Pressen Külbel

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Das Modellieren von sowohl Glaskonditionierungs- als auch Glasformungsprozessen ist mit  der CFD Simulationssoftware NOGRID points realisierbar. Die Arbeitsabläufe des Glasformens beinhalten große Deformationen der freien Oberflächen und verbinden Wärmetransport mit komplexen Kontaktphänomenen. Hier werden Behälterglasformungsprozesse modelliert, um Einblick in die Einflüsse verschiedener Stadien der Formung auf die endgültige Behälterqualität zu geben. Das Modell verwendet NOGRID points,  das auf der Finite Pointset Methode (FPM) basiert und die Effekte der Viskoelatizität, der Oberflächenspannung und des zeitabhängigen Wärmeübergangs beinhaltet.

Leichtgewichtige Glasbehälter, die durch den Narrow-Neck-Press-and-Blow (NNPB)-Prozess hergestellt werden, sind Qualitätsdefekten ausgesetzt, die ihre Ursache im Kontakt zwischen Glas und Plunger (Stößel) haben. Diese Defekte ergeben sich aus der Deformation des Glases und ungeeigneten Formgebungsmaterialien. Um diese Probleme zu überwinden, entwickelt die derzeitige Forschung ein größeres Verständnis für die Reaktion des Glases und für die Interaktion mit den Formungswerkzeugen während des Parison-Formungsprozesses.

Simulation parison press process with meshless FPM

Abb. 1: Schema des Parison-Press-Prozesses  

Die Geometrie ist axial-symmetrisch, aber die Realität ist 3D. Um die 3D-Effekte (wie beispielsweise die Temperaturinhomogenitäten) ebenfalls zu verstehen, modellieren wir die Fragestellung in voll 3D. Um die Randbedingungen der Schubkraft anzuwenden wird ein Gesetz der Reibung verwendet, in dem die Schubkraft proportional zu der relativen tangentialen Geschwindigkeit am Rand ist (sogenannte nasse Reibung/wet friction). Wenn der Slip-Koeffizient nahe Null ist, führt eine kleine Geschwindigkeitsdifferenz zu großer Spannung und die Randbedingung ist gleich einer haftenden Wand. Wenn der Slip-Koeffizient sehr hoch ist, führt dementsprechend eine große Geschwindigkeitsdifferenz zu einer kleinen Spannung am Rand, was dazu führt, dass das Fluid an der Wand abgleitet oder rutscht.


Simulation velocity during plunger movement with meshless CFD


Abb. 2: Geschwindigkeitsprofil während der Bewegung des Plungers, berechnet mit NOGRID points

Wenn das Fluid mit den Wänden in Kontakt kommt, gibt es innnerhalb NOGRID points vier verschiedene Handlungsmöglichkeiten. Das "Touch-Always-Schlüsselwort" definiert einen Kontakt, bei dem die Einheiten immer im Kontakt mit dem Fluid stehen. Hier ist nichts Spezielles zu tun. "Touch-Liquid" (in der Simulation verwendet) bedeutet, dass wenn ein Fluid mit dieser Einheit in Kontakt kommt, das Fluid die Einheit 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 niedriger als der festgesetzte Wert ist. Wenn der geometrische Abstand zwischen einem finiten Punkt und einer Linie oder Oberfläche niedriger ist, als ein bestimmter Bruchteil der Glättungslänge, wird der Kontakt als wahr gekennzeichnet. Wenn die regulierenden Kräfte am finiten Punkt an der Richtung der Kontaktlinie oder der Kontaktoberfläche orientiert sind,  wird der Kontakt als wahr gekennzeichnet, andernfalls wird der Kontakt als falsch gekennzeichnet und NOGRID points versucht, den entsprechenden Punkt ein bisschen von der Kontaktlinie oder von der Kontaktoberfläche wegzubewegen.

Simulation temperature during plunger movement with meshless CFD

 

Abb. 3: Temperaturprofil während der Bewegung des Plungers, berechnet mit NOGRID points


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


Wie in Abbildung 4 gezeigt, ist die Punktedichte im Raum variabel und bewegt sich mit dem Plunger. Das ist ein Hauptmerkmal unserer Software, das sowohl hilft, die Rechnenzeit zu reduzieren, als auch die Qualität der Ergebnisse zu steigern.

Temperature and point cloud during plunger movement simulated with meshless CFD

 

Abb. 4: Temperaturprofil und Punktewolke während der Plunger-Bewegung, berechnet mit NOGRID points