اختصاصی بسپار/ پیشرفت ها در شبیه‌‌سازی رایانه‌‌ای تولید قطعات پلاستیک/ لوله و پروفیل های پنجره PVC

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ ایران پلیمر پیشرفت‌‌های نرم‌‌افزاری برای بهبود فرایند رانشگری (اکستروژن) شامل یک نسخه جدید از یک برنامه طراحی ریژه (دای) و چندین پروژه با استفاده از تحلیل المان محدود (FEA) برای ارزیابی دقیق‌‌تر عملکرد لوله است. در این مقاله پیشرفت‌‌ها در حوزه نرم‌‌افزارهای شبیه‌‌سازی آورده شده است.

در تولید قطعات پلاستیکی، شبیه‌‌سازی رایانه‌‌ای معمولا همراه بسیار مفیدی با فرایند قالب‌‌گیری پلاستیک است. اگرچه برای شبیه‌‌سازی فرایند رانشگری و محصولات آن نیز راه‌‌های زیادی با استفاده از روش‌‌هایی مثل تحلیل المان محدود (FEA) وجود دارد.

در همایش 2021 Antec، رئیس شرکت نرم‌‌افزاری Plastic Flow مقاله‌‌ای در مورد شبیه‌‌سازی جریان در میان ریژه (دای) پروفیل پنجره پلی‌‌وینیل کلرید (PVC) ارایه کرد.

اهدف اصلی او در طراحی قالب پروفیل این بود که هندسه کانال جریان را طوری توسعه دهد که اعوجاج (distortion) پس از خروج بسپار از ریژه به حداقل برسد. این موضوع با به حداقل رساندن ناپایداری در توزیع سرعت در خروجی ریژه به دست می‌‌آید.

در این مورد، شکل پروفیل در حین سرمایش خروجی رانشگر با تغییر در شکلِ تنظیم­گرهای (calibrator) متوالی پروفیل اصلاح شد. در شبیه‌‌سازی، تاثیر سرعت غیریکنواخت خروجی، جمع‌‌شدگی هنگام خنک شدن و شکلِ تنظیم­گرها روی تغییر شکل خروجی رانشگر نیز در نظر گرفته شده بود.

شرکت Deceuninck با استفاده از نرم‌‌افزار PolyXTrue شرکت Plastic Flow به‌‌خوبی طراحی قالب را تنظیم نمودند. جریان ترکیبی، تحلیل گرمایی و ساختاری برای پیش‌بینی دقیق اعوجاج خروجی رانشگر استفاده شد.

اخیرا شرکت Plastic Flow، نرم‌‌افزار خود را بروزرسانی کرده است تا سرعت و دقت پیش‌‌بینی شکل خروجی رانشگری بعد از ریژه را بهبود دهد.

به گفته شرکت Deceuninck، الگوریتم پیش‌‌بینی اعوجاج شکل خروجی رانشگری برای بهبود دقت بروزرسانی شده است. مخصوصا الگوریتم برای تخمین زدنِ گذار بسپار مذاب به پلاستیک جامد اصلاح شده است. الگوریتم جدید حداکثرِ ضخامت پروفیل رانشگری شده را در خروجی ریژه درنظر می‌‌گیرد تا به دقت گذار سیال به جامد را تخمین بزند. اصلاحات دیگر شامل اجازه دادن به نواحی دمایی متعدد روی دیواره‌‌های ریژه و یک رابط کاربری بهبود یافته است.

تحلیل خراش

به علاوه، چندین سخنران در همایش Plastic Pipes XX سال 2021 در هلند نرم‌‌افزارهای شبیه‌‌سازی برای اهداف مختلفی، از طراحی شبکه آب تا تعمیر لوله، را پوشش دادند.

مدیر فنی شرکت Pipelife Norge به حضار گفت که چگونه نرم‌‌افزارهای تحلیل المان محدود برای تخمین اثرات خراش روی لوله پلی‌‌اتیلن با چگالی زیاد (HDPE) برای کاربردهای زیر دریا استفاده شد.

لوله‌‌ها اکثر مواقع هنگام نصب خراش برمی‌‌دارند که احتمالا نیازمند تعمیر می‌‌شوند. استانداردی برای روال تعمیر وجود ندارد. تنها یک راهنمای صنعتی وجود دارد که حداکثر اجازه عمق آسیب سطحی 10 درصدی از ضخامت دیواره را برای لوله‌‌های دیواره توپر داده است.

شرکت Pipelife از FEA برای تعیین تاثیر عمق‌‌های مختلف آسیبِ سطحی و توسعه گزینه‌‌ها برای صاف کردنِ سطح دیواره با هندسه‌‌های مختلف استفاده کرد. شبیه‌‌سازی برای لوله پلی‌‌اتیلن با چگالی زیاد با نام OD2500 SDR26 انجام گرفت.

به گفته مدیر فنی شرکت Pipelife، بسیار مهم است که تعمیر روی سطح لوله به درستی صورت گیرد تا جلوی تمرکز تنش را بگیرد، زیرا که می‌‌تواند به انتشار ترک سطحی و احتمال وادادگی هنگام زیر آب رفتن لوله منجر شود.

در مطالعه‌‌ای، تاثیر شکاف‌‌ها (notches) و کندگی‌‌ها (gouges)- در عمق‌‌های مختلف دیوار لوله- فراتر از توصیه‌‌های صنعتی (بیشتر از 10 درصد) برای لوله‌‌های دیواره توپر آزمایش شد. تجزیه و تحلیل با نرم‌‌افزار FEA انجام شد، و نوع مواد با کمک آزمون‌‌های خمشیِ قبلیِ آزمایشگاهیِ لوله واسنجیده شد.

یک مدل‌‌سازی المان محدود با استفاده از نرم‌‌افزار Abaqus از شرکت Dassault Systèmes برای عمق‌‌های 0 تا 20 درصد ضخامت لوله آماده شد. این مورد کمک کرد پاسخ دهیم تا چه مقدار آسیب (اگر حتی از 10 درصد عمق دیواره لوله نیز فراتر رود) را هم‌‌چنان می‌‌توان تعمیر نمود.

فرایند معمولِ یک تعمیر شامل صاف کردن خراش و پهن نمودن آن است که کمک می‌‌کند تنش داخلی کاهش یابد. برای خراش با عمق 20 درصد، شرکت Pipelife شعاع تعمیر بین 20 میلی‌‌متر تا 640 میلی‌‌متر را  مدل‌‌سازی کرد. برای شعاع‌‌های بیشتر، مشخص شد یک افزایش 28 درصدی در تنش در مقایسه با لوله‌‌های آسیب ندیده اتفاق می‌‌افتد. اگرچه همین نیز 28 درصد بهتر از شکاف با عمق 10 درصد تعمیر نشده بود.

به گفته وی، این موضوع که لوله‌‌های تعمیر شده با سطح ایمنی مناسب را زیر آب قرار دهیم امکان‌‌پذیر خواهد بود و این امر سریع‌‌تر و ارزان‌‌تر است و هم‌‌چنین نسبت به بریدن قسمت آسیب دیده و دوباره جوش دادن یک قطعه نو در آن محل خطرات کمتری دارد.

آزمون آب شرب

هم‌‌چنین مدل‌‌سازی برای موارد سلامتی نیز استفاده می‌‌شود. مدیر پروژه شرکت آزمونگر Fabes توضیح داد که چگونه این شرکت از شبیه‌‌سازی برای مدل‌‌سازی مهاجرت مواد شیمیایی به درون آب شرب استفاده نمود. نرم‌‌افزار Migrapipe شرکت، این امکان را فراهم کرد که مهاجرت تکرارشونده نمونه‌‌ها شبیه‌‌سازی شوند. در این مورد، این نرم‌‌افزار برای تعیین مهاجرت شیرابه‌‌ها (معمولا مواد شیمیایی آلی) از لوله‌‌های PVC استفاده شد.

کارگزاری محیط زیست آلمان (UBA) اجازه استفاده از مدل‌‌سازی مهاجرت برای تخمین مقادیر (مانند ضریب جداسازی (partition) و نفوذ) در محاسبات انطباقی مهاجرت را صادر کرد. نتایج تجربی از مطالعات کنونی و قبلی وارد نرم‌‌افزارMigrapipe  شرکت Fabes شد تا کمک کند تخمین سطح مهاجرت، بدون استفاده از آزمایش‌‌های فیزیکی اضافی،  با صحت بیشتر قابل انجام باشد.

این نرم‌‌افزار توسعه پیدا نمود تا مهاجرت از لوله‌‌های پلاستیکی به آب (معیار) مطابق با معیارهای آزمایش برای آب سرد (23 درجه سلسیوس)، گرم (60 درجه سلسیوس) و داغ (85 درجه سلسیوس) را تخمین بزند. رابط کاربری گرافیکی اجازه می‌‌دهد که کاربر تمامی اطلاعات/ورودی‌‌های لازم برای محاسبات مهاجرت تکرارشونده را مشخص کند. به محضی که تمامی اطلاعات وارد شده بود، نرم‌‌افزار شروع به محاسبات عددی کرد، همانند حل معادله دوم Fick برای هندسه سیلندری شکل تا نتایج را ارایه دهد.

به گفته مدیر پروژه شرکت Fabes، این روش‌‌ می‌‌تواند برای دیگر مواد بسپاری مورد استفاده در تولید، تامین و مصرف آب شرب توسعه یابد. ترکیب اطلاعات واقعی با نرم‌‌افزار می‌‌تواند به ایجاد تخمین‌‌های به نسبت ارزان و سریع برای طیف وسیعی از مواد پلاستیک کمک کند. این کار می‌‌تواند با استفاده از داده‌‌های منابع عمومی بدون آزمایش بیشتر اجرا گردد.

بررسی مواد بازیافتی

محققان اتریشی و جمهوری چک از مدل‌‌سازی المان محدود برای ارزیابی این‌‌که آیا مواد بازیافتی می‌‌بایست در لوله‌‌های فشار قوی چند لایه مصرف شوند یا نه استفاده کرده‌‌اند.

موسسه فیزیک و مواد (IPM) در آکادمی علوم جمهوری چک، به حضار گفت که لوله‌‌های چندلایه اغلب از یک لایه میانی پلی‌‌اتیلن استفاده می‌‌کنند که نسبت به مواد لایه‌‌های خارجی آن دارای خواص مکانیکی کمتری است. به گفته این موسسه، این نوع لوله فشارقوی هنوز در بازار موجود نیست، بنابراین تنها می‌‌توان خواص آن را تخمین زد.

این موسسه اطلاعاتی از یک پروژه‌‌ی ارزیابیِ تاثیرِ تنشِ باقی‌‌مانده (residual) بر عمر لوله را ارایه داد. در این پروژه، محققان یک لوله سه­لایه با لایه میانی ضعیف را بررسی کردند. انگیزه به‌‌دست آوردن یک ایده کلی از رفتار لوله‌‌های چندلایه از نظر تنش باقی‌‌مانده و طول عمر می‌‌باشد. یک دلیل مواجه با لوله‌‌های فشارقوی چند لایه به توانایی استفاده از مواد بازیافتی به صورت گسترده‌‌ای در آینده است.

برگردان: مهندس شاهین ابراهیمی 
[email protected]

(ادامه دارد …)

متن کامل این مقاله را در شماره 240 ماهنامه بسپار که در نیمه مهرماه 1401  منتشر شده است،
می خوانید.

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه  و  فیدیبو  قابل دسترسی است.