Ottimizzazione e validazione sperimentale del modello numerico del processo di estrusione polimerica con matrici metalliche ottenute mediante fabbricazione additiva

Flexibility and cost reduction are primary concerns in modern manufacturing, whose designers are challenged in conceiving an always increasing variety of products in the shortest time and lowest cost possible. Nowadays, digital engineering tools are essential for meeting such demanding tasks even for well-established manufacturing techniques of the like of polymer extrusion. As a matter of fact, the design process of extrusion dies is particularly complex and costly, it still heavily relies on experience and empirical know-how, with physical testing representing the main cost item. This thesis aims at investigating the potential of virtual simulation strategies in conceiving a die for profile extrusion of polymers, significantly reducing the physical testing phase and thus the cost. In particular, the scope of the work was to generate a simulation model predicting the velocity and temperature fields inside the internal channel of a specific die, which had been developed prior to the project using metal additive manufacturing techniques. Such model was successfully validated against other examples presented in the literature and experimental data, which were acquired extruding two different polymers: polypropylene (PP) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) at various flow rates. Secondly, the simulation model, once validated, was subjected to multiple automated optimisation analyses, following different strategies, such as topology and shape optimisation, with the intent to create an improved design of the flow channel that assured a balanced flow, which is a primary parameter determining the quality of the final product. Although still at an early stage, optimisation tools proved extremely promising in converting physical tests into digital ones, resulting in significant time and cost benefits. Finally, various extrudate samples were scanned using computed tomography (CT), to compare the densities given in the data sheets of the two polymers with those obtained through the scans. The reason for such thorough analysis is that the implementation of the correct density value is crucial for the accuracy of the simulation model if the volumetric flow rate is used as an input.

Aumento della flessibilità e riduzione dei costi sono tra le principali prerogative della produzione industriale odierna, in cui i progettisti sono chiamati a sviluppare una sempre più vasta gamma di prodotti nel minor tempo e con i minor costi possibili. Oggigiorno, gli strumenti di progettazione virtuale risultano essenziali per poter soddisfare tali esigenze, anche per processi ben consolidati, come nel caso dell’estrusione di polimeri. Infatti, il percorso progettuale delle matrici di estrusione è particolarmente complesso e costoso, basandosi fortemente sull’esperienza e sulla conoscenza pratica, spesso ottenibile solo dopo aver completato un’estensiva fase di test e sperimentazione. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di analizzare le potenzialità di strumenti di simulazione virtuale nella fase di ideazione e realizzazione di una matrice di estrusione per profilati polimerici, con l’obiettivo di ridurre significativamente l’estensione della fase di test fisici e, conseguentemente, i costi. In particolare, nell’ambito del progetto è stato generato un modello simulativo in grado di stimare il campo di velocità e temperatura all’interno della cavità di una matrice di estrusione, sviluppata durante un precedente lavoro di tesi attraverso tecniche di fabbricazione additiva di componenti metallici. Tale modello è stato validato con successo, utilizzando altri esempi riportati in letteratura e dati sperimentali come riferimenti, quest’ultimi acquisiti estrudendo, con diverse velocità, due tipologie di polimero: polipropilene (PP) e acrilonitrile butadiene stirene (ABS). Successivamente, il modello validato è stato sottoposto a molteplici analisi di ottimizzazione (topologica e di forma), aventi lo scopo di realizzare una versione ottimizzata della matrice, che cioè assicurasse un deflusso bilanciato del polimero all’interno della cavità, essendo tale bilanciamento uno dei parametri che più influenzano la qualità finale dell’estruso. Sebbene ancora ad uno stadio iniziale, gli strumenti di ottimizzazione si sono rivelati estremamente promettenti nel convertire gli attuali test pratici sulla linea di produzione in controparti virtuali, garantendo una notevole riduzione dei tempi e dei costi di progettazione. Infine, diversi campioni di estrusi sono stati scansionati con tecniche di tomografia computerizzata (CT) al fine di confrontare le densità fornite nelle schede tecniche dei due polimeri, con quelle ottenute sperimentalmente. Infatti, l’implementazione del corretto valore di densità risulta di primaria importanza per l’accuratezza delle simulazioni, nel caso in cui si utilizzasse la portata volumetrica del fluido come parametro in input.