Computational modelling and optimisation of the Extrusion Blow Moulding process

Abstract

The Extrusion Blow Moulding (EBM) process is one of the most widely used methods for producing hollow thermoplastic containers. The development of advanced computational tools to simulate EBM primary phases is a straightforward way for improving process efficiency, reducing production costs, and understanding the complex behaviours of the materials involved. This research aims to create this numerical framework, improve material usage efficiency, reduce waste, and adjust process control variables, aiming for more sustainable manufacturing. The open-source computational library OpenFOAM® was chosen to be used and create new libraries and enhance existing ones, enabling the simulation of the key stages of the EBM process, namely the parison extrusion, mould clamping and parison inflation. The implemented tools were designed to be flexible and in the future allow the creation of an integrated modelling code, covering all process, to overcome the limitations of the currently available proprietary simulation software. Viscoelastic and hyperelastic material models were incorporated to simulate the different phases of the process, improving the numerical predictions of polymer rheology during its processing. The finite area class and method were utilised to simulate deformable membranes and employed in the mould clamping and inflation phases. Additionally, multi-phase flow modelling was employed to simulate the extrusion phase, where a new solver with an advanced method for capturing the interface between the polymer and air was deployed. The geometry of a real extrusion tool was analysed to evaluate thickness distribution and the impact of support air in assisting with the extrudate formation. Another significant contribution of this work is the development of an automated optimisation methodology for thickness distribution, enhancing material usage efficiency, particularly in the packaging sector. This tool promotes digital manufacturing and integrates Industry 4.0 concepts, facilitating further improvements in EBM production systems. The method aims for precise control over the extrudate thickness along its length, analogous to real process control variables, minimising deviations between the obtained and desired values for the final product. The models were validated through analytical and experimental methods, demonstrating that the simulated results closely aligned with reference data. Accurate simulation predictions offer valuable insights for decision-makers, underscoring the potential of the implemented numerical tools to enhance the efficiency of the EBM process. Overall, this research advances the understanding of EBM processes and offers a powerful tool for both industry and academia, contributing to the continuous transformation towards more sustainable and efficient manufacturing practices.

O processo de Moldação por Extrusão e Sopro (MES) é umdosmétodosmais utilizados para a produção de recipientes ocos com materiais termoplásticos. O desenvolvimento de ferramentas computacionais avançadas para simular suas principais fases é uma forma expedita para melhorar sua eficiência, reduzir custos de produção e compreender a reologia complexa dos materiais envolvidos. Esta pesquisa visa criar esta ferramenta, melhorar a eficiência do uso de material, reduzir desperdícios e ajustar variáveis de controlo do processo e uma manufatura mais sustentável. Utilizou-se da biblioteca computacional de código aberto OpenFOAM® para criar novas bibliotecas e melhorar algumas das já existentes, de modo a simular principais fases da MES. As ferramentas concebidas são flexíveis, e superam as limitações existentes nos softwares de simulação comerciais da MES. Assim, os códigos podem ser ampliados e personalizados para atender às necessidades da indústria e academia. Modelos de materiais viscoelásticos e hiperelásticos melhoraram as previsões numéricas dos comportamentos dos termoplásticos durante o seu processamento. A classe e o método de área finitas foram utilizados para simular membranas deformáveis, sendo aplicados às fases de fecho do molde e insuflação. Adicionalmente, a modelação de escoamentos multifásicos, assim como um novo código com um método avançado de captura da localização da interface, foram empregues nas simulações da fase de extrusão. A geometria de uma ferramenta de extrusão real foi analisada para avaliar a distribuição de espessuras resultante e o impacto do ar de suporte na formação do extrudido. Outra contribuição relevante foi o desenvolvimento de uma metodologia automatizada de otimização da distribuição de espessuras, melhorando a eficiência da utilização de material, no setor das embalagens. Esta ferramenta promove a manufatura digital e incorpora conceitos da Indústria 4.0, levando melhorias nos sistemas de produção com o MES. O método visa o controlo sobre as espessuras do extrudido ao longo do seu comprimento, análogo às variáveis de controlo do processo real, minimizando as diferenças entre os valores obtidos e os valores desejados para o produto final. Os modelos foram validados por métodos analíticos e experimentais, nos quais os resultados simulados apresentaram valores e distribuição similares aos dados de referência. As previsões das simulações fornecem informações valiosas para a tomada de decisões, destacando o potencial das ferramentas numéricas implementadas para melhorar a eficiência do processo MES. Este trabalho de investigação apresenta contribuições efetivas para a compreensão dos processos baseados em MES, e oferece uma ferramenta poderosa tanto para a indústria como para a academia, contribuindo para a transformação contínua rumo a práticas de manufatura mais sustentáveis e eficientes.