Experimental and numerical investigation of rubber whether strip extrusion

Ekstrüzyon, otomotiv endüstrisinde kauçuk sızdırmazlık profilleri üretmek için kullanılan ana yöntemdir. Ürün kalitesi, kalıbın ölçülerine, şüreç değişkenlerini ve kullanılan malzemenin reolojik davranışını içeren birçok faktöre bağlıdır. Öte yandan, kauçuk bileşiğinin akışı, hem bu malzemenin viskozitesinin kayma incelmesi, hem de yüksek viskoelastik karakteri birlikte sergilemesi nedeniyle karmaşıktır. Bu nedenle, ekstrüzyon işlemi sırasında ürün kalitesi üzerinde etkili olan birçok faktörün dahil edilmesi, kalıp tasarımı ile akış alanı arasındaki ilişkinin sezgisel olarak tahmin edilememesine yol açmaktadır. Mevcut konvansiyonel kalıp tasarımı bir deneme yanılma sürecinden oluşur. Kalıp, istenen ürün kalitesi sağlanana kadar deneme yanılmalara bağlı olarak yeniden işlenir. Bu nedenle, sayısal simulasyonlarla, denemeyi sanal bir hale dönüştürmek, atık malzeme ve zamanın azalmasına yol açan güçlü bir tasarım yöntemidir. Kalıp tasarımına ek olrak, simulasyonlar, reolojik parametrelerin ürün kalitesi üzerindeki etkilerini değerlendirmek için derinlemesine incelenebilir. Kauçuk gibi yüksek reaktif malzemelerin, ekstrüzyon sürecinde daha az reaktif olacakları koşullarda bulunmaları önemlidir. Bu nedenle, malzemenin kalıp içinde kalma süresi, malzemenin viskoz ısınma ile ya da kalıptan akan ısıya maruz kalma süresini etkiler ve sonuç olarak peroksitin bozunması, polimerin bozunması veya jelleşmesi gibi fenomenler ortaya çıkabilir. Bu nedenle, sürecin termal kontrolü, ürün kalite kontrolünün anahtarıdır. Araştırmanın ilk kısmında, endüstriyel ölçekte tasarlanmış özel bir test kalıbı, basınç ve sıcaklık sensörleri ile donatılarak ekstrüzyon deneyleri yapılmıştır. Ekstrüzyon deneyleri bir ekstrüzyon hattında, farklı ekstruder hızları için debi, sıcaklık ve basınç değişkenleri ölçülerek yapılmıştır. Doldurulmuş kauçuk bileşiğinin reolojik özellikleri, sayısal simülasyon için gerekli malzeme parametrelerini elde etmek için farklı sıcaklıklarda bir kapiler reometre (Rosand) kullanılarak karakterize edilmiştir. Kauçuğun kürlenme özellikleri, farklı sıcaklıklarda sertleşme eğrilerinin, bir kauçuk işlem analiz cihazı (RPA-2000) kullanılarak tespit edilmiştir. Etilen propilen dien monomeri (EPDM) kauçuk eriyiklerinin izotermal olmayan viskoz akışının modellenmesi için üç boyutlu bir model oluşturulmuştur. Elastiklik içermeyen, Newtonian olmayan akışların viskozitesi güç yasası modeli (power law model) kullanılarak ekstrüzyon kalıbı içindeki akış karma sonlu elemanlar yöntemi ile çözülmüştür. Basınç-dengelenmiş Petrov-Galerkin (PSPG) ve akış çizgisi upwind/Petrov-Galerkin yöntemi akış denklermlerini dengeli bir şekilde çözmek için kullanıldı. Sonuçlar, EPDM kauçuk bileşiği için, ekstrüder hızının ekstrüzyon kalıbındaki sıcaklık artışı ve basınç düşüşü üzerinde kayda değer bir etki verdiğini doğrulamıştır. Viskoz enerji kayıplarının termal davranış ve basınç düşüşü tahmini üzerindeki etkisi de tartışılmıştır. Elde edilen kürlenme (ve sonrasındaki kavrulma) süresi, kauçuğun kalıp içinde tahmini kalma süresi ile kıyaslanarak nihai ürün üstüne etkisi incelenmiştir. Sonuçlar, çalışılan ekstrüder hız aralığında, erken vulkanizasyon ya da akış alanının içinde kavrulmanın olmadığını göstermiştir.. Hız dağılım endeksi ve akış çizgileri, sırasıyla kalıp çıkışında ve tüm akış alanında değerlendirildi. Elde edilen sonuçların analizi, önerilen kalıbın içinde, akış kopması, girdap oluşumu veya büyük bir distorsiyon olmadığını ve bu kalıbın hatasız bir ürün üretme kabiliyeti olduğunu doğrulamıştır. Simulasyonlarla yapılan tahmininin geçerliliği, deney sonuçları arasındaki karşılaştırma ile doğrulanmıştır. Araştırmanın ikinci bölümü, kauçuğun ekstrüzyonu sırasında meydana gelen şişme olayını incelemeye ayrılmıştır. Ekstrüdat şişmesi, kauçuk ve kauçuk bileşikleri gibi yüksek viskoelastik malzemeler ekstrüde edildiğinde ortaya çıkan ürünün şeklini değiştiren önemli bir olgudur. Bu çalışmada, nonlineer diferansiyel viskoelastik model olan Giesekus modeli kullanılarak gevşeme zamanının ve gevşeme modunun şişme tahminleri üzerindeki etkileri kapiler kalıpta Stiren-Butadien kauçuk (SBR) ekstrüzyonu için sistematik olarak incelenmiştir. 3 boyutlu, kararlı akış, şişme simulasyonları sonlu elemanlar yöntemi ile yapılmış ve deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Hız dağılımı, basınç düşüşü ve girdap oluşumu simülasyon sonuçlarının analizi ile tartışılmıştır. Şişme simulasyonlarını sonuçları, Giesekus modelinin geniş bir gevşeme aralığında kullanılan üç gevşeme moduyla deney verilerini yeniden üretilebildiğini ortaya çıkarmıştır. Ayrıca, gevşeme modunun sayısının ve gevşeme süresinin, kalıp köşesindeki girdaplı akış üzerinde önemli bir etkisi ve diğer alan değişkenleri üzerinde de etkileri olduğunu ortaya koymuştur. Önerilen fiziksel ve sayısal modelin doğrulunun ispat edilmesinden sonra, aynı model, otomotiv endüstrisinde sızdırmazlık profillerinde kullanılan EPDM kauçuğunun kapiler ekstrüzyonuna uygulanmıştır. EPDM kauçuğun şişmesi, SBR kauçuğunun şişmesi ile karşılaştırılmıştır.. Elde edilen sonuçlar, EPDM'nin şişme oranının, incelenen tüm parametreler için SBR kauçuğun şişme oranından daha az olduğunu göstermiştir. Bu bulgu, viskoz bir etki baskın olduğunda bu tür materyalin modellenmesinde elastik olmayan bir viskoz modelin kullanılabileceğini ortaya koymuştur. Kalıp uzunluğu ve kalıp duvarındaki kaymanın, ekstrüzyon ve ürün üzerine etkisi de simülasyonlar yardımı ile incelenmiştir. Son olarak, endüstriyel ölçekte bir ekstrüzyon kalıbında ekstrüdat şişmesinin modellenmesinde viskoelastik simülasyon bazlı Giesekus viskoelastik modeli uygulanmıştır. Tahmini ekstrüdat profili, kalıp çıkışındaki temel profille karşılaştırıldığında, ekstrüdat profilinde çok hafif bir sapma gözlemlenmiş ve kalıbın istenilen profil için uygun olduğu tespit edilmiştir. Kalıp çıkışındaki üç boyutlu gerilme alanı incelenmiş ve eriyik kırılması ya da yüzey kusurları gibi bazı kusurların evrimi üzerindeki etkileri tartışılmıştır.