聚合物擠出的案例
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Fluent案例｜聚合物擠出模擬
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本算例演示利用Fluent Materials Processing模擬聚合物三維擠壓過程。
注意本算例是Fluent 2021R2的Beta功能。
問題描述
計算模型如下圖所示。
這個問題涉及非牛頓流體通過三維模具的流動。考慮到問題的對稱性，采用四分之一模型進行計算，模型中定義了兩個對稱面。熔體以 Q = 10 cm3 /s的體積流量進入模具，在出口處獲得擠出物。在計算域的末尾，假設擠出物完全變形并且不會進一步變形。假設子域 2 足夠長以求解擠出物的所有變形。
在計算域上求解不可壓縮性和動量方程。問題的域分為兩個子域，因此網格重劃分算法只應用于將變形的網格部分。子域 1 代表限制流體的模具。子域 2 對應于與空氣接觸并可以自由變形的擠出物。計算的主要目的是找到自由表面（擠出物的表皮）的位置。
展開 ANSYS 仿真產品：ANSYS Discovery AIM介紹
聚合物擠出： 在仿真聚合物擠出過程和評估模具設計時，有助于減少試錯迭代次數，快速排除意外問題。
魯棒性設計優化
Discovery AIM擁有強大的設計探索與優化功能，可幫助您做出明智的設計決策并且優化產品設計方案。Discovery AIM包含ANSYS DesignXplorer技術，您可以快速、徹底地探索設計空間，自動優化產品設計。通過改變CAD參數、材料屬性、邊界條件和仿真結果，您可以快速建立和評估多種設計方案，以促進試驗設計、目標驅動優化和六西格瑪分析。
靈活的定制應用
憑借Discovery AIM的定制化功能，您可將公司的最佳工程實踐融入到仿真過程中，以確保公司內部的一致性和精確性。Discovery AIM包含基于Iron Python語言的日志和腳本編寫功能，讓您可以錄制、定制和播放仿真流程。您能夠根據任何仿真生成可播放的用戶自定義模板，而且可以使用自定義的物理對象與載荷量身定制地研發具體流程仿真。Discovery AIM的自動化和定制化功能尤其適合必須符合安全或制造標準的產品設計。
互操作性助力工程協作
Discovery AIM采用與ANSYS CFD和ANSYS Mechanical相同的經過驗證的ANSYS求解器技術，因此您完全可以相信仿真結果。由于使用相同的ANSYS旗艦產品，設計工程師和仿真分析人員可以緊密協作，從而排除問題或進行更深入的研究。總之，Discovery AIM通過易于使用的向導式工作流程為設計工程師提供ANSYS求解器技術，方便設計工程師以及分析師利用Discovery AIM模型數據解決工程挑戰。
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展開 擠出機螺旋修復方法，擠出機螺旋絞刀維修
擠出機的螺旋絞刀是擠出設備中的主要部件，在產品擠壓成形過程中，承載負荷最大，扭曲力最強烈，對螺旋絞刀的磨損最嚴重。為了提高機械設備的完好率和生產效率，使其發揮最大的效力，為企業創造最佳的生產經營效益，就要按擠出機的保養維修要求對擠出機螺旋絞刀進行保養和維修。
1、擠出機螺旋絞刀形式
螺旋絞刀多用鍵鑲嵌在主軸上。螺旋絞刀的葉片分為雙螺旋和三螺旋型。無論采用那種型式，關鍵是要葉片之間均布，防止出現偏差。否則會使擠出機搖頭、振動。并且導致主軸彎曲，電耗增高。
2、擠出機螺旋絞刀維修
在維修螺旋絞刀時，要求螺旋絞刀與擠出機泥缸的襯套之間間隙不大于3mm。絞刀前面和側面所涂的耐磨材料層要求光潔無斑點，以減輕主軸的承載量，降低阻力，節約耗電量。必要時對于耐磨層要用磨光機打磨，消除可產生阻力的焊層。
擠出機螺旋絞刀堆焊材料選用北京固本kb899耐磨焊絲，填充碳化鎢粒子的復合焊絲，堆焊單層，硬度高達68
HRC。全網最耐磨的焊絲，耐磨性超高鉻鑄鐵3倍。
螺旋絞刀堆焊材料選用北京固本kb899耐磨焊絲，按維修標準修復后，一般可連續生產普通磚300萬塊。
當螺旋絞刀磨損嚴重時，增大了擠出機泥缸的間隙，會造成產量降低，產品質量下降，泥料在泥缸中旋轉，導致擠泥機發熱和搖頭，耗電量增高。螺旋絞刀的最前節葉片此時基本已磨光。所以企業應根據實際情況制定定期更換絞刀的工藝制度，不能盲目追求時效，牢記“磨刀不誤砍柴工”的道理。
展開 
ANSYS AIM 17.2：為設計工程師擴展前期仿真功能
現在，工程師在聚合物擠出仿真中也能包含熱效應。上述新特性完美結合，能顯著提升熱管理前期仿真的速度和保真度。
更出色的螺栓連接
各組件之間采用的螺栓連接在建筑物與機械中十分常見。準確仿真螺栓擰緊順序、接觸壓力和部件之間的摩擦壓力對于分析螺栓連接的結構強度非常關鍵。ANSYS AIM 17.2提供了新的螺栓連接優化選項，能讓工程師準確模擬結構裝配體的載荷和螺栓擰緊順序。
增強無縫協作
當今許多行業領先企業都致力于改進產品研發過程，而秘訣就是設計工程師通常會進行前期仿真，然后將仿真模型傳輸給分析人員，以進行更先進的仿真或結果驗證。AIM充分利用ANSYS Workbench平臺的強大功能，現在支持將AIM仿真模型拖放到旗艦版ANSYS Mechanical環境中，從而實現設計工程師和仿真分析人員的無縫協作。
展開 塑料螺桿擠出機的工作原理
在該基金的資助下，對塑料電磁動態塑化擠出機理共擠復合機理進行深入研究，在國內外首次提出了聚合物電磁動態塑化擠出工程原理，建立了比較完善的聚合物動態固體輸送、熔融、熔體輸送數學模型，闡明并定量地描述了聚合物動態塑化擠出過程的基本規律。依據新原理研制出國內外首創的“塑料電磁動態塑化擠出設備”。
雙螺桿市場創新技術趨勢：雙螺桿加工技術已經成為塑料加工業應用極為普遍的一種加工手段，相應的競爭也極為激烈。如何在激烈的競爭中立于不敗之地?不同供應商紛紛推出各有特色的創新技術以贏得市場。
高速、高產量 高速、高效、節能一直是近年來國際塑料機械不斷改進的主旋律。高速和高產量可使投資者以較低的投入獲得高額的回報。但是，螺桿轉速高速化帶來一系列極待解決的問題：如物料在螺桿內停留時間短，容易引起物料混煉塑化不均;過高剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解;可能出現擠出穩定性問題;需要高性能輔機和精密控制系統與之配套;螺桿與機筒的磨損問題以及減速傳動箱設計問題等。
因此，針對高速化可能帶來的問題提供解決方案，便是雙螺桿供應商技術創新的重要方向之一。德國貝爾斯托夫(Berstorff)公司推出的新型雙螺桿擠出機-ZEUTX系列，性能與眾不同之處在于擁有優異的螺桿直徑/生產率比。螺桿設計最高轉速達1200rpm，扭矩大，擠出產能在100～3500kg/h之間。可同時進行物料的混煉、反應、排氣等工序。
機筒和螺桿采用了模塊式設計，能滿足各種特殊工藝要求，具備優異的加工工藝靈活性，還配有ZSEF型側邊喂料器，可實現高的固體顆粒輸送率，切粒機可匹配不同的產率和材料加工。
為了適應高速、高產的需要，該擠出機擁有多處改進。
展開 將任何工業機器人改成3D打印機？Adaxis增材軟件
聚合物擠出機（FFF）或金屬DED頭可能只是另一個終端效應器。
最后一點特別重要，因為它有可能使3D打印變得觸手可得。當然，很大一部分制造商都有機器人，而多數目前都沒有得到充分利用。今天，它們很難針對3D打印進行編程；但明天，如果這個障礙被消除，那么所有這些機器人就會成為增材制造生產力，只等著被投入使用。
△具有可變層方向的3D打印管；這個由瑞典研究所使用Adaxis軟件制作的演示部件，顯示了在機器人3D打印中改變層方向的可能性。彎曲的圓柱體的切片平面根據遵循零件中心線而不斷變化。層與層直接是不平行的，擠出機的輸出變化來產生這樣差異
南極熊在想，一旦這個軟件系統成熟，以后會不會工業機器人公司都可以制造3D打印機了呢？ABB、KUKA、新松等大批公司紛紛推出自己的3D打印機。
展開 塑膠材料篇：聚合物的聚集態結構，對聚合物性能的影響
取向態結構（在外力作用下，卷曲的大分子鍵沿外力方向平行排列而形成定向結構，各向異性）
晶態高分子聚合物規則排列區域稱為晶區，無序排列區域稱為非晶區，晶區所占的百分比稱為結晶度。通常聚合物不會完全結晶，一般把結晶度在80%以上的聚合物稱為結晶性聚合物，即結晶聚合物或半結晶聚合物，（實際上有些聚合物結晶度沒有這么高也成為結晶聚合物）。反之為非結晶聚合物，非結晶聚合物又稱無定形聚合物， 分子形狀、分子相互排列為無序狀態的高分子，結晶聚合物有明顯的熔點，非結晶聚合物沒有明顯的熔點。
三、聚合物的結晶原理
聚合物的結晶包括兩個基本步驟，即晶核的形成和晶粒的生長。這就像排隊一樣，首先確定好排頭（晶核），然后其它人以排頭為基準而形成一列（晶粒）。只有形成晶核，才可以有晶粒的生長；但有了晶核，晶粒也不一定生長，因而晶核是晶體形成的充要條件。
四、影響聚合物結晶的因素
1、內因
1）高分子鏈的對稱性
：對稱性好，容易結晶。（不要求高度對稱）
比如：PTFE和PE對稱性好，容易結晶，其中PE最高結晶度高達95%，當PE氯化后，破壞對稱性，結晶能力大大降低。高壓制備的支化聚乙烯結晶能力小于低壓制備的線型聚乙烯。
2）高分子鏈的規整性：一般考慮含有不對稱中心的高分子或者具有順反異夠的高分子，規整性好，容易結晶。（不是全部鏈節都規整，允許部分不規整（支鏈、交鏈、構型不規整），不能太多，規整占優勢。）
比如：PS、PMMA和PVA等無規聚合物，為非結晶聚合物。
聚丙烯PP，分為三種類型，等規、間規和無規PP，其中等規度影響了PP的結晶能力，等規PP結晶度高，而無規PP則是非結晶聚合物，呈無色透明狀。一般聚α-烯烴需要考慮等規度。
展開 共軛聚合物的多級組裝促發大面積加工聚合物單分子層晶體管
薄膜吸收光譜、AFM高度以及掠入射X射線散射證明了聚合物單分子層的厚度，且表明單分子層的形成具有寬的加工窗口。更為重要的是，該聚合物單分子層的形成與基底的性質關系較小，在具有不同接觸角的基底均可以沉積得到聚合物單分子層網絡。寬的加工窗口和弱的基底相關性非常有利于加工大面積和高均勻性的聚合物薄膜。
圖2 共軛聚合物聚集行為的調控與大面積加工聚合物單分子層：a，共軛聚合物的化學結構；b，混合溶劑調控下的聚合物溶液的吸收光譜；c，可晶圓級加工聚合物薄膜的提拉裝置；d，混合溶劑與提拉速度調控的聚合物薄膜形貌；e，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸收光譜； f，不同提拉速度下聚合物薄膜的吸光度與厚度；g，4英寸晶圓級的聚合物單分子層薄膜。
圖3 薄膜晶體管器件：a，4英寸晶圓級薄膜晶體管實物圖與器件結構示意圖；b，晶體管轉移特性曲線；c，晶體管輸出特性曲線；d，晶體管開關穩定性測試；e，晶體管轉移特性曲線；f，單分子層與多分子層的電子遷移率比較；g，n型聚合物單分子層晶體管性能比較。
研究人員利用該聚合物組裝策略，在4英寸晶圓上加工了聚合物單分子層網絡，形貌、高度與器件性能均表現出了很好的均勻性（圖3）。基于聚合物單分子薄膜的場效應晶體管在空氣下表現出穩定的電子傳輸性能，在持續開關1500 s后仍保持基本不變。相比于傳統的旋涂薄膜（18 nm），聚合物單分子層（4 nm）保持了相似的電子傳輸性能，最高電子遷移率可達1.88 cm?2V?1s?1，是目前報道中聚合物單分子層最高的電子遷移率。隨后，他們結合了多種實驗手段觀測到了聚合物在稀溶液中的組裝結構，為一維蠕蟲狀結構。隨著濃度的提高，聚合物的組裝體逐漸生長為網絡狀結構。
展開 高分子“變形金剛”——拓撲結構可變的聚合物重新定義刺激響應型聚合物的未來
通過精細的設計，這類聚合物可以響應很多種外界信號諸如酸堿度，溫度，光，力，氧化還原試劑，電磁場等。近年來，高分子科學家對這類聚合物材料進行了廣泛深入的研究并證明了其在生命科學，納米科學，材料科學，環境保護等領域具有廣泛的應用前景。
傳統的刺激響應型高分子在外界刺激的作用下往往只會發生一些非常基礎的的改變，比如聚合物鏈構象，聚合物之間相互作用，或者聚合物與溶劑之間的相互作用（即溶解性）等。然而上述這些簡單的結構變化在很多情況下無法引起聚合物材料發生顯著的性質改變，因此可能無法滿足很多實際應用中的要求。為了進一步讓刺激響應型聚合物變得更加“聰明”，一批高分子化學家近幾年另辟蹊徑，開始嘗試研發一類新型的刺激響應型高分子，賦予它們在環境刺激下改變自身拓撲結構（Architecture）的能力。眾所周知，聚合物的拓撲結構包含線性，超支化，梳型，星型，環形等等。這些拓撲結構作為高分子的一個基礎卻重要的特征，無論對高分子的本體性質（例如熱性質）還是溶液性能（例如自組裝，粘度等）都有著非常重要的影響。因此，當大分子能夠像“變形金剛”一樣去改變自身拓撲結構時，它們的性質也會隨之發生顯著性的改變。
為了促進高分子學界對“拓撲結構可變高分子”（Architecture-Transformable Polymers）這類新型刺激響應型聚合物的思考，美國佛羅里達大學的Sumerlin教授團隊近期通過綜述的形式首次詳細地總結了該新興方向的研究進展。首先，他們根據合成方法學，系統地歸納了拓撲結構可變高分子的兩大分支：可逆共價鍵化學以及超分子化學（圖一）。前者將刺激響應型可逆共價鍵引入到高分子的支化點(即主鏈與支鏈的連接點)，并通過施加響應來打斷并重組支化點，從而實現聚合物拓撲結構的轉變。迄今為止，一系類刺激響應型共價鍵已經被成功應用于拓撲結構可變高分子的合成過程中（圖二）。
展開 從“粉末冶金”進階，看粉末擠出3D打印技術如何賦能
“3D打印+粉末冶金”相結合的金屬/陶瓷間接3D打印技術——粉末擠出打印技術（Powder Extrusion printing，PEP），在國內由升華三維首推。它的基本工藝過程是：首先將金屬/陶瓷粉末與有機粘結劑均勻混合造粒，然后經3D打印機成形后，將成形坯（生坯）中的粘結劑脫離，最后經燒結致密化，獲得性能一致且優良的產品。
△PEP解決方案的三大特征
PEP技術利用成熟的粉末冶金技術進行再創新，創新性地通過3D打印實現對材料的控制和成形，滿足客戶所需的金屬/陶瓷零件的個性化定制。PEP方法通過無模具化的制備，節省了模具開發的制造和時間成本；拓展了高難度、高復雜性零件的加工能力，例如實現純銅隨形冷卻流道的設計制造，復雜結構碳化硅陶瓷的大尺寸、輕量化、一體化制備等；提供了較直接3D打印技術成形更優的精度，打印設備、材料性價比更高，更有利用3D打印應用的推廣及普及。
▽PEP 3D打印成功應用得益于以下優勢組合
3、以用戶需求及行業應用為導向
他山之石可以攻玉，傳統粉末冶金和新型PEP 3D打印并不是替代關系，而是迭代關系、優勢互補，是智造發展的未來之路，是粉末冶金和數字技術融合發展之路、共生共贏之路。
目前應用于航空、航天、船舶、核電等現代工業的關鍵零構架件正朝著復雜化、一體化、輕量化、高性能化方向發展，PEP 3D技術也已證實可滿足成形要求，成為高科技領域關鍵材料和核心部件制備鏈條中的一環，而且正以新優勢更好地為粉末冶金“賦能“。
“賦能”并不是一個概念。升華三維團隊目前已經在該技術基礎上積累和沉淀了近10年，現在正在考慮“下一步進階”，以用戶需求及行業應用為導向，為“構建3D打印的智造世界”做出更多探索和實踐。
展開 
ANSYS POLYFLOW在擠出工藝中的應用
作者：李超峰
上海安世亞太公司
本文通過優化模具通道的案例進行分析和講解，拆分了該案例的優化步驟，從而清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在擠出工藝中的重要作用。
擠出成型是聚合物、玻璃及食品加工連續性生產工藝的重要方法。由于聚合物在拉伸和擠壓過程中表現出復雜的粘彈性行為，因此熔體在模具中和自由端的流動行為非常復雜。
應用FLOW-3D于材料擠出式增材制造
應用FLOW-3D于材料擠出式增材制造 (Material extrusion additive manufacturing)
作者：Jon Spangenberg / DTU (Technical University of Denmark)
本篇文章中，作者介紹了兩種不同材料的擠出式增材制造。
FDM Printing
Concrete printing
1. FDM printing
FDM printing采用polymer擠出進行3D打印。對研究方向而言，屬于沉積流 (Deposition flow)，流體在熱擠出頭內的流動更是研究重點之一。
從2018年開始，DTU開始針對FDM打印過程中的流體流動現象進行研究，最初研究時做了下列假設。
（1） 流體為不可壓縮流體
（2） 流體流動時黏度為固定值
（3） 忽略能量方程
（4） 不考慮沉積流的凝固現象
（5） 擠出條件由下列比例決定
? 打印速度/擠出速度 (VP/UC)
? 單層厚度/噴嘴直徑 (Lt/DC)
擠出頭內的條件設定如下。
測試用實驗設備照片及設計圖。
根據實驗，完成了下列圖表，不同材料在不同噴嘴直徑下的進給條件。
根據需求，建立了如下的流場信息進行仿真。
使用FLOW-3D進行仿真，仿真數據與實驗數據比對。
2. Concrete printing
混凝土打印屬于房屋3D打印計劃之一，工藝為wet-on-wet printing。
對研究人員來說，如何定義混凝土的流動模式是最重要的。
展開 交聯電纜線芯絕緣擠出的缺陷有幾種？原因是什么
交聯電纜絕緣線芯除機械性能和電氣性能有較嚴格的要求外，對其表面質量也有一定的要求。
小編就目前普遍存在的幾種缺陷做以下分析：
偏芯：偏芯是指在導體外絕緣徑向分布不均。
其原因如下：模芯過大或模芯模套之間的間隙不均同時線芯的圓整度對其也有一定的影響，建議要選擇適當的模具，把模芯、模套之間的間隙調均勻，避免壓力不平衡造成的偏芯，同時要選用圓整度較好的線芯。
凹坑、鼓包：是指在絕緣表面凹凸不平。
其原因如下；絕緣料在機筒內停留時間過長，有一部分絕緣料過早交聯，這樣線芯在出模時就造成了凹凸不平，同時原材料對其也有一定的影響。建議要縮短校模時間，出線速度要嚴格按照工藝要求執行，正常運轉時不能突然降低速度，使絕緣料不會在機筒內過早交聯，同時也要加強對原材料質量的控制，避免造成凹坑、鼓包現象。
漏洞：漏洞是指絕緣沒有完全包覆導電線芯
其原因如下：在生產過程中，溫度過高絕緣處于流動狀態不能完全包覆導電線芯。建議在生產過程中，溫度控制以及工藝參數要嚴格按照工藝標準執行，同時對不同廠家生產的交聯料的工藝要做及時的調整，避免造成漏洞現象。
展開 ANSYS POLYFLOW在擠出工藝中的應用
作者：李超峰 上海安世亞太流體應用工程師
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
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本文共計1371字，閱讀時間預計4分鐘
編者按
作者通過一個優化模具通道的案例進行分析和講解，拆分了該案例的優化步驟，讓我們清楚地了解到ANSYS POLYFLOW在擠出工藝中的重要作用。
背景
擠出成型是聚合物、玻璃及食品加工連續性生產工藝的重要方法。由于聚合物在拉伸和擠壓過程中表現出復雜的粘彈性行為，因此熔體在模具中和自由端的流動行為非常復雜。
