
  • Non-Newtonian
  • high viscosity
  • Multi-phase
  • polymer
[1]  W.S. Lee, H.Y. Ho, Experimental study on extrudate swell and die geometry of profile extrusion, Polymer Engineering & Science, 40(5) (2000) 1085-1094.
[2]  Y. Mu, L. Hang, A. Chen, G. Zhao, D. Xu, Influence of die geometric structure on flow balance in complex hollow plastic profile extrusion, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 91)1-4( )2017( 1275-1287.
[3]  Z. Tadmor, C.G. Gogos, Principles of polymer processing, John Wiley & Sons, 2013.
[4]  D. Rosato, Die design and performance, in: Extruding Plastics, Springer, 1998, pp.  228-282.
[5]    K. Koshelev, G. Pyshnograi, M.Y. Tolstykh, Modeling of the three-dimensional flow of polymer melt in a convergent channel of rectangular cross- section, Fluid Dynamics, 50(3) (2015) 315-321.
[6]    Y. Mu, G. Zhao, X. Wu, L. Hang, H. Chu, Continuous modeling and simulation of flow-swell- crystallization behaviors of viscoelastic polymer melts in the hollow profile extrusion process, Applied Mathematical Modelling, 39(3) (2015) 1352-1368.
[7]  J. del Coz Díaz, P.G. Nieto, J.O. Meré, A.B. García, Computer simulation of the laminar nozzle flow of a non-Newtonian fluid in a rubber extrusion process by the finite volume method and experimental comparison, Journal of Non-Crystalline Solids,353(8) (2007) 981-983.
[8]  J. del Coz Díaz, P.G. Nieto, A.B. García, J.G. Muñoz, J.O. Meré, Finite volume modeling of the non-isothermal flow of a non-Newtonian fluid in a rubber’s extrusion die, Journal of Non-Crystalline Solids, 354(47) (2008) 5334-5336.
[9]  Y. Ha, J. Cho, T. Kim, J. Kim, Finite element analysis of rubber extrusion forming process for automobile weather strip, Journal of materials processing technology, 201(1) (2008) 168-173.
[10]  Y. Mu, G. Zhao, Numerical study of nonisothermal polymer extrusion flow with a differential viscoelastic model, Polymer Engineering & Science, 48(2) (2008) 316-328.
[11]   Y. Mu, G. Zhao, A. Chen, X. Wu, Modeling and simulation of polymer melts flow in the extrusion process of plastic profile with metal insert, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 67)1( )2013( 629-646.
[12]   N. Gonçalves, O. Carneiro, J. Nóbrega, Design of complex profile extrusion dies through numerical modeling, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 200 )2013( 103-110.
[13]      K. Kovalenko, A. Kolosov, V. Sivetskii, A. Sokol’skii, Modeling Polymer Melt Flow at the Outlet from an Extruder Molding Tool, Chemical and Petroleum Engineering, 49(11) (2014) 792-797.
[14]     O. Yilmaz, E. Kısasöz, F.S. Guner, C. Nart, K. Kirkkopru, A comprehensive 3D analysis of polymer flow through a conical spiral extrusion die, Fibers and Polymers, 15(1) (2014) 84-90.
[15]   K.  Krebelj, N.  Mole, B.  Štok, Three-dimensional modeling of the stress evolution in injection molded parts based on a known melt pressure field, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 90)5( )2017( 2363-2376.
[16]  R. Nakhoul, P. Laure, L. Silva, M. Vincent, A multiphase Eulerian approach for modelling the polymer injection into a textured mould, International Journal of Material Forming, (2016) 1-14.
[17] S.M. Mukras, F.A. Al-Mufadi, Simulation of HDPE Mold Filling in the Injection Molding Process with Comparison to Experiments, Arabian Journal for Science and Engineering, 41(5) (2016) 1847-1856.
[18] M. Rusdi, M. Abdullah, A. Mahmud, C. Khor, M. Abdul Aziz, Z. Ariff, Numerical Investigation on the Effect of Pressure and Temperature on the Melt Filling During Injection Molding Process, Arabian Journal for Science & Engineering (Springer Science & Business Media BV), 41(5) (2016).
[19] G. Maschinenbau, Gerlach Manufactures Vulcanization Equipment, in: 333, 2018.
[20] J.S. Dick, C. Harmon, A. Vare, Quality assurance of natural rubber using the rubber process analyzer, Polymer Testing, 18(5) (1999) 327-362.
[21] ANSYS FLUENT Theory Guide, 2011.