Development of a coextrusion system of multifunctional filaments for the production of high performance ropes

Abstract

Due to the increasingly demand on performance, several products that were in the past manufactured using just one material, are nowadays designed to incorporate more than one. This allows to take advantage of the specific properties of each material employed, like mechanical, barrier, chemical resistance, etc. However, the difficulties to anticipate the flow of several rheologically complex materials inside the production tools, are significantly increased when more than one material flows in the same channel. Based on the above, numerical modelling tools may play an important role to support the designer’s activity, especially when dealing with products for which there is no previous experience. This MSc project aims to evaluate the capability of using OpenFOAM® framework to support the design of coextrusion processing tools and to develop a new semi-industrial filament coextrusion die. The numerical code assessment was started with verification studies, where numerical results obtained with the OpenFOAM® framework code were compared with data available in the scientific literature. Subsequently the assessment was performed with two experimental case studies, corresponding to extrusion dies to produce simple and coextruded filaments. The results obtained show clearly that OpenFOAM® was able to capture several flow effects, namely the interface location, and thus seems to be adequate to support the design of coextrusion production tools. The final part of the work comprised the design of a semiindustrial filament coextrusion die capable of produce filaments with different formulations, at a relative wide range of mass flow rates, which was done with the support of the OpenFOAM® computational library.

Devido à crescente procura de melhores propriedades, muitos produtos que no passado eram produzidos só com um material, são nos dias de hoje projetados para serem constituídos por mais do que um material. Este facto permite tirar partido de propriedades específicas de cada material utilizado, como propriedades mecânicas, barreira, resistência química, etc. Contudo, as dificuldades em antecipar o fluxo de vários materiais reologicamente complexos dentro das ferramentas de produção são significativamente aumentadas quando mais do que um material fluí no mesmo canal. Baseado no anteriormente exposto, as ferramentas de modelação numérica podem desempenhar um papel importante no apoio à atividade do projetista, especialmente quando aplicadas em produtos nos quais não existe experiência prévia. Este projeto de mestrado pretende avaliar a capacidade em usar a libraria computacional OpenFOAM® no auxílio à conceção de ferramentas para o processo de coextrusão e em desenvolver uma nova cabeça de coextrusão de filamento semi-industrial. A avaliação do código numérico começou com estudos de verificação, conseguidos pela comparação de resultados obtidos através do OpenFOAM® com dados disponíveis na literatura cientifica. Subsequentemente a avaliação foi realizada para dois casos de estudo experimentais, correspondentes a cabeças de extrusão utilizadas para produzir filamentos simples e coextrudidos. Os resultados obtidos demonstram que a libraria computacional OpenFOAM® é capaz de capturar vários efeitos no fluxo, nomeadamente a localização da interface, parecendo assim adequado para auxiliar a conceção de ferramentas de coextrusão. A última tarefa do projeto consistiu na conceção de uma cabeça de coextrusão de filamentos semi-industrial capaz de produzir filamentos com diferentes formulações, numa relativa vasta gama de débitos mássicos, conseguida com a ajuda da libraria computacional OpenFOAM®.