This paper presents a novel shape-optimization technique for the design of mixing elements in single-screw extruders. Extruders enable the continuous production of constant-cross-section profiles. Equipped with one or several screw-shaped rotors, extruders transport polymer particles towards the outlet. Due to shear heating, melting is induced and a melt stream is created, which can be further processed. While many variants of multi-screw extruders exist, a significant share of all extrusion machines is made up of single-screw extruders due to their comparatively low operating costs and complexity. While the reduced complexity yields economic benefits, single-screw extruders' mixing capabilities, i.e., their ability to produce a melt with a homogeneous material and temperature distribution, suffer compared to multi-screw extruders. To compensate for this shortcoming, so-called mixing elements are added to the screw to enhance mixing by recurring flow reorientations. In view of the largely unintuitive flow characteristics of polymer melts, we present an optimization framework that allows designing these mixing elements numerically based on finite-element simulations of the melt flow. To reduce the computational demand required by shape optimization of a complete mixing section, we only focus on the shape optimization of a single mixing element. This paper presents advances in three aspects of numerical design: (1) A combination of free-form deformation and surface splines is presented, allowing to parameterize the mixing element's shape by very few variables. (2) The combination of this concept with a linear-elasticity-based mesh update method to deform the computational domain without the need for remeshing is demonstrated. (3) A simple yet robust and sensitive objective formulation to assess distributive mixing in laminar flows based on a measure for the interfacial area is proposed.


翻译:本文展示了一种新型的形状优化技术, 用于设计单层挤压机中的混合元素。 Exdruders 能够持续生产不变的跨部剖面图解。 精密化了一种或几种螺旋形转折器, 挤压机将聚合聚合粒粒子输送到出口处。 由于剪切热, 熔化和熔化流可以进一步处理。 虽然存在许多多层挤压机的变异体, 但所有挤压机的很大一部分是由单层挤压机的挤压机组成的, 因为它们的操作成本和复杂性相对较低。 虽然精密度降低的精细度将带来经济效益, 单层挤压机的挤压机组混合器的混合能力, 与多层挤压体流相比, 多层挤压体流的混合元素被添加到螺旋, 以不断流调整的组合为基。 鉴于聚合物熔化的多层流特性, 我们提出一个优化框架, 使得这些精度的精度的精度流的精度 的精细度 的精细度 的精细度, 以精确的精度 优化的精度 优化的精度 优化的精细度 的精度 的精度 优化的精度 的精度 的精度 的精细度将的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 的精度 精度 的精度 精度

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