Dane wejściowe i wyjściowe w badaniach symulacyjnych wytłaczania jednoślimakowego tworzyw sztucznych

Rozwój systemów komputerowych CAE (ang. computer aided engineering) ukierunkował się w dwóch głównych nurtach, producenci, z silnym wsparciem ośrodków badawczo-naukowych, oferują systemy ogólnie zorientowane (tzn. o przeznaczeniu ogólnym), oraz systemy zorientowane na określoną technikę przetwórstwa polimerów (np. wytłaczanie, wtryskiwanie, itd.).
Systemy ogólnie zorientowane, charakteryzuje się tym, że modelowanie polega na definiowaniu każdorazowo rozpatrywanego przepływ i nie jest ściśle ograniczone do określonego zagadnienia bądź procesu. Stanowi narzędzie rozwiązywania równań zachowania (masy, ruchu, energii) dla różnych modeli materiałów, w odniesieniu do różnorodnych w zasadzie dowolnie kształtowanych warunkach przepływów. Zakres możliwych do analizy zadań, ogranicza jedynie wyobraźnia projektanta, znajdując zastosowanie w badaniach np.:

-przepływu w kanałach dowolnej geometrii (głowice wytłaczarskie, układy uplastyczniające),
-zagadnień powierzchni swobodnych (rozszerzania strugi polimerów, zadanie odwrotne, formowanie z rozdmuchem),
-przepływów wielowarstwowych (współwytłaczanie),
-powlekania, mieszania, itp.

Systemy zorientowane na określoną technikę przetwórstwa polimerów, ograniczają się do określonego procesu przetwórstwa, zdefiniowanego programowo, głównie wytłaczania i wtryskiwania, także pozostałe techniki np. termoformowanie, formowanie z rozdmuchem, możemy modelować przy użyciu dostępnych narzędzi.
W grupie systemów zorientowanych na proces wytłaczania jednoślimakowego wyróżnić możemy programy:

-EXTRUD (Scientific Process & Research Inc., New Jersey, USA),
-EXTRUDCAD (Mc Master University, Hamilton, Kanada),
-REX (Paderborn University, Niemcy),
-PASS (Stevens Institute of Technology, Hoboken, USA),
-CEMEXTRUD (Centre for Materials Processing, Sophia Antipolis, Francja),
-SSEM (Politechnika Warszawska, Polska).

Fizyczny model procesu wytłaczania wyodrębnia strefy o różnym jakościowo zachowaniu się tworzywa, tzn. zasobnik, cylinder (strefa tworzywa w stanie stałym, strefa wstępnego uplastycznienia, strefa uplastycznienia i strefa całkowitego uplastycznienia) oraz głowicę. Podstawą programów komputerowych są modele matematyczne odpowiadające kolejnym strefom.

Wielkości wejściowe definiowane obejmują dane dotyczące:

-charakterystyki tworzywa (m.in. właściwości cieplne i reologiczne),
-geometrii układu uplastyczniającego (zasobnika, ślimaka, cylindra) i głowicy,
-warunków technologicznych procesu (prędkości obrotowej ślimaka, warunków temperatury)

Wielkości wejściowe obejmujące dane dotyczące charakterystyki materiału:

-gęstość nasypowa tworzywa,
-gęstość tworzywa w stanie stałym,
-gęstość tworzywa w stanie uplastycznionym (w zależności od temperatury),
-statyczny współczynnik tarcia między tworzywem a zasobnikiem,
-kąt tarcia tworzywa,
-dynamiczny współczynnik tarcia między tworzywem a cylindrem (w zależności od ciśnienia i temperatury,
-dynamiczny współczynnik tarcia między tworzywem a ślimakiem (w zależności od ciśnienia i temperatury,
-ciepło topnienia,
-temperaturę topnienia,
-ciepło właściwe tworzywa w stanie stałym,
-ciepło właściwe tworzywa w stanie uplastycznionym (w zależności od temperatury),
-przewodność cieplną tworzywa w stanie uplastycznionym (w zależności od temperatury),
-parametry równania reologicznego Kleina, tj. logarytmicznej zależności lepkości pozornej tworzywa od prędkości ścinania i temperatury.

Wielkości wejściowe, dotyczące charakterystyki geometrycznej układu uplastyczniającego wytłaczarki (zasobnika, ślimaka, cylindra) i głowicy, obejmują następujące dane:

a)w odniesieniu do zasobnika:
-liczbę stref geometrycznych zasobnika,
-wymiary charakterystyczne kolejnych stref,
-długości kolejnych stref,

b) w odniesieniu do cylindra:
-średnice wewnętrzną cylindra,

c)w odniesieniu do ślimaka:
-liczba stref geometrycznych ślimaka,
-typ kolejnych stref geometrycznych: konwencjonalna, torpeda, mieszająca, rowkowana (o różnych kształtach przekroju poprzecznego rowka),
-wymiary charakterystyczne kolejnych stref; różne wielkości w odniesieniu do różnych typów stref,
-długości kolejnych stref,

d) w odniesieniu do głowicy:
-liczba stref geometrycznych głowicy,
-typ kolejnych stref geometrycznych (kształt przekroju poprzecznego kanału głowicy) kołowa, pierścieniowa, prostokątna (dotyczy także przekrojów zbliżonych do prostokątnego), dowolna, sitko, płaska (o różnym kształcie),
-wymiary charakterystyczne kolejnych stref; różne wielkości w odniesieniu do różnych typów stref,
-długości kolejnych stref.

Wielkości wejściowe dotyczące warunków technologicznych procesu obejmują:

-prędkość obrotową ślimaka,
-temperaturę początkową tworzywa,
-temperaturę cylindra i głowicy (temperaturę w określonych punktach wzdłuż długości cylindra i głowicy).

W wyniku obliczeń otrzymujemy następujące wielkości podstawowe:

-masowe natężenie przepływu tworzywa (wydajność wytłaczania),
-rozkład ciśnienia wzdłuż wysokości zasobnika, oraz długości ślimaka i głowicy,
-rozkład temperatury tworzywa wzdłuż długości ślimaka i głowicy,
-zużycie mocy w układzie uplastyczniającym,
-rozkład rozkład względnej szerokości warstwy stałej tworzywa wzdłuż długości ślimaka, charakteryzujący przebieg uplastycznienia tworzywa,
-właściwości tworzywa u wylotu głowicy, np. lepkość pozorna, gęstość,
-kryteria sprawności układu uplastyczniającego, np. kryterium jakości, kryterium stopnia wymieszania.