Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schnelle automatische Optimierung von statischen Mischern für die Extrusion von Kunststoffen mittels der Methode der Lagrange-Multiplikatoren zur Anwendung auf konventionellen Rechnersystemen

Statische Mischer werden in vielen Anwendungsfeldern eingesetzt, um die thermische und stoffliche Homogenität der Schmelze sicherzustellen. Die bisher verfügbaren Mischer basieren auf Standardgeometrien, die auf der Basis von Erfahrungswissen ausgelegt werden, da die simulative oder experimentelle Auslegung für einen spezifischen Anwendungsfall enorm aufwendig ist. In diesem Vorhaben wird daher ein Berechnungsverfahren entwickelt, das ohne den Einsatz großer Rechenleistung automatisiert angepasste Mischergeometrien bestimmt, die anschließend additiv gefertigt werden können. Dieses Verfahren basiert auf der Methode der adjungierten Größen, die in nur einem Rechenschritt für alle Zellen des Rechengitters bestimmt, ob diese Zellen negativ oder positiv zur Zielgröße beitragen. Damit können mehr Freiheitsgrade für eine automatische Geometrieoptimierung freigegeben werden. Dieses bereits etablierte Verfahren wird zuerst an schmelzetypische Fluideigenschaften angepasst. In einem weiteren automatischen Algorithmus wird dann an der Oberfläche des Mischers Material hinzugefügt oder weggenommen, wobei durch Implementierung von Gestaltungsregeln sichergestellt wird, dass die resultierende Geometrie mittels additiver Verfahren aufgebaut werden kann. Die oben entwickelten Algorithmen werden auf typische Mischprobleme der Extrusion angewandt. Es werden neuartige Mischergeometrien mit einem besseren Verhältnis von Mischwirkung zu Druckverlust bestimmt. Zuletzt werden diese Geometrien hergestellt und die Verbesserung der Mischwirkung experimentell nachgewiesen.

Die neue Algorithmen ermöglichen es klein- und mittelständischen Unternehmen aus den Bereichen Maschinenbau und Ingenieurdienstleitung, mit geringerem Aufwand ideale Mischergeometrien zu finden, während die optimierten Mischergeometrien in den Verarbeitungsprozessen zu homogeneren Schmelzen und damit zu weniger Ausschuss beziehungsweise zu höheren Durchsätzen führen.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine neue automatische Optimierungsmethode auf der Basis der Open-Source-Software OpenFOAM entwickelt. Unter Verwendung von Immersed Boundary-Methoden, neuen Zielfunktionen in der bereits existierenden Routine adjointShapeOptimizationFoam und einem zusätzlichen Algorithmus, der die Eignung für die additive Fertigung prüft und die Geometrie während der Laufzeit bei Bedarf repariert, ist diese Methode in der Lage, eine hohe Anzahl an Freiheitsgraden zeitgleich und schnell zu optimieren.

Der neue Algorithmus wurde anschließend verwendet, um einen statischen Mischer mit integrierten Temperierkanälen zu optimieren, der auf einem X-Mischer basiert. Es wurde ein neues Konzept für integrierte Temperierkanäle untersucht, das den Wärmeaustausch zwischen Öl und Schmelze maximiert und das bei der Optimierung der Mischergeometrie berücksichtigt wurde.

Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser simulativen Optimierungen wurden die besten Kandidaten mittels selektivem Laserschmelzen hergestellt und experimentelle Versuche zur Validierung durchgeführt. Die experimentelle Validierung zeigt, dass mit diesem Optimierungsalgorithmus eine Druckverlustreduktion um 10 % erreicht werden konnte. Die Schmelzetemperatur im Kern wurde um 6 °C gesenkt, wodurch auch die thermische Homogenisierung verbessert wurde.

Während der Hauptvorteil dieser Methode in der schnellen Optimierung unter Berücksichtigung des Betriebspunkts liegt, zeigten die Versuche auch positive Ergebnisse in auslegungsfernen Betriebspunkten.

Zusammenfassend ist es nun möglich, auf einem konventionellen Simulationsrechner kostengünstig und durch einen bis zu 48 % geringeren Zeitaufwand durch Facharbeiter verbesserte statische Mischer zu konstruieren und individualisierte statische Mischer herzustellen. Dabei ist der Algorithmus nicht nur für die Auslegung statischer Mischer geeignet, sondern bietet auch Potenzial für die Auslegung anderer Arten von Extrusionswerkzeugen. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.