Optimization of extrusion die for the manufacture of thermoplastic parts
Optimisation de la tête d'extrusion pour la fabrication de pièces thermoplastiques
Résumé
Balancing the distribution of flow through a die to achieve a uniform velocity distribution is the primary objective and one of the most difficult tasks of extrusion die design. If the extrusion die is not properly designed, the exit velocity distribution may be not uniform; this can affect the thickness across thewidth of the die. The objective of our research is to ensures a homogeneous exit velocity distribution on the outlet side of the die, through the control and the optimization of the geometrical parameters and operating conditions. An optimization procedure, based on the response surface method, was proposed. All the functions are written in an explicit form by using the either diffuse approximation or the Kriging interpolation. Due to the presence of the nonlinear constraints, an iterative algorithm of type SQP, was used. To find the global optimum with precision and at lower cost an auto-adaptive research space is adopted.
In the first stage the objective was to identify the rheological behaviour of a plastic using in situ experimental data. The comparison with measurements in capillary rheometry enabled us to verify the rheological parameters obtained by optimization.
The results of three other applications shows the interest of the optimization of the geometrical and operating conditions of the extrusion process.
A coat-hanger melt distributor is optimized numerically to ensures a homogeneous exit velocity distribution that will best accommodate for a different range of materials and multiple operating conditions. The results of numerical simulation are then validated by comparison with experimental measurements.
The numerical optimization algorithm presented in this work shows its suitability and robustness as a tool for extrusion die design. It proves its capability of predicting optimal die geometry with uniform velocity distribution for a range of polymers, at satisfactory computing times for 3D Finite Element flow analysis.
In the first stage the objective was to identify the rheological behaviour of a plastic using in situ experimental data. The comparison with measurements in capillary rheometry enabled us to verify the rheological parameters obtained by optimization.
The results of three other applications shows the interest of the optimization of the geometrical and operating conditions of the extrusion process.
A coat-hanger melt distributor is optimized numerically to ensures a homogeneous exit velocity distribution that will best accommodate for a different range of materials and multiple operating conditions. The results of numerical simulation are then validated by comparison with experimental measurements.
The numerical optimization algorithm presented in this work shows its suitability and robustness as a tool for extrusion die design. It proves its capability of predicting optimal die geometry with uniform velocity distribution for a range of polymers, at satisfactory computing times for 3D Finite Element flow analysis.
Au cours de cette étude, différents aspects d'optimisation ont été abordés. L'objectif de nos travaux de recherches est d'homogénéiser la répartition des vitesses à la sortie des filières, par la maîtrise et l'optimisation des paramètres géométrique et opératoires. Dans cette étude l'optimisation a été effectuée en utilisant un logiciel commercial Rem3D®, basé sur la méthode des éléments finis.
Une procédure d'optimisation, basée sur la méthode de surface de réponse, a été proposée. Celle-ci nous a permis de résoudre un problème d'optimisation implicite dont l'évaluation des fonctions est très coûteuse en temps de calcul. Pour cela, toutes les fonctions sont écrites sous une forme explicite en utilisant soit l'approximation diffuse ou l'interpolation Krigeage. Compte tenu de la présence des contraintes non linéaires, un algorithme itératif de type SQP, a été utilisé. Pour localiser l'optimum global avec précision et à moindre coût, une procédure d'échantillonnage auto adaptatif de l'espace de recherche a été appliquée et plusieurs stratégies permettant de réactualiser les approximations et le point initial ont été adoptées.
Dans la première étape l'objectif était d'identifier le comportement rhéologique d'une matière plastique en production. La comparaison avec des mesures en rhéométrie capillaire nous a permis de vérifier la pertinence des paramètres rhéologique obtenus par optimisation.
Les résultats de trois autres applications mettent en évidence l'intérêt de l'optimisation des paramètres géométriques et opératoires du procédé d'extrusion.
Une filière optimisée numériquement pour une gamme différente de polymère a été réalisée et une comparaison expérimentale a permis de valider toute la procédure de simulation et d'optimisation mise en place. Les résultats expérimentaux et de simulations montrent une bonne homogénéisation de la répartition des vitesses à la sortie de la filière optimale pour une gamme très large de débits et pour différents polymères.
Une procédure d'optimisation, basée sur la méthode de surface de réponse, a été proposée. Celle-ci nous a permis de résoudre un problème d'optimisation implicite dont l'évaluation des fonctions est très coûteuse en temps de calcul. Pour cela, toutes les fonctions sont écrites sous une forme explicite en utilisant soit l'approximation diffuse ou l'interpolation Krigeage. Compte tenu de la présence des contraintes non linéaires, un algorithme itératif de type SQP, a été utilisé. Pour localiser l'optimum global avec précision et à moindre coût, une procédure d'échantillonnage auto adaptatif de l'espace de recherche a été appliquée et plusieurs stratégies permettant de réactualiser les approximations et le point initial ont été adoptées.
Dans la première étape l'objectif était d'identifier le comportement rhéologique d'une matière plastique en production. La comparaison avec des mesures en rhéométrie capillaire nous a permis de vérifier la pertinence des paramètres rhéologique obtenus par optimisation.
Les résultats de trois autres applications mettent en évidence l'intérêt de l'optimisation des paramètres géométriques et opératoires du procédé d'extrusion.
Une filière optimisée numériquement pour une gamme différente de polymère a été réalisée et une comparaison expérimentale a permis de valider toute la procédure de simulation et d'optimisation mise en place. Les résultats expérimentaux et de simulations montrent une bonne homogénéisation de la répartition des vitesses à la sortie de la filière optimale pour une gamme très large de débits et pour différents polymères.