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Simulation des Külbelpressens

Die Simulation des Külbelpressens von sowohl Glaskonditionierungs- als auch Glasformungsprozessen ist mit der CFD Software NOGRID points hervorragend realisierbar.

Glasformungsvorgänge umfassen große Verformungen der freien Oberflächen, konjugierte Wärmeübertragung und komplexe Kontaktphänomene. In diesem kurzen Bericht werden Umformprozesse für Glasbehälter modelliert, um einen Einblick in die Auswirkungen der verschiedenen Umformphasen auf die endgültige Behälterqualität zu erhalten. Das Modell verwendet NOGRID points und berücksichtigt die Auswirkungen von Viskoelastizität, Oberflächenspannung und zeitlich variierender Wärmeübertragung.

Leichtgewichtige Glasbehälter, die durch den Narrow-Neck-Press-and-Blow (NNPB)-Prozess hergestellt werden, unterliegen aufgrund des Kontakts zwischen Glas und Plunger Qualitätsmängeln an der Ware. Diese Defekte sind eine Reaktion auf die Verformung des Glases und ungeeigneter Werkzeugmaterialien. Um diese Probleme zu überwinden, entwickelt die aktuelle Forschung ein besseres Verständnis der Reaktion des Glases und der Wechselwirkung mit den Werkzeugen während des Vorformlings (Parison-) Bildungsprozesses.

 

Simulation parison press process with meshless FPM

Abb. 1: Schema des Külbel (Parison)-Press-Prozesses  

Die Geometrie ist achsensymmetrisch, aber die Realität ist 3D. Um die 3D-Effekte (wie Temperatur-Inhomogenitäten) zu verstehen, modellieren wir die Fragestellung in voll 3D. Um Randbedingungen für die Scherkraft anzuwenden, wird ein Reibungsgesetz verwendet, bei dem die Scherspannung proportional zur relativen Tangentialgeschwindigkeit am Rand ist. Wenn der Slip-Koeffizient nahe Null ist, führt eine kleine Geschwindigkeitsdifferenz zu einer hohen Spannung und die Randbedingung ähnelt einer klebenden Wand. Wenn der Slip-Koeffizient sehr hoch ist, führt auch eine hohe Geschwindigkeitsdifferenz zu einer geringen Spannung am Rand, was dazu führt, dass das Fluid an der Wand abgleitet oder rutscht.


Simulation Geschwindigkeit der Plunger-Bewegung, berechnet mit NOGRID-Software

Abb. 2: Simulation des Külbelpressens mit NOGRID points: Geschwindigkeitsprofil während der Bewegung des Plungers

 

Wenn das Fluid mit den Wänden in Kontakt kommt, gibt es innerhalb NOGRID points vier verschiedene Handlungsmöglichkeiten. Das "Touch-Always-Keyword" definiert einen Kontakt, bei dem die Entitäten immer im Kontakt mit dem Fluid stehen. Hier ist nichts Besonderes zu tun. "Touch-Liquid" (in dieser Simulation verwendet) bedeutet, dass wenn ein Fluid mit dieser Entität in Kontakt kommt, das Fluid die Entität durchdringen muss, bevor der Kontakt als wahr gekennzeichnet wird. "Touch geometrical" bedeutet, dass der Kontakt als wahr gekennzeichnet wird, wenn der Abstand zwischen der freien Oberfläche und der Wand kleiner ist als ein vorgeschriebener Wert. Wenn der geometrische Abstand zwischen einem finiten Punkt und einer Linie oder Oberfläche kleiner ist, als ein bestimmter Bruchteil der Glättungslänge, wird der Kontakt als wahr gekennzeichnet. Eine weitere Kontaktbedingung ist "Solid-Statement". Hier wird das Kontaktproblem durch 'govern forces' gelöst. Wenn die 'govern forces'  am finiten Punkt in Richtung der Kontaktlinie oder der Kontaktfläche ausgerichtet sind, wird der Kontakt als wahr gekennzeichnet, andernfalls wird der Kontakt als falsch gekennzeichnet und NOGRID points versucht, den entsprechenden Punkt etwas von der Kontaktlinie oder von der Kontaktfläche wegzubewegen.

Simulation Külbelpressen: Temperaturprofil während der Plunger-Bewegung

 Abb. 3: Simulation des Külbelpressens mit NOGRID points: Temperaturprofil während der Bewegung des Plungers


Die Rechenzeit beträgt etwa 4 h (in einem voll 3D-Modell), es werden 240.000 Punkte (für alle Teile) verwendet. Man kann die Rechenzeit reduzieren, indem man ein halbes oder ein viertel Modell verwendet. Die Massenerhaltung während des gesamten Press-Schrittes ist immer zufriedenstellend und die numerischen Schwankungen der Masse liegen bei jedem Zeitschritt unter 1 % der ursprünglichen Tropfenmasse. Ebenso liegt die Differenz zwischen dem ursprünglichen Tropfen und der endgültigen Masse unter 1 %.


Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die Punktedichte räumlich variabel und bewegt sich mit dem Plunger. Das ist eine Kernfunktion unserer Software, die sowohl hilft, die Rechenzeit zu reduzieren, als auch die Qualität der Ergebnisse zu verbessern.

Temperaturprofil und Punktewolke während der Plunger-Bewegung, simuliert mit NOGRID-Software

 Abb. 4: Simulation des Külbelpressens mit NOGRID points:Temperaturprofil und Punktewolke während der Plunger-Bewegung