Experimental and numerical investigation of rubber whether strip extrusion

Abstract

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.

Extrusion is the main method used to produce rubber weather strips in automotive industries. The product quality is dependent on many factors, which include the design parameters of the die, the processing variables, and the rheological behaviour of the used material. On the other hand, the flow of the rubber compound is complex due to both the shear thinning behaviour and the high viscoelastic character of this material. Therefore, the inclusion of many factors, which have an influence on product quality during the extrusion process, cause the relationship between the die design and the flow field to be not-intuitive. The current conventional die design employs trial-error process during which the manufactured die is reworked in several trials to guarantee the required product quality. Therefore, converting the running-in experiment into a virtual one by adopting numerical modelling is a powerful method leading to a reduction in waste material and time. In addition, it can also be used for the in-depth analysis of the rheological material variables in combination with the die design parameters to evaluate their effect on product quality.In extrusion process of high reactive material such as rubber, it is important to find less reactive conditions. This because of the time course of heating is very important factor in controlling the peroxide' degradation or scorching inside the die. Therefore, estimation of the residence time and temperature of the material for a specific die design play an important role for products quality control. In the first part of the investigations, a special extrusion die instrumented with a special sensor was designed in an industrial scale size. Extrusion experiments were conducted in an extrusion line and flow rate, temperature and pressures were measured for different extruder speeds. The rheological properties of the filled rubber compound were characterized using a capillary rheometer (Rosand) at different temperatures to evaluate the required material parameters for the numerical simulation. The curing characteristics were investigated using a rubber process analyser (RPA-2000) to construct a curing curve at different temperatures. A three-dimensional model was established for modelling the non-isothermal viscous flow of the ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber melts. A purely inelastic model was assumed through a power law model and a mixed finite element method to solve the complex flow in the extrusion die domain. The pressure-stabilized Petrov–Galerkin (PSPG) method and streamline upwind/Petrov–Galerkin numerical scheme were employed to solve the flow equations and increase numerical stability. The results confirmed that for the EPDM rubber compound, the screw speed exerted a remarkable effect on the temperature rise and pressure drop in the extrusion die. The impact of the viscous dissipation on the thermal behaviour and pressure drop prediction was also discussed. The obtained scorch time was compared with the estimated residence time in the flow domain to elucidate the influence of the extruder speed on the curing characteristic. The results suggested that there is neither premature vulcanisation nor the start of the scorching inside the flow domain within the studied extruder speed range. The velocity uniformity index and streamline were evaluated at the die exit and the entire flow domain, respectively. The analyses of the results obtained confirmed the ability of the proposed die design to produce a defect free product without the risk of the circulation or appearance of a large distortion. The validity of the model prediction was verified by the comparison between the simulation and the experimental results.The second part of the investigations was devoted to studying the swelling phenomenon which occurred during the extrusion of the rubber. Extrudate swell is an important phenomenon occurring when high viscoelastic materials, such as rubber and rubber compounds, are extruded. In this work, the effects of the relaxation time and the relaxation mode on the swell predictions using a nonlinear differential viscoelastic model, that is, the Giesekus model, were studied systematically for the Styrene-Butadiene rubber (SBR) extrusion in the capillary die. The corresponding 3D, steady-state finite element simulation for the predictions of the swelling was presented and compared with the experimental data for the validation. The velocity distribution, pressure drop and circulation flow in the die were analysed and discussed through the simulation. The results of the swell prediction revealed that the three-relaxation mode of the Giesekus model with a wide range of relaxation time reproduced the experimental data. In addition, the number of relaxation mode and range of relaxation time had a remarkable effect on the circulation flow at the die corner and some effect on the other field variables.After the validation of the proposed model, the same model was implemented on the capillary extrusion of the EPDM rubber, which is mainly used in the weather strip in automotive industries. The swelling of the EPDM rubber was compared with the swelling of the SBR. The results obtained showed that the swell ratio of the EPDM was less than the swell ratio of the SBR for all the studied parameters. This finding approved the ability of the invoke purely inelastic model in modelling this kind of material when a viscous effect is predominant. The influence of the die design parameter such as the die length and slippage at die wall on the swell was also discussed and analysed.Finally, viscoelastic simulation based Giesekus viscoelastic model was applied for modelling of extrudate swelling in an industrial scale extrusion die. The predicted extrudate profile was compared with basic profile at die exit. The results obtained show very slight deviation in extrudate profile from basic geometry at die exit which validate the proposed die design to produce the precise extrudate dimension without necessary to make die correction. The three dimensional stress field at die exit were discussed and analysed to evaluate their effect on the evolution of some defects such as melt fracture or surface defects.