双螺杆挤压PBT塑料的数值模拟研究

　　用数值模拟方法确定双螺杆挤压法加工高分子材料的适宜操作条件具有一定的实用价值。

     有时实验数据不足以展示整个过程中发生的事情。这就是为什么我们需要使用ludovic模拟软件来记录挤压过程中的整个热-机械历史的原因。

     在此次研究中，我们发现在螺杆端头上进行的测量(如温度、压力和停留时间)包含了有关材料的信息。但这些并不能反映出整个过程中完整的热机械历史。因此，有必要深入分析工艺条件对材料的影响。

测试

     此次研究的材料为聚丁烯二酸酯(PBT B 2550，巴斯夫Ultradur®)。在实验室挤出机上加工。使用ZSE 27毫米Leistritz挤出机，螺杆单元使用典型的搭配如下：

真实的螺杆设计(上图)和Ludovic的模型螺杆设计(下图)

     然后在Ludovic中对螺杆配置进行建模。与实际设计一样，螺杆有三个主要功能区：首个区域由连续的捏合块组成，用于熔化。然后后面两个区域是混合区，用于分散(在这个案例中，它们没有真正被使用)。

结果比较

     实验中在螺杆端部测量了温度，与Ludovic模拟结果进行比较。模拟的结果非常有意义(见下面的图片)，符合测量结果。

模拟结果与测量结果对比

     模拟作为一种预测工具是非常有用的，因为它描述了整个过程中的材料变化(而不仅仅是在传感器区域)。在实际挤压过程中，真正重要的是考虑过程中的温度，而不仅仅是在螺杆端部。

     事实上，PBT的温度在首个熔化区之后一直在下降。其最高温度在上游螺杆单元中高于下游单元(相差20°C)。这就是为什么它的测量温度(在出口处)与这个过程不完全相关的原因(相反的，PP的温度分布非常平缓-差7°C)。

Ludovic模拟结果 :   PP与 PBT 的沿程温度

     这种情况下，模拟结果展示了测量不到的位置。

DoE实验设计

     由于出现了一些限制标准(如产品的最高温度或机器的max扭矩)，一些操作条件的组合就被禁止。为了优化选择的参数，使用Ludovic的DOE(实验设计)功能。它可以考虑约束条件，例如机器所支持的max扭矩(此处大约为120MN)和PBT的最高使用温度(巴斯夫的标准的大约280°C)。这两个约束条件为设想的产品和挤出机打开了一个操作区间。

实验设计：如何开发一个宽的操作区间

     它在DOE结果图上是一个绿色的区域。该区域符合一些操作条件，包括200转/20公斤/小时至700转/150公斤/小时。

     Ludovic® 作用– 用虚拟实验节省时间。

     在很短时间内，使用Ludovic数值模拟软件提供了一个大的操作区间，大约有300个配置。模拟前处理大概需要30分钟。然后在大约90分钟内进行整体趋势分析。

     相比之下，安装螺杆配置和首次测试操作条件需要在实验室中几个小时才能完成。

结论

使用Ludovic软件提前预测挤出过程是非常有用的，因为可以：

·       获取有关材料行为的相关数据(主要趋势分析)

·       根据目标和产品/挤出机的限制，找出一个合适的操作区间