Improved methodologies for the design of extrusion forming tools

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rajkumar, Ananth
Data de Publicação: 2017
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/48677
Resumo: Doctoral Dissertation for PhD degree in Engineering Design and Advanced Manufacturing – The Leaders for Technical Industries (MIT – Portugal Program)
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spelling Improved methodologies for the design of extrusion forming toolsExtrusion forming toolsthermoplastic profilecomplex geometryExtrusion die designCalibration system designnumerical modellingOpenFOAMferramentas de processamento por extrusãotermoplásticos extrudidosgeometria complexacabeças de extrusãosistema de calibraçãoferramentas numéricasEngenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDoctoral Dissertation for PhD degree in Engineering Design and Advanced Manufacturing – The Leaders for Technical Industries (MIT – Portugal Program)Thermoplastic profiles cover a wide range of applications (window frames, structural components, vehicle door seals, medical catheters, etc.). The inherent design freedom promoted by the employment of thermoplastic profiles is one of the major reasons for their attractiveness. In the current market situation, extrusion industries aim for competitive advantages by delivering quality products within a short time. In order to produce any specific thermoplastic profile, a considerable amount of time is spent on the design of the required extrusion forming tools (namely, the extrusion die and the calibration/cooling system) since this task is usually carried out based on experimental trial-and-error procedures. This approach is highly dependent on the experience of the persons involved and usually requires high consumption of resources. Often, these limitations either inhibit the achievement of an optimal solution or increase significantly the development costs and, consequently, the final price of the produced profiles. As a major consequence, even with obvious advantages in terms of performance, the employment of thermoplastic profiles is still restricted. Obviously, these difficulties are more evident when the new profile to be produced comprises a complex geometry and there is lack of previous experience with similar products. Numerical tools, on the other hand, can provide an alternative route to design/optimize the extrusion forming tools. Even though, most of the profile extrusion forming tool designers prefer to follow the time consuming experimental trial-and-error approach, because of the cost involved in acquiring commercial modeling tools and the lack of knowledge/experience in numerical modeling. The main objective of this PhD project is to establish new and improved design procedures for the extrusion forming tools. These procedures are implemented with the aid of free/open source softwares that can attract the interest of profile extrusion industries. A new die design methodology was proposed along with the development of a solver to model the polymer melt flow inside the extrusion die. The numerical code is developed within the OpenFOAM framework, and verified for proper implementation. The proposed design methodology was used to solve two industrial case studies, proposed by a profile extrusion company. An innovative die design methodology was developed to provide simplified guidelines for the design of complex profile extrusion dies, which can be decomposed in L and T elementary geometries. The methodology is based on surrogate models, its application does not rely on any numerical tools, and it was developed mainly for designers with no access to computational modelling tools. The efficiency of the methodology was proved by assessing it with some illustrative case studies. The range of application of the simplified die design methodology was further enlarged by taking into account the processing and rheological features of the flowing polymeric material. Here, the Power-Law index ‘n’, which has the most influence on the flow distribution, was included in the model. Again, the improved methodology was assessed with complex geometries made of L and T shaped profiles, and proved to be valid for typical thermoplastic polymers. Regarding the calibration system, a numerical code, developed in the OpenFOAM framework to model the heat transfer occurring during the extrusion profile cooling process, was validated with experimental data. A study based on numerical trial-anderror approach was used to illustrate the usefulness of applying numerical tools to aid the design of the calibration systems, and a better alternative for an industrial calibration system was proposed. The work was undertaken in close cooperation with Soprefa, a Portuguese company that has been working for more than two decades in the design and production of extruded thermoplastic profiles. The developed/proposed design methodologies for extrusion forming tools were evaluated in their premises, with case studies proposed by them.Os perfis termo-plásticos estão presentes numa ampla gama de aplicações, tais como caixilharia de janelas, componentes estruturais, vedações de porta de veículos, cateteres médicos, etc. A sua vasta utilização deve-se fundamentalmente à liberdade de formas geométricas que os mesmos permitem criar. Na actual situação de mercado, a competividade das empresas está fortemente dependente da rapidez com que conseguem colocar produtos de qualidade no mercado. No entanto, na produção de perfis termo-plásticos é habitualmente gasto um tempo considerável na concepção das ferramentas de processamento (nomeadamente, a cabeça de extrusão e o sistema de calibração/arrefecimento), uma vez que essa tarefa é, na maioria das vezes, realizada com base em procedimentos de tentativa e erro de base experimental. Deste ponto de vista, o processo torna-se muito dependente da experiência prévia das pessoas envolvidas, e requer a utilização de uma grande quantidade de recursos. Consequentemente, estas limitações inibem a obtenção de uma solução óptima ou aumentam significativamente os custos de desenvolvimento e, dessa forma, o preço final dos perfis produzidos. Assim, mesmo com vantagens óbvias em termos de desempenho, o uso de perfis termo-plásticos é ainda restrito. Estas dificuldades são ainda mais evidentes quando o novo perfil a ser produzido tem uma geometria complexa e existe falta de experiência com produtos similares. Por outro lado, a utilização de livrarias numéricas podem ajudar a projetar e otimizar as ferramentas de processamento por extrusão. Mesmo assim, a maioria dos projetistas de perfis produzidos por extrusão preferem seguir a morosa abordagem de tentativa e erro, isto porque o custo associada a ferramentas numéricas comerciais é bastante elevado e devido à falta de conhecimento/experiência em modelação numérica. O principal objectivo deste projecto de doutoramento é estabelecer procedimentos novos e melhorados para a conceção de ferramentas de processamento por extrusão. Estes procedimentos são suportados pelo recurso a ferramentas numéricas com código livre/aberto, o que pode atrair significativamente o interesse das indústrias de processamento de perfis por extrusão. Neste trabalho é proposta uma nova metodologia de concepção de perfis por extrusão juntamente com o desenvolvimento de um algoritmo numérico capaz de modelar o fluxo de polímero fundido dentro da cabeça de extrusão. O código numérico é desenvolvido recorrendo à biblioteca de código aberto OpenFOAM e a sua implementação é verificada em diversos estudos analíticos. Adicionalmente, a metodologia de concepção de perfis proposta foi usada para resolver dois problemas associados a aplicações industriais. Uma metodologia inovadora para a concepção de cabeças de extrusão foi também desenvolvida neste trabalho, aplicável a geometrias que podem ser decompostas em secções elementares em forma de “L” e “T”, na qual apenas é necessário seguir indicações simples. Esta metodologia, baseada em modelos de substituição, foi desenvolvida visando utilizadores sem acesso a ferramentas numéricas, possibilitando um uso mais alargado no contexto da concepção de cabeças de extrusão. A eficácia da metodologia proposta foi testada em geometrias complexas. A metodologia desenvolvida para a concepção de cabeças de extrusão foi ainda melhorada de forma a ter em conta as características reológicas e de processamento do material polimérico usado. Desta forma, o parâmetro de comportamento do fluído no modelo de viscosidade da Lei de Potência, n, que tem maior influência na distribuição do fluxo, foi incluído nos modelos de substituição. Novamente, a metodologia melhorada foi testada com geometrias complexas, compostas por secções elementares em forma de “L” e “T” e mostrou ser válida para a generalidade de materiais termoplásticos. No que diz respeito ao sistema de calibração efectuou-se a validação experimental de um código numérico desenvolvido na biblioteca OpenFOAM, que permite modelar a transferência de calor ocorrida durante o estágio de arrefecimento do perfil extrudido. Neste caso, realizou-se um estudo numérico, baseado em tentativa e erro, para ilustrar as vantagens da aplicação de ferramentas numéricas no apoio à conceção do sistema de calibração, tendo-se identificado uma alternativa melhor para um sistema de calibração existente numa empresa. Este projeto foi realizado em estreita colaboração com a Soprefa, empresa portuguesa que trabalha há mais de duas décadas na concepção e produção de perfis termoplásticos extrudidos. As metodologias desenvolvidas para a concepção de cabeças de extrusão foram testadas nas instalações da referida empresa e com casos de estudo propostos pela mesma.Nóbrega, J. M.Carneiro, O. S.Tukovic, ZeljkoUniversidade do MinhoRajkumar, Ananth2017-05-172017-05-17T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/48677por101540647info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-05-11T06:26:26Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/48677Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openairemluisa.alvim@gmail.comopendoar:71602024-05-11T06:26:26Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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