Projeto Assistido por Computador no Apoio à Concepção de Ferramentas de Extrusão
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- Thomaz Henriques Castro
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1 Projeto Assistido por Computador no Apoio à Concepção de Ferramentas de Extrusão J. M. Nóbrega e O.S. Carneiro mnobrega@dep.uminho.pt / olgasc@dep.uminho.pt Universidade do Minho Escola de Engenharia PIEP - Pólo de Inovação em Engenharia de Polímeros IPC Instituto de Polímeros e Compósitos I3N Instituto de Nanoestuturas, Nanomodelação e Nanofabricação 27 a 29 de Outubro de Aveiro Associação Portuguesa da Indústria de Plásticos
2 Conteúdo Motivação Introdução Cabeças de Extrusão Calibradores Desenvolvimentos em Curso 2
3 Motivação Projeto de Moldes Extrusão de perfis Polyflow 3
4 Introdução - Extrusão de Perfis Extrusora Cab. extrusão Calibração / Arrefecimento Puxo Serra 4
5 Cabeças de Extrusão Equilíbrio de Fluxo Fluxo OK Fluxo nok Extruder Die Calibration/Cooling Haul-off Saw Secção transversal Distribuição de Velocidades Ensaio Experimental 6
6 Cabeças de Extrusão Fontes de Erro Projeto Maquinagem Teste Perfil Concepção Fontes de Erro Precisão do modelo Precisão de maquinagem Variações dos parâmetros do processo e no comportamento da matéria-prima 7
7 Cabeças de Extrusão Projeto Automático Parâmetros Trial Parameters tentativos Pré-Processador Pre-Processor Geometria Geometry Malha Mesh 3D non-isothermal Modelação numérica flow field calculation do Fluxo (FVM) F Velocidade Velocity Pressure Pressão Temperatura Temperature Avaliação Performance do Desempenho Evaluation n obj i1 2 V i 1 k1 1 Vobj, i L L t ti min 2 Ai A Modificação Modification dos of the parâmetros controllable geométricos geometrical parameters até obter until equilíbrio the optimum de fluxo is reached 8
8 Cabeças de Extrusão Projeto Automático Parâmetros Trial Parameters tentativos Pré-Processador Pre-Processor Função Objetivo Geometria Geometry Malha Mesh 3D non-isothermal Modelação numérica flow field calculation do Fluxo (FVM) Área relativa Velocidade Velocity Pressure Pressão Temperatura Temperature F n obj i1 Avaliação Performance do Desempenho Evaluation 2 V i 1 k1 1 Vobj, i L L t ti min 2 Ai A Modificação Modification dos of the parâmetros controllable geométricos geometrical parameters até obter until equilíbrio the optimum de fluxo is reached Distribuição de Fluxo Valor L/t Admissível 9
9 Cabeças de Extrusão Projeto Automático Parâmetros Trial Parameters tentativos Pré-Processador Pre-Processor Geometria Geometry Malha Mesh 3D non-isothermal Modelação numérica flow field calculation do Fluxo (FVM) F Velocidade Velocity Pressure Pressão Temperatura Temperature Avaliação Performance do Desempenho Evaluation n obj i1 2 V i 1 k1 1 Vobj, i L L t ti min 2 Ai A Modificação Modification dos of the parâmetros controllable geométricos geometrical parameters até obter until equilíbrio the optimum de fluxo is reached Estratégias de Projeto 10
10 Cabeças de Extrusão Estratégias de Projeto t Perfil Geometria do Canal de Fluxo L
11 Cabeças de Extrusão Estratégias de Projeto Perfil requerido Variável a Optimizar Canal de Fluxo Puxo Perfil Final t 2 Comprimento V2 t 1 t 1 t 2 V 1 V 3 V 3 V 1 = V 3 V 2 t 2 Espessura V 2 t 1 V 1 V 3 V 1 V 3 V 2
12 Cabeças de Extrusão Estratégias de Projeto Perfil requerido Variável a Optimizar Canal de Fluxo Puxo Perfil Final t 2 Comprimento V2 t 1 t 1 t 2 V 1 V 3 V 3 V 1 = V 3 V 2 t 2 Espessura V 2 t 1 V 1 V 3 V 1 V 3 V 2
13 Cabeças de Extrusão Requisitos da Modelação Canal de Fluxo Modelação Numérica Estratégia de Projeto L T 3D 2D
14 Cabeças de Extrusão Optimização Dimensões iniciais do Canal de Fluxo ES t i [mm] L i [mm] L i /t i
15 Cabeças de Extrusão Optimização
16 Cabeças de Extrusão Optimização Equação Constitutiva, T F H T H T Malha computacional F Condições de Fronteira 0 1 Fluxo 1n 2 2 H T 1 1 exp T 20 kg/h T Temperatura à entrada 230 ºC Temperatura das parede 230 ºC Paredes internas adiabático Designação das Geometrias DieINI Tentativa inicial DieL Optimização do Comprimento DieT Optimização da Espessura
17 Diferença para a Final Cabeças de Extrusão Optimização Difference to Final Solution Difference to Final Solution F obj Fobj % 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0:00 0:01 0:01 0:02 0:00 0:01 0:01 0:02 0:02 0:03 0:03 0:02 0:03 0:03 DieL Cells Along Thickness :04 0:04 0:07 0:19 0:31 0:43 1:18 4:48 Calculation Time [hh:mm] Cells Along Thickness Calculation Time [hh:mm] 0:04 0:04 0:07 0:19 0:31 0:43 1:18 4:48 17:44 17:44 24:00 43:12 - Mesh Refinment Opt1 Opt23 Opt4 Opt5 Opt6 24:00 43:12 - Mesh Refinment F obj % 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 2 0:00 0:01 0:01 0:03 0:05 0:07 0:12 0:25 0:38 0:52 0:00 0:01 0:01 0:03 0:05 0:07 0:12 0:25 0:38 0:52 DieT Cells Along Thickness Calculation Time [hh:mm] Cells Along Thickness Calculation Time [hh:mm] 1:20 2:02 3:11 4:29 8:25 9:45 11:08 16:35 22:40 34:41 59:00 66:28 88:46 1:20 2:02 3:11 4:29 8:25 9:45 11:08 16:35 22:40 34:41 59:00 66:28 111:05 - Mesh Refinment Opt1 Opt23 Opt4 Opt5 Opt6 88:46 111:05 - Mesh Refinment
18 Cabeças de Extrusão Optimização DieIni DieL DieT Velocidade [m/s]
19 Cabeças de Extrusão Optimização DieIni DieL DieT
20 Cabeças de Extrusão Validação Experimental Áreas relativas das Secções Elementares ES5 ES6 ES4 ES2+3 ES1 Run ID INI L T ES1 ES2+3 ES4 ES5 ES6 M C D -9.4 % % 0.0 % -5.6 % 5.4 % I 9.0 % 9.5 % 4.2 % 14.2 % 3.9 % M C D -1.2 % -2.3 % 2.1% 3.8% -1.0% I 6.7% 4.9% 5.6% 8.8% 3.9% M C D 0.0 % -1.5 % -2.5 % 0.5 % 3.1 % I 6.3 % 4.4 % 4.9 % 8.2 % 5.6 % Medida (M), Calculada (C), Diferença(D), Incerteza (I)
21 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Sensibilidade aos Parâmetros do Processo e propriedades da matéria-prima Os fatores considerados foram divididos em dois grupos: i) Condições de processamento: V, T w ii) Propriedades da matéria-prima: n Os testes (simulações) foram efetuados com base numa análise de Taguchi, considerando três níveis para cada fator
22 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura DP Sensibilidade aos Parâmetros do Processo e propriedades da matéria-prima 15% DF obj 10% 5% 0% -5% DieL DieT -10% T n W V 20% 15% DieL DieT 10% 5% 0% -5% T n W V
23 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura t Sensibilidade à imprecisão de maquinagem Cabeça de extrusão Estudos efetuados DieL L DieT Geometria do Canal de Fluxo A imprecisão de maquinagem foi simulada (imposta) em ambas as cabeças de extrusão optimizadas
24 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Sensibilidade à imprecisão de maquinagem Fobj/Fobj opt 1,25 1,20 DieL 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 ES1 ES23 ES4 ES5 ES6 0,80 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 D/D opt Efeito dos erros no comprimento das secções elementares
25 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Sensibilidade à imprecisão de maquinagem Fobj/Fobj opt 2,00 1,90 1,80 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 DieT 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 ES1 ES23 ES4 ES5 ES6 D/D opt Efeito dos erros na espessura das secções elementares
26 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Sensibilidade à imprecisão de maquinagem Fobj/Fobj opt 1,20 1,15 1,10 1,05 DieL ES1 ES23 ES4 ES5 ES6 1,00 0,95 0,90 D/D opt 0,92 0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 Efeito dos erros na espessura das secções elementares
27 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Sensibilidade à imprecisão de maquinagem Fobj/Fobj opt 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 DieT ES1 ES23 ES4 ES5 ES6 0,80 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 D/D opt Efeito dos erros no comprimento das secções elementares
28 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Perfil requerido Variável a Optimizar Canal de Fluxo Puxo Perfil Final t 2 Comprimento V2 t 1 t 1 t 2 V 1 V 3 = V 1 V 3 V 3 V 2 Espessura V 2 t 1 t 2 V 1 V 3 V 1 V 3 V 2
29 Cabeças de Extrusão Comprimento vs Espessura Razão V max / V Geometria ES1 ES2 ES3 ES4 ES5 ES6 DieINI DieL DieT ES5 DieL ES4 ES ES6 ES2 ES1 ES3 DieT
30 Cabeças de Extrusão - Conclusão Código numérico validado experimentalmente Optimização automática testada com sucesso Comparação das estratégias de projeto: Estratégia Parâmetros do Processo Sensibilidade Propriedades da Matéria-prima Imprecisão de Maquinagem Requisitos de modelação Estabilidade Dimensional Comprimento = 3D Espessura = 2D A Modelação numérica suporta a compreensão do processo
31 Calibradores - Introdução Extrusora Cab. extrusão Calibração / Arrefecimento Puxo Serra T T s T
32 Calibradores Condições de Fronteira Temperatura imposta Adiabática Temperatura Imposta Resistência de Contacto Sentido de extrusão Convecção natural e radiação
33 Calibradores Exemplo de Cálculo Cálculo 3D da distribuição de temperaturas
34 Calibradores Comportamento do Sistema Estudo da influência dos parâmetros do processo, condições fronteira e layout de calibração no desempenho do sistema Conclusão: Em general T T Excepções X Polym Eng Sci, 44 (2004), p
35 Calibradores Comportamento do Sistema T, ºC Die Calibrator T,ºC Length, mm 0
36 Calibradores Comportamento do Sistema T, ºC Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator T,ºC Length, mm 0
37 Calibradores Comportamento do Sistema T, T, ºC ºC Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator T,ºC T,ºC Length, mm Length, mm 0 Die Calibrator 1
38 Calibradores Comportamento do Sistema Influência da Distribuição de Comprimentos LCi and Dij 10 LC1 D12 LC2 D23 LC3 Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3
39 Calibradores Comportamento do Sistema 10 LC1 D12 LC2 D23 LC3 Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3 LCi LC1 LC2 LC3 Dij D12 D23 [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] LCi (600 mm), D (240 mm) (system length = 850 mm)
40 Calibradores Comportamento do Sistema 10 LC1 D12 LC2 D23 LC3 Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3 LCi LC1 LC2 LC3 Dij D12 D23 [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [ºC] [%] [ºC] [%] % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % T T LCi (600 mm), D (240 mm) (system length = 850 mm)
41 Calibradores Comportamento do Sistema T, ºC Calibrator 3 Die Calibrator 1 Calibrator T,ºC Length, mm 0 Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3
42 Calibradores Comportamento do Sistema Influência da Temperatura de Arrefecimento TCi 10 LC1 D12 LC2 D23 LC3 Die Calibrator 1 TC1 Calibrator 2 TC2 Calibrator 3 TC3
43 Calibradores Comportamento do Sistema TC1 TC2 TC3 TCi [ºC] [ºC] [ºC] Die Calibrator Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3 LCi + Dij Die Calibrator 1 Calibrator 2 LCi + Dij Calibrator ºC <= TCi <= 26ºC
44 Calibradores Comportamento do Sistema TC1 TC2 TC3 TCi [ºC] [ºC] [ºC] [ºC] [%] [ºC] [%] T T Die Calibrator Die Calibrator 1 Calibrator 2 Calibrator 3 LCi + Dij % % % % % % % % % % Die Calibrator 1 Calibrator 2 LCi + Dij Calibrator % % % % % % % % % % 10ºC <= TCi <= 26ºC
45 Calibradores Comportamento do Sistema T, ºC Calibrator 3 Die Calibrator 1 Calibrator 2 10ºC 18ºC 26ºC T,ºC Length, mm Calibrator 3 0 Die Calibrator 1 Calibrator 2 18ºC 18ºC 18ºC
46 Calibradores Conclusão Sistemas de Calibração com o comprimentos decrescentes das unidades de calibração; o comprimentos crescentes dos espaçamentos; o temperaturas de arrefecimento crescentes; apresentam um desempenho superior; A Modelação numérica suporta a compreensão do processo.
47 Desenvolvimentos em Curso Implementação de novas condições de fronteira Sem escorregamento Com Escorregamento u u Superfície-livre Escorregamento na parede
48 Desenvolvimentos em Curso Desenvolvimento de código numérico para geometrias complexas
49 Desenvolvimentos em Curso Implementação da previsão das tensões residuais desenvolvidas durante o arrefecimento
50 Desenvolvimentos em Curso Caraterização experimental da resistência de contacto em calibração
51 Obrigado pela Atenção! Questões?
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