Improved simulation methods to control the temperature in thermoplastic extrusion

Abstract

A extrusão de termoplásticos é um método amplamente utilizado para o processamento de materiais termoplásticos, sendo o controlo de temperatura um fator crítico que afeta a qualidade do produto devido à sensibilidade dos materiais termoplásticos à temperatura. As atuais ferramentas de engenharia assistida por computador (CAE) empregues para modelar o processo de extrusão frequentemente simplificam o processo de cálculo do campo de temperatura e baseando-se em aproximações, como a definição de temperatura apenas nas superfícies dos canais de fluxo. Por outro lado, os processos práticos de extrusão usam sensores em locais específicos para monitorizar e regular dispositivos de aquecimento, criando urna lacuna entre a simulação e os sistemas de controlo do mundo real. As consequências dessa diferença nunca foram avaliadas. Esta dissertação de mestrado aborda essas limitações ao introduzir uma abordagem de modelação com múltiplas regiões que representa fielmente a configuração real e o comportamento dos sistemas de controlo de temperatura de extrusão. Nesta dissertação de mestrado, é apresentada uma metodologia Inovadora, com o objetivo de superar as limitações da modelação numérica atual dos processos de extrusão de perfis. A abordagem implementada considera condições de controlo de temperatura mais realistas. As principais contribuições incluem o desenvolvimento de um sistema de cálculo transiente, incompressível, não-isotérmico e com capacidade de resolver múltiplas regiões, implementado na biblioteca computacional OpenFOAM. Além disso, é introduzida uma condição de fronteira inovadora para replicar o controlo Proporcional-Integral-Diferencial (PID) de resistências de aquecimento que as controla com base em medições de termopar. Os resultados do estudo revelam desvios significativos nos campos de temperatura nas paredes dos canais de fluxo em comparação com as abordagens convencionais, enquanto demonstram efeitos reduzidos no campo de velocidade e uniformidade do fluxo na saída, particularmente durante a operação em regime estacionário. Os resultados deste projeto de mestrado contribuem significativamente para o avanço da compreensão dos aspectos dos processos de extrusão, fornecendo informações valiosas para otimizar o controlo de temperatura no processo. Os modelos e análises desenvolvidos estabelecem uma base sólida para investigações futuras nesse domínio e abrem caminho para o desenvolvimento de estratégias de controlo de temperatura mais eficientes e precisas na extrusão de termoplásticos.

Thermoplastic extrusion is a widely utilized method for processing thermoplastic materials, with temperature control being a critical factor impacting product quality due to the temperature sensitivity of thermoplastic materials. Current computer-aided engineering (CAE) tools for modeling the extrusion process often oversimplify the temperature field calculation, relying on approximations such as performing the temperature calculation just to to the flow channel surfaces. Practical extrusion processes, on the other hand, use sensors at specific locations to monitor the temperature and control the operation of the heating devices, creating a gap between simulation and real-world control systems. The consequences of these differences were never assessed before. This MSc dissertation addresses these shortcomings by introducing a multi-region modeling approach that faithfully represents the actual setup and behavior of extrusion temperature control systems. Within this master's dissertation, a novel methodology is presented, aimed at overcoming the limitations of current state-of-the-art numerical modeling in profile extrusion transformation processes. The approach focus on achieving more realistic temperature control conditions, departing from the simplifications employed in previous approaches. Key contributions include the development of a transient, incompressible, non-isothermal, and multi-region solver incorporated into the OpenFOAM computational library. Additionally, a specialized boundary condition is introduced to emulate Proportional-Integral-Differential (PID) control of heaters based on real-time thermocouple measurements. The study's findings reveal deviations in temperature fields at flow channel walls compared to conventional assumptions, while demonstrating reduced effects on the velocity field and flow uniformity at the outlet, particularly during steady-state operation conditions. The outcomes of this MSc project significantly contribute to advancing our comprehension of the thermal aspects in extrusion processes, providing valuable insights for optimizing temperature control within the process. The developed models and analyses establish a strong foundation for future research in this domain and pave the way for the development of more efficient and precise temperature control strategies in thermoplastic extrusion.