15h40 daniel schlaefli fr

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© Maillefer - 26/04/2010

Simulation de l‘extrusion des polymères– possibilités et limites dans l‘application

Dr. Daniel Schläfli



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A quoi sert la simulation numérique?

« The purpose of computing is insight, not numbers »

« The purpose of computing is design, not analysis »

… et qu’est-ce que cela signifie pour le constructeur demachines et le transformateur de plastique dans son travailquotidien?



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Applications de la simulation numérique

• La simulation numérique est utilisée pour décrire différentesétapes de la mise en œuvre des plastiques:

– Extrudeuse

– Tête d’extrusion (Distributeur de matière/ outillage)

– Extrusion de profilés

– Formage/Refroidissement de pièces injectées

– Formage/refroidissement de films soufflés – Bacs de refroidissement

• Par la suite, nous examinons quelques aspects de lasimulation de vis et de têtes d’extrusion et traitement post-extrusion du point de vue du constructeur de lignesd’extrusion



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Exemples choisis

• Simulation de vis d’extrusion

• Dimensionnement de distributeurs de matière dans les têtesd’extrusion

• Optimisation de procédé par l’exemple de la réticulation de

câbles d’énergie



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Exemple 1: Simulation de vis d’extrusion

Objectif: Dimensionnement de vis d’extrusion et prédiction desconditions de travail



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Principe de la vis d’extrusion

Alimentation etcompactage de

la matière

Fusion Pompage etmélange

Matièrefondue

Matièresolide



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Problématique de la simulation de la vis

• Les phénomènes physiques dans la vis sont complexes etnon-linéaires (Ecoulement de solides discrets, transport dematière avec changement de phase, rhéologie non-linéaire etthermodépendante,..)

• Les modèles de calcul sont soit très simplifiés, soitextrêmement compliqués

• Les données matière sont en général incomplètes voiremanquantes

• De ce fait, nous ne disposons pas d’outil de simulation

prédictif fiable pour le concepteur de vis



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Méthodes de simulation en pratique (I)

• Modèle simplifé analytique ou semi-analytique pour la simulation detransport solide, la fusion et extrusionde la matière fondue

• Le modèle peut être « calibré » aumoyen de valeurs mesurés pour laprédiction de points defonctionnement

• Exemples:

– Programme REX du KTP Paderborn

– Programme EXTRUSIM decompuplast

Screw

Barrel

y

z

τ

τ

yz

z

n

z

yz

mdv

dy

dv

dy

dP

dz

d

dy

=

=

−

0

1



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Méthodes de simulation en pratique (II)

Approche semi-empirique: Prédiction du comportement d’une gamme demachines, sur la base de valeurs empiriques et l’analyse dimensionnelle

HDPE- Output Correlation

10

100

1000

10 100 1000

Measured [kg/h]

C a l c u l a t e d [ k g / h

]

+/- 15%

N DK M M ⋅⋅= 3&

HDPE- Torque correlation

1

10

100

1 10 100

Measured [kNm]

C a l c u l a t e d [ k N m

]

+/- 25%

ζ ζ N DK C C ⋅⋅= +3



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Conclusion 1

• La simulation de la vis d’extrusion complète aujourd’hui est

avant tout une aide à la conception pour l’ingénieur• Elle ne remplace pas (encore) son expérience et son savoir-

faire

• Mais elle est déjà une aide précieuse pour l’optimisationnumérique de certaines parties de vis, p.ex. des éléments demélange



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Exemple 2: Distributeurs de matière pour têtes

d’extrusionObjectif: Que la tête d’extrusion soit petite ou grossse, à une couche ou àplusieurs: L’épaisseur de l’extrudat doit être régulière et sans pointsfaibles



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Tête d’extrusion: Distributeur de matière

• Le distributeur assure une épaisseur uniforme sur la circonférence

• Réalisations usuelles: Canal en porte-manteau, canaux hélicoïdaux

• La forme doit être dimensionnée selon le comportement rhéologique de la

matière. Le calcul est abordé de différentes manières:

Distributeur en porte-manteau Distributeur hélicoïdal



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Calcul d’écoulement analytique

Avantages:- Simplicité d’utilisation

- Génération des contours du canal de distribution- Paramètres matière minimaux

Désavantage:- Très imprécis, car simplification extrême de la réalité

x

y

∆ y

∆ ξ

y(x)

Q(x)

w(x)

x0

Inlet flow Q0

Exit flow q(x)

Manifold

Slit region

Flow rate condition:

Q(x) = Q 1 -

x

x0

0

Pressure gradient condition:

∂

∂ξ ξ

∂

∂

P P

yy∆ ∆=

From these, determine:y(x) Manifold contour

w(x) Manifold width

h(x) Manifold height

Principe: Combinaison d’écoulements distincts dans le canal etdans l’entrefer

Canal

Entrefer



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Calcul d’écoulement par théorie des réseaux

Avantages:- Effort de calcul modéré- Paramètres matières simples

- Plus précis que la méthode analytique

Désavantage:- Précision quand-même très limitée

Canal

Entrefer

Principe: Description locale de l’écoulement par modèles simples, couplésentre eux à l’instar d’un réseau électrique



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Calcul d’écoulement par Eléments FinisAvantages:

- Description complète du champ d’écoulement- Informations sur la distribution de matières, des zones de stagnation, répartition du

temps de séjour, évolution localisée de la température,….

Désavantage:

- Mise en œuvre exigeante en ressources- Prédiction réaliste seulement dans la mesure que les paramètres de matière et les

conditions aux limites sont connus



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Conclusion 2

• Modèles de calcul simples:

– Bon-marchés et simples à utiliser

– Utilisation pour dimensionnement avec précaution!

– Utilisable en combinaison avec résultats expérimentaux et l’expérience

• Modèles de calcul complexes:

– Prédiction quantitative, dans la mesure que les propriétés des matièreset les conditions aux limites sont suffisamment bien connues

– Exigeant en ressources de calcul et compétences de l’utilisateur

– Justifié pour des projets plus complexes



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Exemple 3: Réticulation de câbles d’énergie

Objectif: Optimisation de procédé de réticulation et détermination desparamètres de mise en œuvre par simulation



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Modèle de calcul

Procédé (dans le tuyau de réticulation) :• Echauffement de l’isolation• Réticulation (réaction en fonction de la température)• Refroidissement du câble

Phénomènes physiques:• Transfert de chaleur (rayonnement et convection)• Conduction de chaleur• Réaction chimique

Paramètres• Propriétés thermiques de la matière

• Paramètres de la réaction chimique• Paramètres de fonctionnement

Problème bien défini, avec des paramètres bien connus,

donc prédiction numérique fiable



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Application

Utilisation régulière pouroptimiser la productivité dela ligne



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Conclusions

• Le modèles de simulation simple sont en général utilisablespour une analyse qualitative de l’influence de différentsparamètres, mais pas pour un dimensionnement quantitatif.

Ceci est particulièrement vrai pour la simulation des visd’extrusion

• Les modèles de simulation complexes sont capables de

prédictions quantitatives, mais sont exigeants en termes decompétences de l’utilisateur et de données de matière etconditions aux limites complètes. Leur utilisation estéconomiquement justifiée pour des applications complexes

• Le vieil adage garde sa validité: « Garbage in- garbage out »

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