Simulation und Optimierung mit FEM Schnell und effektiv
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Optimierung von Breitschlitzwerkzeugen zur Tafelherstellung

Einleitung

Auf dieser Seite stellen wir ihnen die Optimierung einer Breitschlitzdüse zur Herstellung von Kunststoffplatten dar.


Das Ziel der Optimierung ist eine ideale Gestaltung des Strömungskanals.

Vorrangig soll eine möglichst gleichmäßige Austrittsgeschwindigkeit des Materials über den gesamten Düsenaustritt erreicht werden.

Zusätzlich werden Verweilzeiten im Werkzeug minimiert, um bspw. Verbrennungen zu vermeiden. 

 
 Breitschlitzdüse

Vorgaben und Randbedingungen

Als Vorgaben sind die gewünschte Plattenbreite und Plattendicke erforderlich, sowie die Abmessungen des Extruderanschlusses und des Werkzeugs.

Für den Druckverbrauch kann eine Spanne vorgeben werden.

Die vorgesehene Abzugsgeschwindigkeit wird überprüft, die optimierte Düse kann jedoch in der Regel in einer großen Bandbreite von Betriebspunkten betrieben werden.

Materialmodell

Zur korrekten rheologischen Behandlung des Materials werden die Materialparameter gemäß einem der üblich Carreau-Viskositätsmodelle vorgegeben.

Für die hier vorgestellt Optimierung wurde das nebenstehende Modell verwendet.

Optimierung

Zur Optimierung des Fliesskanals stehen hier 4 Parameter (Nullradius, Dammlänge, Verlauf Verteilerkanal, Dammhöhe) zur Verfügung. Die prozentuelle Veränderung der Parameter zwischen den Werkzeugversionen wird jeweils angegeben. 

Materialmodell 
  

Version 1 

Geschwindigkeiten 

In der Ausgangsversion zeigt sich ein deutliches Geschwindigkeitsmaximum im Zentrum des Austritts.

 
 Geschwindigkeitsverteilung Austritt
Druckabfall 

Der Druckabfall ist gekennzeichnet durch einen fast bogenfärmigen Verlauf der Druckisobaren.

Hier ist eine Ausrichtung der Isobaren parallel zur Austrittsfläche anzustreben. 

Druck 
Scherraten 

Die Scherraten zeigen hohe Werte im Zentrum der Düse, sowie niedrige Scherraten am Aussenrand.

Dies führt zu niedrigen Viskositäten im Zentrum und verstärkt den Materialdurchsatz dort zusätzlich. 

 Scherraten

Version 2 

Geschwindigkeiten 

In der zweiten Version des Fliesskanals wurde der Parameter 1 um 65% erhöht.

Sichtbar wird dies am vergrößerten Radius des Verteilkanals (schön zu sehen in der direkten Gegenüberstellung unten auf der Seite).

Das Geschwindigkeitsmaximum wird durch die Geometrieänderung deutlich nach aussen verlagert. 

 
 Geschwindigkeitsverteilung Austritt
Druckabfall 

Auch bei den Druckisobaren wird deutlich, dass durch die Parameterveränderung leicht über das Ziel hinausgeschossen wurde.

Die Isobaren sind von einem konkaven Verlauf zu einem konvexen Verlauf (aus Sicht des Zulaufs) umgeschlagen.

Druck 
Scherraten 

Die Scherraten im Inselfeld sind homogener geworden.

Das Maximum liegt jedoch auch hier ganz am Aussenrand des Fliesskanals. 

 Scherraten

Version 3 

Geschwindigkeiten 

Parameter 1 wird in der dritten Version des Werkzeugs wieder um 33% reduziert.

Erwartungsgemäß glättet sich das Geschwindigkeitsfeld am Austritt weitgehend.

Lediglich der äusserste Rand weist noch einen deutlichen Abfall der Geschwindigkeit auf. 

 
 Geschwindigkeitsverteilung Austritt
Druckabfall 

Der Druckverlauf im Inselfeld hat die gewünschten parallelen Isobaren zum Austritt.

Druck 
Scherraten 

Ebenso sind die Scherraten im Inselfeld abgesehen vom Aussenrand weitgehend homogen.

 Scherraten

Version 3 

Geschwindigkeiten 

In der vierten Version wurde Parameter 4 um 48% gesenkt.

Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Austrittsgeschwindigkeit am Aussrand, ohne dabei den übrigen Austrittsbereich zu stark zu verziehen. 

 
 Geschwindigkeitsverteilung Austritt
Druckabfall 

Der Druckverlauf hat akzeptable Werte erreicht.

Die Isobaren im Inselfeld verlaufen parallel zum Austritt.

Der gesamte Druckverbrauch liegt im gewünschte Wertebereich. 

Druck 
Scherraten 

Die Scherraten sind über die gesamte Breite des Werkzeugs weitgehend homogen.

Beachten sie, dass sie im unteren Bereich dieser Webseite die Ergebnisse jeweils gleich skaliert gegenüberstellen können. 

 Scherraten

Vergleich der Versionen 

Zum Vergleich der Blockgeschwindigkeiten am Austritt wird die Austrittsfläche segmentiert (vgl. auch die Ausführung zur SoDiS-Analyse auf den übrigen Seiten der Homepage).

 
 Segmentierung

Die Entwicklung der Geschwindigkeitsverteilung am Austritt ist im nebenstehenden Diagramm anhand der Blockgeschwindigkeiten dargestellt.

Im Falle der optimierten vierten Version ist die durchschnittliche Abweichung der einzelnen Segmente von der gesamten Abzugsgeschwindigkeit auf 4.0% reduziert worden.

Blockgeschwindigkeiten 

Im Balkendiagramm kann für jedes Segment das "Einschwingen" auf den optimierten Zustand verfolgt werden.

Man erkennt: der optimierte Fliesskanal kann gezielt durch Variation der Parameter ermittelt werden. 

 Scherraten
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Durch Anklicken der Reiter können sie die Ergebnisse der verschiedenen Optimierungsschritte paarweise gegenüberstellen.

Fliesskanalabmessungen, Version 1

Fliesskanalabmessungen, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 1

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 1

Druckverteilung, Version 1 
Druckverteilung, Version 1

Scherraten, Version 1 
Scherraten, Version 1

 Viskositäten, Version 1

 Viskositäten, Version 1


Fliesskanalabmessungen, Version 1

Fliesskanalabmessungen, Version 1


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1


Geschwindigkeiten, Version 1 

 Geschwindigkeiten, Version 1


Druckisobaren, Version 1

Druckisobaren, Version 1


 Scherraten, Version 1

Scherraten, Version 1


Viskositäten, Version 1

Viskositäten, Version 1 


Fliesskanalabmessungen, Version 2

Fliesskanalabmessungen, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 2

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 2

Druckverteilung, Version 2 
Druckverteilung, Version 2

Scherraten, Version 2 
Scherraten, Version 2

 Viskositäten, Version 2

 Viskositäten, Version 2


Fliesskanalabmessungen, Version 2

Fliesskanalabmessungen, Version 2


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2


Geschwindigkeiten, Version 2 

 Geschwindigkeiten, Version 2


Druckisobaren, Version 2

Druckisobaren, Version 2


 Scherraten, Version 2

Scherraten, Version 2


Viskositäten, Version 2

Viskositäten, Version 2


Fliesskanalabmessungen, Version 3

Fliesskanalabmessungen, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 3

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 3

Druckverteilung, Version 3 
Druckverteilung, Version 3

Scherraten, Version 3 
Scherraten, Version 3

 Viskositäten, Version 3

 Viskositäten, Version 3


Fliesskanalabmessungen, Version 3

Fliesskanalabmessungen, Version 3


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3


Geschwindigkeiten, Version 3 

 Geschwindigkeiten, Version 3


Druckisobaren, Version 3

Druckisobaren, Version 3


 Scherraten, Version 3

Scherraten, Version 3


Viskositäten, Version 3

Viskositäten, Version 3


Fliesskanalabmessungen, Version 4

Fliesskanalabmessungen, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 4

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 4

Druckverteilung, Version 4 
Druckverteilung, Version 4

Scherraten, Version 4 
Scherraten, Version 4

 Viskositäten, Version 4

 Viskositäten, Version 4


Fliesskanalabmessungen, Version 4

Fliesskanalabmessungen, Version 4


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4


Geschwindigkeiten, Version 4 

 Geschwindigkeiten, Version 4


Druckisobaren, Version 4

Druckisobaren, Version 4


 Scherraten, Version 4

Scherraten, Version 4


Viskositäten, Version 4

Viskositäten, Version 4


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Durch Anklicken der Reiter können sie die Ergebnisse der verschiedenen Optimierungsschritte paarweise gegenüberstellen.

Fliesskanalabmessungen, Version 1

Fliesskanalabmessungen, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 1

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 1

Druckverteilung, Version 1 
Druckverteilung, Version 1

Scherraten, Version 1 
Scherraten, Version 1

 Viskositäten, Version 1

 Viskositäten, Version 1


Fliesskanalabmessungen, Version 1

Fliesskanalabmessungen, Version 1


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 1


Geschwindigkeiten, Version 1 

 Geschwindigkeiten, Version 1


Druckisobaren, Version 1

Druckisobaren, Version 1


 Scherraten, Version 1

Scherraten, Version 1


Viskositäten, Version 1

Viskositäten, Version 1 


Fliesskanalabmessungen, Version 2

Fliesskanalabmessungen, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 2

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 2

Druckverteilung, Version 2 
Druckverteilung, Version 2

Scherraten, Version 2 
Scherraten, Version 2

 Viskositäten, Version 2

 Viskositäten, Version 2


Fliesskanalabmessungen, Version 2

Fliesskanalabmessungen, Version 2


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 2


Geschwindigkeiten, Version 2 

 Geschwindigkeiten, Version 2


Druckisobaren, Version 2

Druckisobaren, Version 2


 Scherraten, Version 2

Scherraten, Version 2


Viskositäten, Version 2

Viskositäten, Version 2


Fliesskanalabmessungen, Version 3

Fliesskanalabmessungen, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 3

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 3

Druckverteilung, Version 3 
Druckverteilung, Version 3

Scherraten, Version 3 
Scherraten, Version 3

 Viskositäten, Version 3

 Viskositäten, Version 3


Fliesskanalabmessungen, Version 3

Fliesskanalabmessungen, Version 3


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 3


Geschwindigkeiten, Version 3 

 Geschwindigkeiten, Version 3


Druckisobaren, Version 3

Druckisobaren, Version 3


 Scherraten, Version 3

Scherraten, Version 3


Viskositäten, Version 3

Viskositäten, Version 3


Fliesskanalabmessungen, Version 4

Fliesskanalabmessungen, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 4

Blockgeschwindigkeiten Austritt, Version 4

Druckverteilung, Version 4 
Druckverteilung, Version 4

Scherraten, Version 4 
Scherraten, Version 4

 Viskositäten, Version 4

 Viskositäten, Version 4


Fliesskanalabmessungen, Version 4

Fliesskanalabmessungen, Version 4


Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4

Geschwindigkeitsverteilung Austritt, Version 4


Geschwindigkeiten, Version 4 

 Geschwindigkeiten, Version 4


Druckisobaren, Version 4

Druckisobaren, Version 4


 Scherraten, Version 4

Scherraten, Version 4


Viskositäten, Version 4

Viskositäten, Version 4