Automated design and optimisation of dynamic mixing and shear elements for single-screw extruder
Final Report Abstract
Durch Modifikation eines herkömmlichen Einschneckenextruders wurde ein Teststand für dynamische Misch- und Scherelemente („dynamische Mischer“) geschaffen, an dem definierte Rand-/Eingangsbedingungen für die Mischelement-Strömungssimulation gemessen bzw. erzwungen werden können. Mithilfe dieses Teststand wurden eine vereinfache Strömungssimulation von Mischern in OpenFOAM validiert. Verschiedene aus der Simulation abgeleitete Mischkennzahlen wurden Experimenten gegenübergestellt, um so passende Mischkennzahlen für das thermische, dispersive und distributive Mischen zu ermitteln. Die vereinfachte Strömungssimulation wurde in die FEM-Strömungssimulationssoftware XNS überführt und dort um ein auf Basis von Spline-Verformungen sowie der Elastizitätsgleichung geometrisch veränderliches Rechengebiet erweitert. Durch automatisierte, gradientenfreie Optimierung hinsichtlich maximaler distributiver (und gleichzeitig thermischer) Mischwirkung mittels Dakota wurde eine Referenzgeometrie in Form der Raute eines Rautenmischteils optimiert. In Extrusionsversuchen zeigte ein additiv gefertigtes Abbild der optimierten Geometrie gegenüber der Referenz im Bereich hoher Drehzahlen eine bessere distributive und thermische Mischwirkung und eine Reduktion des Druckbedarfs. Es liegt nun erstmals eine in ihrer Wirksamkeit verifizierte Umgebung für die automatisierte Optimierung von Mischteilen vor. Künftige Arbeiten werden zuerst die Assemblierung verschiedener Rauten zu einem Mischteil unter Nutzung der bestehenden Umgebung betrachten. Darüber hinaus wird in einer bereits beantragten Projektverlängerung einerseits beabsichtigt, ein Zielfunktional zu entwickeln, das neben der distributiven Mischung auch dispersive Mischung abbilden kann, wodurch sich eine direkte Erweiterung der Methode ergibt: Aktuelle Mischteile werden so ausgelegt, dass typischerweise nur eine der beiden Mischungsformen stark beeinflusst wird. Mit neuen Methoden der geometrischen Parametrisierung könnten auch hybride Mischteile analysiert werden. Andererseits sollen mithilfe geeigneter mathematischer Modelle Schwankungen, beispielsweise der thermischen Begebenheiten im Extruder mittels Uncertainty Quantification in der Optimierung berücksichtigt werden. Dies erlaubt Mischteile zu generieren, die unter stark verschiedenen Prozessbedingungen ideale Ergebnisse liefern. Zuletzt sollen in der Projektverlängerung durch Reduktion des Parameterraums die Restriktionen der spanenden Fertigung in die Optimierung eingebracht werden.
Publications
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Boundary-conforming free-surface flow computations: Interface tracking for linear, higher-order and isogeometric finite elements. Computer methods in applied mechanics and engineering, (2017), S.175–192
Zwicke F.; Eusterholz, S.; Elgeti, S.
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CFD-based optimization in plastics extrusion. Proceedings Of The 21st International Esaform Conference On Material Forming: Esaform 2018. Palermo, Italy, 2018, S. 110004
Eusterholz, S.; Elgeti, S.
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Shape Optimization in Polymer Extrusion Using Shear-Thinning Fluids. Proceedings of 8th GACM Colloquium on Computational Mechanics: For Young Scientist From Academia and Industry. Kassel, Germany, 2019
Eusterholz, S.; Elgeti, S. N.
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A method for the validation of simulated mixing characteristics of two dynamic mixers in single screw extrusion. Polymers 12 (2020)
Hopmann, Ch.; Schön, M.; Reul, M. M.; Facklam, M.
