Extrusion Russian Edition 6-2020

25 ЭКСТРУЗИЯ ТРУБ ЭКСТРУЗИЯ 6/2020 пределения объемного потока на выходе из экструзионной головки. Другие конструкции экструзионных головок с более гомогенным распреде- лением объемного потока, например головки со спиральным распределите- лем, из-за продолжительного времени выдержки не подходят для изготовле- ния труб из ПВХ. Поэтому уменьшение или полное устранение линий стыка и их влияния на свойства изделия пред- ставляет собой основную проблему. В основе рассматриваемого в настоя- щей статье подхода лежит изменение конструкции спиц дорнодержателя. Цель изменения конструкции — соз- дание поперечных потоков за спицами. Это позволяет оптимизировать соеди- нение потоков расплава в данной зоне таким образом, чтобы обеспечить рас- положение макромолекул поперек на- правления экструзии и тем самым све- сти к минимуму влияние линий стыка на механические свойства и внешний вид. Для создания поперечных потоков предлагается использовать статические смесители расплава, поэтому изменение конструкции спиц дорнодержателя про- исходит на их основе. Статические смесители расплава для решения проблемы Статические смесители представляют собой неподвижные встроенные на вы- ходе из экструдера устройства, принцип смешивания в которых основан на раз- делении, переворачивании и соединении потоков расплава. Для смешивания ис- пользуется имеющаяся энергия потока. Статические смесители состоят, как правило, из одинаковых установленных друг за другом элементов, повернутых относительно друг друга на 90°. Для высоковязких жидкостей существует множество разнообразных статических смесителей различных производителей. Они используются для однородного рас- пределения температуры или материала расплава. На рынке представлены следу- ющие типы смесителей: X, LPD, Kenics и другие [2, 3, 4]. Сначала на основе перечисленных форм смесителей конструируются но- вые спицы дорнодержателя. Затем они оптимизируются и тестируются в ходе практических испытаний. Конструкция предназначена для экструзионной го- ловки с дорнодержателем, которая слу- жит для изготовления труб диаметром 32 мм с толщиной стенки 2 мм. Чтобы получить максимальную свободу выбо- ра действий при проектировании новых спиц дорнодержателя, для изготовления спиц используется технология селектив- ного лазерного спекания (SLM). Поэто- му учитываются различные требования директив по конструированию, относя- щиеся к технологии SLM [5, 6]. На рис. 1 представлены первые новые конструк- ции спиц дорнодержателя. Компьютерное моделирование для оценки результатов проектирования Чтобы иметь возможность оценить конструкцию спиц дорнодержателя, было произведено моделирование по- тока с использованием программы OpenFOAM (разработка компании OpenFOAM Foundation из Велико- британии). Результаты моделирования должны были, с одной стороны, коли- чественно оценивать поперечные по- токи, а с другой стороны, давать оценку эффектов, сопровождающих изменение проточного канала, в отношении потери давления, нагрева при сдвиге и времени выдержки материала. Было смоделировано течение с при- липанием к стенкам стандартного для экструзии высоковязкого расплава через экструзионную головку с дорно- держателем с различными вариантами спиц дорнодержателя. Для сравнения с традиционной экструзионной голов- кой с дорнодержателем дополнительно были смоделированы обычные спицы дорнодержателя. Все произведенные процессы моделирования основывают- ся на сетке, разбивающей поверхность на 2 354 867 элементов. Для отображе- ния свойств материала в зависимости от структурной вязкости и температуры ис- пользовались модели Карро иWLF. Дру- гими допущениями были ламинарный поток несжимаемой вязкой жидкости, а также установившееся течение. Темпе- ратура корпуса экструзионной головки 200°C поддерживалась с помощью адиа- батического термостатирования. Возни- кающий поток расплава с расходом5 кг/ч также имел постоянную температуру по всему сечению 200°C. Нагрев при сдвиге также принимался в расчет. Характер поперечного потока за дорнодержателем является одним из важнейших критериев с точки зрения уменьшения влияния линий стыка на механические и визуальные свой- ства экструдата. Поэтому для количе- ственной оценки поперечных потоков рассматривалось поперечное сечение проточного канала за зоной спиц дор- нодержателя. Сравнение полученных поперечных потоков в экструзионной головке с новой формой спиц дорно- держателя с поперечными потоками в традиционной экструзионной головке с дорнодержателем осуществляется на основании показателя Q (уравнение 1). Он устанавливает соотношение между прибавленной составляющей скоро- сти W в направлении, перпендикуляр- ном направлению течения Z (оси X и Y), и соответствующими показателями традиционной экструзионной головки с дорнодержателем. Спицыдорнодержате- ля с показателем больше 1 создают боль- ший, а с показателем меньше 1 меньший поперечный поток, чем традиционный Таблица 1. Показатели для оценки влияния новой конструкции спиц дорнодержателя на поперечные потоки Уравнение 1 Q тип конструкции = Σ (|W X, тип конструкции |+|W Y, тип конструкции |) Σ (|W X, традиционная |+|W Y, традиционная |) (1) Конструкция спиц дорнодержателя Традиционная Тип X Тип LPD Тип Kenics Показатель 1,00 0,08 3,23 3,66