Polimer malzemelerin ekstrüzyonunun deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of extrusion of polymeric materials
Yazar: OKTAY YILMAZ
Danışman: PROF.DR. KADİR KIRKKÖPRÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Ekstrüzyon = Extrusion ; Polimer sıvılar = Polymer liquids ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Profil ekstrüzyonunda, kalıp çıkış kesitinde akışın dengelenmesi ve kalıptançıkan malzemenin şişmesi olmak üzere karşılaşılan iki temel problem vardır. Buçalışmada bu problemlerin ilki deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir.İlk olarak profil kesitinin farklı çaplardaki deliklere bölünebileceği ve kalıpçıkışında dengeli akış sağlamak için çıkış kesitinin bu deliklerle beslenebileceğidüşünülmüştür. Bu amaçla, farklı çaplardaki ve kademeli deliklerdeki polimereriyiğin akışının incelenmesi için deneyler yapılmıştır. Deney sonuçlarına görekalıp girişinde basınç dağılımı yaklaşık olarak homojendir.Çalışmanın devamında akışın dengelenmesi problemi için analitik bir yaklaşımgeliştirilmiştir. Analitik sonuçlar sayısal simülasyon sonuçları ilekarşılaştırıldığında analitik yaklaşımın kalıp dizaynında yol göstericiolabileceğini göstermiştir. Sayısal sonuçlar ticari bir yazılım olan Polyflow ileelde edilmiştir. Viskoz gerilmeler ile şekil değiştirme hızları arasındaki ilişki,Genelleştirilmiş Newton Tipi Akışkan Modeli 'yle ifade edilmiştir.Sayısal simülasyon sonuçlarına göre polimer ekstrüzyonunda giriş basınçkayıpları çok düşüktür ve ihmal edilebilirler. Çok düşük Reynolds sayısına sahipbu akışta viskoz kuvvetler basınç kuvvetleriyle dengelenmektedirler. Ayrıcasayısal simülasyon sonuçlarına göre kalıp tasarımı ekstrüde edilen polimerincinsine kuvvetli bir şekilde bağımlılık gösterir ve kalıp çıkış kesitindeki hızdağılımı üretim hızından etkilenmemektedir.İmalatı düşünülen bir profil için sayısal simülasyonlar yardımıyla dengelimalzeme çıkışı sağlayacak bir kalıp geometrisi önerilmiştir. Bu yöntem, kalıpgirişinde kesitin ayırma yüzeyleri yardımıyla yaklaşık olarak homojen kesitesahip daha küçük parçalara bölünmesine dayanmaktadır. Böylece polimer eriyikakışında çapraz akış önlenmektedir. Bu yöntem kullanılarak kalıp çıkış kesitindenümerik olarak hemen hemen üniform hız dağılımı elde edilmiştir.Anahtar Kelimeler: Polimer, ekstrüzyon, akışın dengelenmesi, sayısal akışkanlardinamiği

Abstract:
There are two main problems in profile extrusion, flow balancing at the die exitand the swelling of the extrudate as it leaves the die. In this study, first of theseproblems has been studied experimentally and numerically.First, it has been suggested the profile cross-section in the die could be dividedinto several cylindrical channels with different diameters and could be fed bythese channels in order to obtain a balanced flow at the die exit. For thispurpose, experiments have been carried out to investigate the characteristics ofpolymer melt flow through different diameter channels and multiple diameterchannels that feed the profile at the die exit. Experimental results have shownthat, the pressure distribution at the die inlet is nearly uniform.Second, an analytical approach is established for flow balancing. Comparison ofthe analytical results with those of numerical simulations suggests that theanalytical approach may be a guide for the die design. The relation betweenviscous stresses and strain rates are defined by Generalized Newtonian Fluid(GNF) Model.Numerical simulation results demonstrate that entrance pressure losses inpolymer extrusion are very small and can be neglected. In this very low Reynoldsnumber flow, viscous forces are balanced by pressure forces. Numericalsimulations have also shown that the die design is strongly dependent on the typeof polymer being extruded and the flow velocity distribution in the profile crosssectionat the die exit is not affected by the production rate.For a profile to be produced, a die geometry which provides a balanced flow atthe die exit is proposed by use of numerical simulations. This is achieved byusing flow separators that divide the cross section into a few smaller crosssectionsof near homogenous thickness at the die inlet. This prevents crossflowing in the polymer melt flow. By using this technique, a near uniformvelocity distribution at the die exit has been reached numerically.Keywords: Polymer, extrusion, flow balancing, computational fluid dynamics