A-PDF Watermark DEMO: Purchase from www.A-PDF.com to remove the watermark OTEKON 2012 6. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 04 – 05 Haziran 2012, BURSA POLİAMİD KOMPAUND MALZEMESİNİN ÇİFT VİDALI EKSTRÜDERLERDE EKSTRÜZYONU PROSESİNDE ÇIKIŞ KAFASINDAKİ MALZEME AKIŞININ MODELLENMESİ Kadir Özdemir*, Cem KOÇAK**, M. Cemal ÇAKIR* * U.Ü. Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, BURSA ** POLİMER TEKNİK Makina Müh. San ve Tic. Ltd. Şti.,BURSA ÖZET Bu çalışmada bir çift vidalı eksturder makinesinde Poliamid malzemesinin kompaund edilmesinde ekstrüzyon işlemi sonlu elemanlar ve sonlu hacimler yöntemi kullanılarak modellenmiş ve sonuçlar gerçek koşullarla karşılaştırılmıştır. Ayrıca birden fazla çıkış ağzına sahip olan çıkış kafasında polimer akışının homojen olup olmadığı araştırılmıştır. Newtonian olmayan polimer akışının modellenmesinde Cross-Law modeli kullanılmıştır ve ektrüzyon prosesinin modellenmesinde hem sonlu hacimler yöntemini kullanan Fluent yazılımı hem de sonlu elemanlar yöntemi ile çözüm yapan Polyflow yazılımı kullanılarak çıkan sonuçlar karşılaştırılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Poliamid kompaund, Sonlu elemanlar, ekstrüzyon, polimer akışı MODELING OF POLYMER FLOW IN STRAND DIE OF TWIN SCREW EXTRUDER IN EXTRUSION PROCESS OF POLYAMIDE COMPOUND ABSTRACT In this work, extrusion process of polyamide compound in twin screw extruder is modeled by using finite elements and finite volumes and results are compared by the actual conditions. Besides, the homogeneity of polymer flow in strand die is investigated. Cross-Law model is used for non-Newtonian polymer flow. Both Fluent software that uses finite volumes and Polyflow software that uses finite elements are used for the modeling purposes. KEYWORDS: Polyamide compound, finite elements, extrusion, polymer flow 1. GİRİŞ Ana sanayi onaylı birçok kompaund malzeme nihai üreticilere üretici kodlu olarak dayatılmakta ve nihai üreticilerde alternatif ürün geliştirememesinden dolayı özellikle otomotiv sektöründe kullanılan kompaundların ithalatının önüne geçilemediğinden ürünlerin katma değeri düşük olmaktadır. Düşük karlarla çalışan otomotiv yan sanayimizin karlılığını arttırmasının en önemli yolu ham madde tedariğini daha ucuz fiyatlara satın alabilmektir. Araçlarda kullanılan polimer bazlı malzemelerin oranlarının her geçen gün arttığını baz alırsak geç olmadan hammadde tedariğindeki yerimizi almamız gerekmektedir. Türkiye de mevcut kompaund üreticilerinde bulunan çift vidalı ekstrüderler özellikle otomotiv sektöründe FORMÜLASYONU çözülmüş ham madde üretimi ile ilgili çalışmakta, üretim kapasitesinin yetersiz ve karlılığın çok yüksek olduğundan dolayı alternatif malzeme üretimine girmek istememektedirler. Bu şu anlama gelmektedir; yan sanayi olarak mevcutta kullandığınız ham maddeye alternatif üretim yaptırmak istediğinizde yerli üreticiler sizin ham maddeniz ile ilgilenmez veya üretmemek için çok yüksek fiyat verirler. Bu durumun başlıca çözümü; çok yüksek fiyatlı olan Avrupa makinelerin yerlileştirilerek ucuzlatılması, daha fazla üreticinin alım gücüne ulaşarak yaygınlaşmasını sağlamaktır. Böylelikle kompaund sektörü gelişerek rekabet artacak daha çok alternatifli malzeme üretilecektir. Bir çok mühendislik ve fizik probleminde çözüm kümesi belirli sınırlarla tanımlanabildiği gibi sınırları çözüm sonucu elde edilen ve bu sınırları önceden bilinmeyen bir tanım kümesi bulunmaktadır. Önceden bilinmeyen bu tanım sınırları veya tanım kümeleri ise geometride serbest yüzey olarak adlandırılırlar ve bunlar aynı zamanda çözümün bir parçasıdırlar. Bu tarz problemlerde hız, basınç ve sıcaklık gibi bilinmeyenlerin yanına birde geometrik bilinmeyenler eklenir. Bu tarz serbest yüzey akışları viskoz serbest yüzey akışları olarak adlandırılırlar. Bu çalışmada yer alan Polimer ekstrüzyonu bu akış tipine bir örnek oluşturmaktadır. Polimer ekstrüzyonunda polimer eriyik hale dolayısı ile akışkan hale gelmesi için erime noktasına kadar ısıtılır. Akışkan hale gelen polimerin tek veya çift vidalı ekstruderların yardımı ile kalıp içerisine doğru yönlendirilirek kalıptan çıkışı sağlanır. Bu yöntemle levhalar, borular ve çeşitli kesitte profiler üretmek mümkündür (Şekil 1). Şekil 1. Ekstrüzyon Prosesi Yapılan çalışmalar ile geri dönüşümlü ürünlerin verimli şekilde otomobillerde uygun bölgelerde kullanımı sonucunda ekonomik anlamda büyük getirisi olduğu bilinmektedir. Otomobil endüstrisinde en yaygın kullanılan Poliamid kompaund (PA) malzemelerin maliyet düşürücü faktörlerini belirlemekte fayda vardır. Poliamid kompaund malzeme; poliamid malzemenin içine cam elyafı katkısı yapılmasıyla oluşur. Poliamidler termoplastikler grubundandır ve geri dönüştürülebilme kabiliyetleri yüksektir. Bu çalışmada kullanılan Poliamid kompaund malzemenin önemini açıklarsak: Kaprolaktam dan üretilen Poliamid malzemeler Türkiye'de yalnızca sentetik iplik sanayi tarafından, kendi ihtiyaçlarını karşılamak için üretilmektedir. Petkim ise bu hammaddeyi üretmemektedir. Türkiye ye Poliamid malzeme Avrupa tarafından ithal edilmektedir. Bunun yanı sıra, Türkiye ninde uyum gösterme zorunluluğu olan ve Avrupa'da hızla gelişmekte olan Çevre Yasaları ile birlikte, geri kazanımlı hammadde kullanımına ağırlık verilmektedir. Türkiye'nin bu zinciri kırmasındaki tek çıkar yolu ağırlıklı olarak deşe denilen sentetik iplik sanayiden çıkan hurdalar gibi Poliamid malzemelerin geri dönüşümünü yapmaktır. Böylelikle Poliamid kompaund ihtiyacı olan plastik enjeksiyon gibi nihai ürün üreticilerine daha düşük fiyatlı ve istenilen özelliklerde hammadde sağlanabilir. Buda otomobillerde kalite artışıyla beraber fiyat düşüşünü getirmektedir. Polimer ekstrüzyonundaki ana problem polimerin kalıptan ayrıldığı andaki kesitteki artıştır. Polimerlerin visko-plastik özelliğine bağlı olan kalıp şişme problemi polimer malzemelerdeki ortak problemdir. Polimerler ideal plastik malzeme ile ideal elastik malzeme arasında bir davranışa sahip oldukları için visko-elastik davranış gösteren malzemeler olarak adlandırılırlar. Polimerler erime noktasının üzerinde ısıtıldığında elastik özellik gösteren malzeme gibi davranırlar ve kalıp çıkış noktasında kesitleri artmaya başlar. Bu olay kalıp şişme problemi olarak adlandırılır. Bu çalışmada da Poliamid kompaund malzemesinde çıkıştaki çap artış durumu incelenmiş ve çıkış ağzındaki hızlar incelenerek kalıptan dengeli bir çıkışın çıkmadığı araştırılmıştır. 2. SAYISAL MODEL Analizi yapılacak çift vidalı ekstruderın CAD modeli Şekil 2’de görülmektedir. Polimer akışının sayısal modelinin oluşuturulması için başlanıçta çıkış kafasının akış hacminin oluşturulması gerekmektedir. Şekil 4 de ise çıkış kafasının akış hacmi görülmektedir. Akışın modellenmesinde iki analiz yapılmıştır. İlkinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile çıkış kafasındaki akış sayısal olarak modellenmiş, ikincisinde ise çıkış kafasından polimerin çıkış kesiti sayısal olarak modellenmiştir. yöntemini kullanarak çözüm yapan Polyflow yazılımı kullanılmıştır. Şekil 4’te oluşturulan akış hacminin kesiti görülmektedir. Akış hacmi oluşturulmadan önce ağ kalitesini üzerinde olumsuz etki yapacak ve akışı etkilemeyecek bölgelerde çeşitli iyileştirmeler yapılmıştır. Şekil 3’de serbest yüzey olarak adlandırılan bölgeler çözüm sonunda polimer çıkış çapının belirlenmesini sağmaktadır. 2.1. KABULLER VE SINIR KOŞULLARI Poliamid kompaund akışı sıkıştırılamaz bir akış olduğu için Newtonian olmayan bir akış tipidir. Newtonian olmayan akışlarda vikozite değeri kayma . oranına bağlı olarak belirlenir ve literatürde bu Şekil 2. CAD Modeli anlamda kullanılan viskozite modelleri mevcuttur. Aşağıda literatürde en çok kullanılan viskozite modelleri verilmiştir. . ( ) sabit . ( ) . ( ) (Newton akışkanı) 0 . 1 ( ) (Cross Law Modeli) 0 . 2 Şekil 3. Kafa çıkışı ve serbest yüzey n (Bird Carreu Model) (1 2 ) (1n ) / 2 . Burada kayma şekil değiştirme hızı, sonsuza giderken viskozitenin aldığı değerdir. λ, doğal zaman (natural time) olarak adlandırılır. 0 , sıfır kayma oranındaki viskozite olarak adlandırılmaktadır. ise polimerin viskozite değeridir. Çalışmamızda Cross Law modeli kullanılmıştır (Tablo 1). Tablo 1. Cross Law Parametreleri Parametre Değer η0 1 Pa η∞ 0 Pa λ 0.2 η 0.3 Kütlesel Akış Debisi 0,97 kg/s Yoğunluk 1,14 kg/cm3 Sayısal modelleme çalışmalarında sonlu hacimler yöntemini kullanarak çözüm yapan hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü Fluent ve sonlu elemanlar Şekil 4. Sınır şartları ve Akış Hacmi 3. SONUÇLAR Çıkış profilinde dengeli bir hız dağılımı görülmektedir (Şekil 5). Bu ise malzeme çıkışının homojen olması ve aynı kalitede malzeme çıkması anlamına gelmektedir. Malzeme çıkış çapının bulunması için serbest yüzey modelinden yararlanılmış ve analiz sonrasında bu yüzeylerin değişmesi sonucunda çıkıştaki malzeme çapı 4,53 mm olarak bulunmuştur (Şekil 6). Dolayısıyla simülasyon sonuçları üretim prosesinde kullanılan çapları doğrulamaktadır. Akıştaki düzensizliğin (Şekil 7) aynı zamanda kafa çıkışında malzeme yığılmalarına neden olup malzeme çıkış verimini de etkileyeceği göz önüne alınarak simülasyon sonuçlarında akış hız vektörleri incelenmiş ve iyileştirme yapılabilecek bölgeler tespit edilmiştir. Şekil 7. Akış hız vektörlerindeki düzensizlikler Şekil 5. Polimer Çıkışı Hız Dağılımı 0,34 m/s Yapılacak iyileştirmeler ise şöyle sıralanabilir: • Çıkış deliklerinin optimize edilmesi yani sayısının arttırılması ile daha fazla malzeme çıkışının sağlanması, • Geometrideki problemli bölgelerin giderilerek akışın daha verimli hale gelmesi ile malzeme çıkış veriminin arttırılması, • Malzeme yığılması olan bölgelerde geometrinin değiştirilmesi Gerekmektedir. Şekil 8 daki problemli bölgelerdeki hız vektörleri incelendiğinde bu bölgelerde hız vektörlerinde geri dönüşlerin olduğu görülmektedir, dolayısıyla bu bölgelerde geometrilerin iyileştirilmesi gerekmektedir (Şekil 9). Şekil 6. Çıkış çapı Akış Analizi sonucunda şu sonuçlara ulaşılmıştır: • Akışın verimini olumsuz yönde etkileyen bölgeler tespit edilmiştir, • Deliklerdeki çıkış hızları ve basınçlarının eşit olması malzeme çıkış kalitesi açısından olumludur, • Ekstrüzyon analizi ve CFD analizinde elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve Newtonian olmayan bir akış olan polimer akışının CFD analizi ile çözülebileceği anlaşılmıştır, • Ekstrüzyon analizi sonuçlarında hammaddenin çıkış çapı ile üretim sırasında elde edilen çaplar analizler ile doğrulanmıştır, • Malzeme yığılmasının görülebileceği bölgeler tespit edilmiştir Problemli bölgelerde yapılan iyileştirmeler sonucu geri dönüşler azaltılmış ve düzenli bir akış elde edilmiştir (Şekil 10). Şekil 8. Hız vektörlerinde geri dönüşlerin yaşandığı bölgeler Bu bildiride bahsi geçen çalışma Bursa ‘da ikame eden POLİMER TEKNİK firmasında gerçekleştirilen bir çalışma olup Sonlu elemanlar modelleme ve simülasyon çalışmaları sonucunda elde edilen geometri değişiklikleri çıkış kafasına uygulanmış; çıkış kafası yeniden üretilmiş, yeni kafa ile ürün kalitesinde ve üretim verimliliğinde gözle görülür iyileşmeler elde edilmiştir. Extruder for Starch-Based Snack Products”, Proceedings of the World Congress on Engineering Vol III, pp. 4144. Vaddiraju, S. R., Kostic, M., 2004. “Extrusion Simulation and Experimental Validation to Optimize Precision Die Design”, Northern Illinois University, Illinois State University, Fermi National Accelerator Laboratory, Northern Illinois Center for Accelerator and Detector Development. Şekil 9. Geometrisi değiştirilecek bölgeler A Preliminary Report, 2002. “A Finite Element Simulation of Flow of Polymer in an Extrusion Die Using PolyFlow” Northern Illinois University, Department of Mechanical Engineering DeKalb, IL 60115. Edi Soateredjo, F., Nashed, G., Rutgers, R. P. G., Torley, P. J.. 2003. “Numerical Analysis of The Effect of Extrusion Conditions on Flow in Slit Die Rheometer”, The international Conference on CFD in The Minerals and Process Industries, Melbourne, Australia. Gujrati, D., Leonov, A. I.. 2010. “Modeling and Simulation in Polymers” Wiley-VCH; 1 edition. Utracki, L. A.. 1990. “Polymer Alloys and Blends” Hanser, New York. Hounshell D. A., Smith J. K.. 1988. “, Science and Corporate Strategy: DuPont R&D, 1902–1980” Cambridge University Press, Cambridge. Sizaire, R.. 1998. “ Numerical Study of Free Surface Newtonian and Viscoelastic Flows” Université catholique de Louvain Faculté des Sciences Appliquées, pp. 149-162. Ferras, L. L., Nobrega, J. M., Pinho, F. T., Carneiro, O. S.. 2010. “Profile Extrusion Die Design: The Effect of Wall Slip” The Polymer Processing Society 23rd Annual Meeting, Brazil. Şekil 10. Geometride yapılan iyileştirmeler sonucunda akışın iyileşmesi KAYNAKLAR Annotti, F. P., Nur, A. F., Marco, V.. 2010, “ Modelling and numerical simulation of the polymeric extrusion process in textile products”, Communications in Applied and Industrial Mathematics, ISSN 2038-0909, pp. 1-13. Yamsaengsung, R., Noomuang, C.. 2010. “Finite Element Modeling for the Design of a Single-Screw
© Copyright 2024 Paperzz
