Computer aided design of extrusion forming tools for complex geometry profiles

Abstract

In the profile extrusion, the experience of the die designer is crucial for obtaining good results. In industry, it is quite usual the need of several experimental trials for a specific extrusion die before a balanced flow distribution is obtained. This experimental based trial-and-error procedure is time and money consuming, but, it works, and most of the profile extrusion companies rely on such method. However, the competition is forcing the industry to look for more effective procedures and the design of profile extrusion dies is not an exception. For this purpose, computer aided design seems to be a good route. Nowadays, the available computational rheology numerical codes allow the simulation of complex fluid flows. This permits the die designer to evaluate and to optimize the flow channel, without the need to have a physical die and to perform real extrusion trials. In this work, a finite volume based numerical code was developed, for the simulation of non-Newtonian (inelastic) fluid and non-isothermal flows using unstructured meshes. The developed code is able to model the forming and cooling stages of profile extrusion, and can be used to aid the design of forming tools used in the production of complex profiles. For the code verification three benchmark problems were tested: flow between parallel plates, flow around a cylinder, and the lid driven cavity flow. The code was employed to design two extrusion dies to produce complex cross section profiles: a medical catheter die and a wood plastic composite profile for decking applications. The last was experimentally validated. Simple extrusion dies used to produced L and T shaped profiles were studied in detail, allowing a better understanding of the effect of the main geometry parameters on the flow distribution. To model the cooling stage a new implicit formulation was devised, which allowed the achievement of better convergence rates and thus the reduction of the computation times. Having in mind the solution of large dimension problems, the code was parallelized using graphics processing units (GPUs). Speedups of ten times could be obtained, drastically decreasing the time required to obtain results.

No processo de extrusão de perfis, a experiência do projetista é crucial para a obtenção de bons resultados. Na indústria, é bastante usual serem necessárias várias modificações na geometria do canal de fluxo da cabeça de extrusão para a obtenção de distribuição de fluxo equilibrada. Geralmente, o procedimento é baseado num processo de tentativa-e-erro, que consome muito tempo e dinheiro, mas funciona, e muitas das empresas de extrusão utilizam esta metodologia. A concorrência tem forçando a indústria a procurar procedimentos mais eficientes, e o projeto de cabeças de extrusão não é exceção. Para este efeito, o projeto assistido por computador parece ser uma boa via. Atualmente, os códigos numéricos de reologia computacional permitem simular escoamentos de fluidos complexos. Este facto permite ao projetista avaliar e otimizar o canal de fluxo, sem a necessidade de ter, fisicamente, uma cabeça de extrusão e fazer testes experimentais. Neste trabalho foi desenvolvido um código numérico baseado no método dos volumes finitos, para a simulação de escoamentos de fluídos não-Newtonianos (inelásticos) e não isotérmicos, usando malhas não estruturadas. O código desenvolvido é capaz de modelar as etapas de extrusão e arrefecimento do perfil extrudido, e pode ser usado para auxiliar o projeto de ferramentas de extrusão empregues na produção de perfis complexos. Para verificar o código foram testados três problemas de referência: fluxo entre placas paralelas, fluxo à volta de cilindro e escoamento em cavidade bidimensional. O código foi usado no projeto de duas cabeças de extrusão para a produção de perfis de secção transversal com geometria complexa: um cateter para aplicações médicas e um perfil em madeira compósita para aplicações em pisos de áreas externas. A última foi validada experimentalmente. O desempenho de cabeças de extrusão para a produção de perfis simples, em forma de L e T, foi estudado em detalhe, permitindo compreender o efeito dos principais parâmetros geométricos na distribuição do fluxo. Para modelar o arrefecimento foi desenvolvida uma nova implementação implícita, que permitiu obter melhores taxas de convergência e consequentes reduções de tempos de cálculo. Tendo em mente a resolução de problemas de grandes dimensões, o código foi paralelizado em placas gráficas (GPUs). Com esta melhoria obtiveram-se acelerações de cálculo em cerca de dez vezes, diminuindo drasticamente os tempos necessários para efetuar as simulações.