JPH06293053A - Screw planning method in twin-screw extruder - Google Patents

Screw planning method in twin-screw extruder

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JPH06293053A
JPH06293053A JP5081701A JP8170193A JPH06293053A JP H06293053 A JPH06293053 A JP H06293053A JP 5081701 A JP5081701 A JP 5081701A JP 8170193 A JP8170193 A JP 8170193A JP H06293053 A JPH06293053 A JP H06293053A
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JP
Japan
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screw
resin
extruder
analysis
twin
Prior art date
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Pending
Application number
JP5081701A
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Japanese (ja)
Inventor
Takehisa Sugaya
武久 菅谷
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Sekisui Chemical Co Ltd
Original Assignee
Sekisui Chemical Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH06293053A publication Critical patent/JPH06293053A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/251Design of extruder parts, e.g. by modelling based on mathematical theories or experiments
    • B29C48/2517Design of extruder parts, e.g. by modelling based on mathematical theories or experiments of intermeshing screws
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B29C48/40Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders
    • B29C48/41Intermeshing counter-rotating screws

Abstract

PURPOSE:To design a proper screw shape at every raw material and product for a twin-screw extruder. CONSTITUTION:A pre-processor 11 divides the resin passage in a barrel by a hexahedral cell element three-dimensionally to form mesh data. A heat flow calculation part 12 performs not only numerical value analysis according to various boundary conditions and resin characteristics based on an actual phenomenon on the basis of the mesh data to perform separation but also heat flow analysis quantifying physical quantity history such as temp., a shearing speed or viscosity. A post-processor 13 displays the flow mark line in an area to be analyzed on the basis of the flow velocity separated by the numerical value analysis and draws respective physical quantities on the mesh data. By this heat flow analysis, the average number of times of the passage of a resin through a screw flight meshing part is indexed in the resin melting perfect filling part in an extruder and this index is used to plan a screw dimension.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、2軸押出機におけるス
クリューの設計方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a screw design method for a twin screw extruder.

【0002】[0002]

【従来の技術】2軸押出機のスクリュー性能を検討する
ものとして、従来より、2軸同方向押出機スクリュー部
での樹脂の流れ、圧力分布を定量化するもの(ANTEC'90
P.135-138) 、2軸同方向押出機内の樹脂流路を3次元
で解析を行い、スクリュー部での樹脂の流れ、操業特性
とスクリュー形状特性とを定量化するもの(ANTEC'90
P.139-142) 、2軸同方向押出機のスクリューエレメン
トの混練性能を実験的に行ったもの(ANTEC'91 P.149-1
52) 、2軸同方向押出機内の樹脂流路内の樹脂流速、圧
力、剪断速度を定量化したもの(ANTEC'92 P.1311-131
6) 等がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method of quantifying resin flow and pressure distribution in a screw portion of a twin-screw co-extruder (ANTEC'90) has been used to examine screw performance of a twin-screw extruder.
(P.135-138) Quantifying resin flow, operation characteristics and screw shape characteristics in the screw part by performing a three-dimensional analysis of the resin flow path in the twin-screw co-direction extruder (ANTEC'90
(P.139-142) Experimental results of kneading performance of screw element of twin-screw co-direction extruder (ANTEC'91 P.149-1
52) Quantification of the resin flow velocity, pressure, and shear rate in the resin flow path inside the twin-screw co-direction extruder (ANTEC'92 P.1311-131)
6) etc.

【0003】また、本発明者が以前に提案したものとし
て、押出機内の樹脂流路を3次元微少要素分割したメッ
シュデータに基づいて3次元の数値解析を行うもの(特
開平3−288620号公報、特開平4−364921
号公報)、及びこれらの解析結果を用いて要求品質に合
致するスクリュー形状を決定するもの(特開平3−28
8619号公報)等がある。
Further, as proposed by the inventor of the present invention, a three-dimensional numerical analysis is performed based on mesh data obtained by dividing a resin flow path in an extruder into three-dimensional minute elements (Japanese Patent Laid-Open No. 3-288620). JP-A-4-364921
Japanese Patent Laid-Open No. 3-28) and a method of determining a screw shape that meets the required quality by using these analysis results (JP-A-3-28).
8619).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ANT
ECに掲載された上記各技術では、既存の押出機のスク
リューを用いて原料及び製品毎にテストを行い、その結
果に基づいてスクリュー形状を決定しているため、設計
の自由度が少なく、また設計完了までに多くの時間を必
要としていた。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention
In each of the above technologies published in EC, a test is performed for each raw material and product using the screw of the existing extruder, and the screw shape is determined based on the result, so there is little freedom in design, and It took a lot of time to complete the design.

【0005】また、本発明者が提案したものにおいて
も、押出機内の熱流動に対するシミュレーションにおい
て、押出機内の樹脂挙動を定量化しているのみであり、
また温度の考慮も行っていないことから、押出最終製品
での外観、物性までも考慮したシミュレーションとはな
っておらず、このため原料及び製品毎の具体的なスクリ
ュー形状の適正化といった点において課題を残してい
た。
Further, even in the one proposed by the present inventor, only the resin behavior in the extruder is quantified in the simulation for the heat flow in the extruder,
In addition, since the temperature is not taken into consideration, the simulation does not take into consideration the appearance and physical properties of the final extruded product.Therefore, there is a problem in the optimization of the specific screw shape for each raw material and product. Was left.

【0006】本発明はかかる実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、原料及び製品毎に適正なスクリュー形
状の設計が可能な2軸押出機におけるスクリュー設計方
法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a screw design method for a twin-screw extruder capable of designing an appropriate screw shape for each raw material and product.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の2軸押出機におけるスクリュー設計方法
は、バレル内にスクリューが設けられ、このスクリュー
の回転によってバレル内の樹脂が混練溶融されて押し出
されるように形成された2軸押出機において、前記バレ
ル内の樹脂流路を6面体セル要素で空間的に3次元微小
要素に分割したメッシュデータに基づいて、熱流動を支
配する各方程式を全て3次元で取り扱うとともに、実際
の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性とによって
数値解析を行い離散化する際に、前記バレル内の樹脂流
路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割
し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し処理を行っ
て数値解析を行い、この数値解析によって離散化された
流速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温
度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動
解析方法によって出力される値を用いて、押出機内の樹
脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリューフライト噛合部
を平均的に何回通過するかを指標化し、その指標を用い
て最適スクリュー寸法を設計するものである。
In order to solve the above-mentioned problems, the screw design method in the twin-screw extruder of the present invention is such that a screw is provided in the barrel, and the rotation of the screw causes the resin in the barrel to be kneaded and melted. In a twin-screw extruder formed so as to be extruded, each equation governing heat flow is based on mesh data obtained by spatially dividing the resin flow path in the barrel into three-dimensional minute elements by hexahedral cell elements. All three-dimensionally, the resin flow path in the barrel is divided into a plurality of regions when performing numerical analysis and discretization based on various boundary conditions and resin characteristics based on actual phenomena. Each area is divided into minute elements, the boundary conditions are passed between each area, and numerical analysis is performed, and the analysis target is based on the velocity discretized by this numerical analysis. Using the values output by the thermal-hydraulic analysis method that quantifies the physical quantity history of temperature, shear rate, viscosity, etc. by displaying the trace line in the region, the resin is screw-flighted in the completely melted part of the resin in the extruder. The number of passes on average in the meshing portion is indexed, and the index is used to design the optimum screw size.

【0008】本発明における2軸押出機とは、スクリュ
ーの回転方向がそれぞれの軸で反対のもの、同じものの
双方を含む。また、本発明における樹脂とは、熱と剪断
によるエネルギーによって溶融、流動性を発現する熱可
塑性樹脂、及び熱と剪断によるエネルギーによって不溶
化(硬化反応)し、再加熱しても融解しない熱硬化性樹
脂が挙げられる。上記熱可塑性樹脂としては、例えばポ
リエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカー
ボネート、硬質塩化ビニル樹脂、軟質塩化ビニル樹脂、
ナイロン樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、アクリル樹
脂、アセタール樹脂、ポリエステル樹脂等が挙げられ
る。これらの熱可塑性樹脂には、可塑剤、充填剤等が添
加されていてもよい。
The twin-screw extruder in the present invention includes both those in which the rotation directions of the screws are opposite in each axis and those in which they are the same. Further, the resin in the present invention is a thermoplastic resin that melts by heat and energy by shearing, develops fluidity, and a thermosetting property that is insolubilized (curing reaction) by heat and energy by shearing and does not melt even when reheated. Resins may be mentioned. Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, hard vinyl chloride resin, soft vinyl chloride resin,
Examples thereof include nylon resin, polyvinyl acetal resin, acrylic resin, acetal resin, polyester resin and the like. A plasticizer, a filler and the like may be added to these thermoplastic resins.

【0009】また、上記熱硬化性樹脂としては、例えば
フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、アニリン
樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹
脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、珪素樹脂、ポリイミ
ド樹脂、ポリウレタン樹脂等が挙げられる。
Examples of the thermosetting resin include phenol resin, urea resin, melamine resin, aniline resin, unsaturated polyester resin, diallyl phthalate resin, epoxy resin, alkyd resin, silicon resin, polyimide resin, polyurethane resin and the like. Is mentioned.

【0010】また、本発明において数値解析とは、樹脂
流路データ(メッシュデータ)を各種の条件(スクリュ
ー回転周速、壁面温度、流入量等)の基で流動場、温度
場を最終的に収束解が得られるまで繰り返し計算するこ
とをいい、有限要素法、有限差分法、有限体積法等が挙
げられる。また、本発明において押出機内樹脂溶融完全
充満部とは、樹脂の溶融流動状態において、押出機内の
バレルとスクリューとの間の樹脂流路で、樹脂の占める
割合が100%である部分をいう。
In the present invention, the numerical analysis means that the flow field and the temperature field are finally determined by using the resin flow path data (mesh data) based on various conditions (screw rotation peripheral speed, wall surface temperature, inflow amount, etc.). It means to repeatedly calculate until a convergent solution is obtained, and examples thereof include a finite element method, a finite difference method, and a finite volume method. In the present invention, the completely melted portion of the resin in the extruder refers to a portion in the resin flow path between the barrel and the screw in the extruder in which the resin occupies 100% in the molten and molten state of the resin.

【0011】[0011]

【作用】バレル内の樹脂流路を6面体セル要素で空間的
に3次元微小要素に分割したメッシュデータに基づい
て、熱流動を支配する各方程式(連続の式、運動方程
式、エネルギー方程式、構成方程式)を全て3次元で取
り扱うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件
(スクリュー回転周速、壁面温度、流入量等)と樹脂特
性(流動特性、熱特性、機械特性等)によって数値解析
を行い離散化する。その際、バレル内の樹脂流路を複数
の領域に分割し、各領域毎に微小要素に分割し、各領域
間では互いに境界条件の受け渡し処理を行って数値解析
を行う。そして、この数値解析によって離散化された流
速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示し、温度、
剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する熱流動解析
を行う。
[Effect] Based on the mesh data obtained by spatially dividing the resin flow path in the barrel by hexahedral cell elements into three-dimensional minute elements, each equation governing heat flow (continuous equation, kinetic equation, energy equation, composition) All equations are handled in three dimensions, and numerical analysis is performed based on various boundary conditions (screw rotation peripheral speed, wall temperature, inflow amount, etc.) and resin characteristics (flow characteristics, thermal characteristics, mechanical characteristics, etc.) based on actual phenomena. To discretize. At that time, the resin flow path in the barrel is divided into a plurality of regions, each region is divided into minute elements, and the boundary conditions are mutually passed between the regions to perform a numerical analysis. Then, based on the flow velocity discretized by this numerical analysis, the trajectory in the analysis target area is displayed, and the temperature,
Perform thermal-hydraulic analysis to quantify physical quantity history such as shear rate and viscosity.

【0012】そして、この熱流動解析方法によって出力
される値を用いて、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、
樹脂がスクリューフライト噛合部を平均的に何回通過す
るかを指標化し、その指標を用いて最適スクリュー寸法
を設計する。
Then, by using the value output by this thermal-hydraulic analysis method, in the completely melted portion of the resin in the extruder,
The average number of times the resin passes through the screw flight meshing part is indexed, and the index is used to design the optimum screw size.

【0013】すなわち、2軸押出機内の詳細樹脂挙動に
則した押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味
した熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品
毎の適正なスクリュー設計が可能となる。
That is, it is possible to design an appropriate screw for each raw material and product to be extruded, based on the result of thermal-hydraulic analysis taking into account the resin history in the completely melted portion of the resin in the extruder, which conforms to the detailed resin behavior in the twin screw extruder. Becomes

【0014】そのため、設計の自由度が広くなるととも
に、スクリュー設計が極めて短時間に行える。また、設
計指針が明確で定量的になっているため、種々のスクリ
ューに対するデータベースの構築が可能となる。
Therefore, the degree of freedom in design is widened, and the screw can be designed in an extremely short time. Also, since the design guidelines are clear and quantitative, it is possible to build a database for various screws.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0016】図1は、押出機内樹脂流路の熱流動解析方
法を実行するためのシステム構成を示している。
FIG. 1 shows a system configuration for executing the method for analyzing heat flow in the resin flow path in the extruder.

【0017】このシステムは、押出機内樹脂流路を6面
体セル要素で3次元的に分割して熱流動解析を行うため
のメッシュデータを作成するプリプロセッサ(メッシュ
ジェネレータ)11、作成したメッシュデータと実際の
現象により規定される種々の境界条件を用いて流動場と
温度場とを繰り返し計算するアナリシスプログラムを備
えた熱流動計算部12、熱流動計算部12のアナリシス
プログラムにより3次元に離散化された各物理量をメッ
シュデータ上に図化しかつ各要素の流速を用いて樹脂の
流跡線を表示するポストプロセッサ13によって構成さ
れている。
This system comprises a preprocessor (mesh generator) 11 for three-dimensionally dividing the resin flow path in the extruder by hexahedral cell elements to create mesh data for thermal-hydraulic analysis, the created mesh data and the actual mesh data. The three-dimensional discretization was performed by the thermal-hydraulic calculation unit 12 having an analysis program for repeatedly calculating the flow field and the temperature field using various boundary conditions defined by the phenomenon of It is constituted by a post processor 13 which plots each physical quantity on mesh data and displays the resin trajectory by using the flow velocity of each element.

【0018】プリプロセッサ11では、押出機内の樹脂
流路を特徴付ける主要なパラメータと、3次元の各方向
への分割数とを規定した入力データに基づいて、メッシ
ュデータを作成する。作成されたメッシュデータは、メ
ッシュ情報として出力されるとともに、メッシュデータ
ファイルに蓄積される。
The preprocessor 11 creates mesh data based on the input data defining the main parameters that characterize the resin flow path in the extruder and the number of divisions in each of the three-dimensional directions. The created mesh data is output as mesh information and accumulated in a mesh data file.

【0019】図2乃至図4に、2軸異方向回転押出機に
対する入力パラメータを示す。ここで、図2中、図3
中、及び図4の表中に示された各変数は次の通りであ
る。
2 to 4 show input parameters for the twin-screw counter-rotating extruder. Here, in FIG.
The variables shown in the table of FIG. 4 are as follows.

【0020】すなわち、まず2軸押出機内の樹脂流路を
微少要素に分割し、6面体ソリッド要素の集合体とす
る。この分割は、フライトZ方向分割数(NWOB)、溝部
Z方向分割数(NWCH)、溝部X方向分割数(NHCH)、バ
レル部X方向分割数(NHBA)、基本ブロック数(NBB
N)、スクリュー非噛合部周方向分割数(NNC )、スク
リュー噛合部周方向分割数(NC)、フライト条数(ISN
)、スクリュー内半径(RI)、スクリュー外半径(R
O)、バレル内半径(RB)、スクリュー軸間距離(R
L)、フライトピッチ(PICH)、フライト頂幅(A )、
圧力角(ALF )を設定することによって行われる。
That is, first, the resin flow path in the twin-screw extruder is divided into minute elements to form an assembly of hexahedral solid elements. This division includes flight Z direction division number (NWOB), groove section Z direction division number (NWCH), groove section X direction division number (NHCH), barrel section X direction division number (NHBA), basic block number (NBB).
N), screw non-meshing part circumferential division (NNC), screw meshing part circumferential division (NC), flight number (ISN)
), Screw inner radius (RI), screw outer radius (R
O), barrel inner radius (RB), screw shaft distance (R
L), flight pitch (PICH), flight top width (A),
This is done by setting the pressure angle (ALF).

【0021】2軸押出機内の樹脂流動挙動を解析する場
合、形状が複雑になるため、解析対象を3つの領域に分
けてメッシュデータを作成し、各領域間は相互に境界条
件を受渡して計算を進める。この3つの領域を図6に示
す。同図において、a,cはスクリューが噛み合わない
領域、bは左右のスクリューが噛み合う領域である。
When the resin flow behavior in the twin-screw extruder is analyzed, the shape becomes complicated. Therefore, the analysis target is divided into three regions to create mesh data, and the boundary conditions are mutually passed between the regions for calculation. Proceed. The three areas are shown in FIG. In the figure, a and c are regions where the screws do not mesh, and b is a region where the left and right screws mesh.

【0022】図5に、図3に示す表の数値を用いてメッ
シュ生成したときのメッシュ図の一例を示している。た
だし、このメッシュ図は、その構成を理解し易いように
セル要素の分割数を少なくした簡略化した表現となって
いるが、実際にはこれよりも微小なセル要素に分割して
いる。
FIG. 5 shows an example of a mesh diagram when a mesh is generated using the numerical values in the table shown in FIG. However, this mesh diagram is a simplified representation in which the number of divisions of cell elements is reduced so that the configuration can be easily understood, but in actuality, it is divided into cell elements smaller than this.

【0023】次に、熱流動計算部12の動作を、図7及
び図8に示すアナリシスプログラムの全体の流れ図を参
照して説明する。
Next, the operation of the heat flow calculation section 12 will be described with reference to the overall flow chart of the analysis program shown in FIGS. 7 and 8.

【0024】まず、定数の設定を行い、コントロールデ
ータの読み込みを行う(ステップS1,S2)。この
後、これらのデータを出力ファイルに書き出す(ステッ
プS3)。
First, a constant is set and control data is read (steps S1 and S2). After that, these data are written to the output file (step S3).

【0025】次に、メッシュデータの読み込みの有無を
判断し、読み込む場合には磁気ディスク等の記憶媒体に
メッシュデータを記憶する(ステップS4,S5)。ま
た、読み込まない場合にはそのままメッシュデータを生
成する(ステップS4,S6)。
Next, it is judged whether or not the mesh data is read, and if it is read, the mesh data is stored in a storage medium such as a magnetic disk (steps S4 and S5). If it is not read, mesh data is generated as it is (steps S4 and S6).

【0026】この後、生成した又は記憶媒体に記憶した
メッシュデータにエラーが無いかどうかが判断され、デ
ータエラーがある場合にはエラーリストを出力ファイル
に書き出し、動作を終了する(ステップS7,S8)。
また、データエラーが無い場合には、リスタート計算す
るかしないかの判断が行われる(ステップS7,S
9)。そして、リスタート計算する場合にはリスタート
ファイルを読み込み(ステップS10)、リスタート計
算しない場合には流速、温度、圧力等の初期値をセット
し、セル体積を計算する(ステップS11,S12)。
After this, it is judged whether or not there is an error in the mesh data generated or stored in the storage medium. If there is a data error, the error list is written to the output file and the operation is finished (steps S7, S8). ).
If there is no data error, it is determined whether or not the restart calculation is performed (steps S7, S).
9). Then, when restart calculation is performed, the restart file is read (step S10), and when restart calculation is not performed, initial values such as flow velocity, temperature, and pressure are set, and cell volume is calculated (steps S11 and S12). .

【0027】次に、各ブロックの計算を継続するかどう
かを判断し、継続する場合には結合部にデータを読み込
んで行く(ステップS13,S14)。また、継続しな
い場合にはステップS14をスキップして後述する熱流
動計算に移る(ステップS15)。そして、この熱流動
計算の結果を出力するとともに、結合部のデータを出力
する(ステップS16,S17)。その後、CPUタイ
ム、正常、異常、終了等の情報を出力し(ステップS1
8)、処理を完了する。
Next, it is judged whether or not the calculation of each block is continued, and if the calculation is continued, the data is read into the combining section (steps S13 and S14). If it is not continued, step S14 is skipped and the heat flow calculation described later is performed (step S15). Then, the result of this heat flow calculation is output and the data of the joint portion is output (steps S16 and S17). After that, information such as CPU time, normality, abnormality, and end is output (step S1
8) The process is completed.

【0028】次に、ステップS15での処理、すなわち
熱流動計算の処理について説明する。
Next, the process in step S15, that is, the process for calculating heat flow will be described.

【0029】熱流動計算は、熱流動計算部12の流動解
析部と温度解析部とによって行われ、両解析部の収束計
算により全体が安定計算段階に入るまで繰り返し行われ
る。
The heat-and-fluid calculation is performed by the flow analysis unit and the temperature analysis unit of the heat-and-fluid calculation unit 12, and the convergence calculation of both analysis units is repeated until the whole enters the stable calculation stage.

【0030】計算座標は、押出機内で回転するスクリュ
ー上での回転座標系と静止座標系との両者を選択でき
る。また、温度境界条件は、スクリューフライトに実際
の現象により規定されるバレル・スクリューフライトの
壁面温度をセットする。
As the calculation coordinates, both a rotating coordinate system on a screw rotating in the extruder and a stationary coordinate system can be selected. In addition, the temperature boundary condition sets the wall temperature of the barrel screw flight which is defined by the actual phenomenon in the screw flight.

【0031】また、流動境界条件は、計算に用いる座標
系によって異なるが、静止座標での解析を例にとると、
図5のスクリューフライト部にスクリュー回転速度によ
り規定される周速度をセットする。そして、図6に示す
3つの領域a,b,c毎に収束計算を行う。ここで、b
の領域の計算は、a領域及びc領域のb領域に隣接する
要素の物理量を境界条件とし、a領域及びc領域の計算
は、b領域のa領域及びc領域に隣接する要素の物理量
を境界条件として、3つの領域a,b,c全てが安定計
算段階に入るまで収束計算を継続する。
The flow boundary condition differs depending on the coordinate system used for calculation, but in the case of analysis in stationary coordinates,
The peripheral speed defined by the screw rotation speed is set in the screw flight portion of FIG. Then, the convergence calculation is performed for each of the three regions a, b, and c shown in FIG. Where b
The calculation of the area is performed with the physical quantity of the elements adjacent to the areas b of the areas a and c as the boundary condition, and the calculation of the areas a and c is performed with the boundary of the physical quantities of the elements adjacent to the areas a and c of the area b. As a condition, the convergence calculation is continued until all three regions a, b, c enter the stable calculation stage.

【0032】ポストプロセッサ13は、メッシュデータ
及びアナリシスプログラムによる計算結果を用いて、メ
ッシュ図上に各物理量の分布図、各要素の流速に基づく
流跡線を表示する。また同時に、解析コントロールデー
タのスイッチを切り替え操作することにより、収束計算
の収束状況や、各物理量の履歴を図化出力する。
The post-processor 13 uses the mesh data and the calculation result of the analysis program to display the distribution map of each physical quantity and the trace line based on the flow velocity of each element on the mesh diagram. At the same time, by switching the switch of the analysis control data, the convergence status of the convergence calculation and the history of each physical quantity are graphically output.

【0033】図11乃至図13に、2軸異方向回転押出
機での流速、温度の熱流動解析結果の図化出力を示す。
ただし、図11では、本来図5に示すメッシュ図上に流
速ベクトルが図化されるのであるが、ここでは外観図上
に流速ベクトルを図化することにより簡略化した表現と
なっている。また、図12に示す流速ベクトル図及び図
13に示す温度分布図も、理解を容易なものとするため
に簡略化した表現となっている。
FIGS. 11 to 13 show the graphical output of the heat flow analysis results of the flow velocity and temperature in the twin-screw counter-rotating extruder.
However, in FIG. 11, the flow velocity vector is originally plotted on the mesh diagram shown in FIG. 5, but here it is a simplified representation by plotting the flow velocity vector on the external view. Further, the flow velocity vector diagram shown in FIG. 12 and the temperature distribution diagram shown in FIG. 13 are also simplified expressions for easy understanding.

【0034】次に、流跡線表示プログラムについて説明
する。
Next, the trajectory display program will be described.

【0035】図9に、流跡線表示プログラムの概略の流
れ図を示す。
FIG. 9 shows a schematic flow chart of the trajectory display program.

【0036】このプログラムでは、まずプリプロセッサ
11で作成したメッシュデータと、熱流動計算部12の
アナリシスプログラムでの解析結果とを各ファイルから
読み込む(ステップS21〜S27)。次に、粒子解析
を行うかどうかを判断し(ステップS28)、行う場合
には粒子運動解析処理に移る(ステップS29)。
In this program, first, the mesh data created by the preprocessor 11 and the analysis result by the analysis program of the thermal-hydraulic calculation unit 12 are read from each file (steps S21 to S27). Next, it is determined whether or not particle analysis is to be performed (step S28), and if it is to be performed, particle movement analysis processing is performed (step S29).

【0037】すなわち、入力データで規定される解析領
域内の粒子位置座標を検出し、この粒子位置座標の含ま
れる要素と、その周りの要素の流速とから、その粒子の
流速を内挿計算する。その後、粒子をその流速で移動さ
せ、移動後の粒子位置座標を求め、流速を求めるといっ
た処理を繰り返し行い、粒子が入力データで規定される
座標値若しくは計算時間となるまで処理を繰り返す(ス
テップS29)。その後に、この粒子の移動の軌跡をメ
ッシュデータ上に図化出力し、入力データのスイッチの
切り替え操作により粒子の各物理量(温度、剪断速度、
圧力等)の履歴を図化出力する(ステップS30,S3
1)。また、この流線運動解析の結果を出力し(ステッ
プS32)、その後CPUタイム、正常、異常、終了等
の情報を出力して(ステップS33)、処理を完了す
る。
That is, the particle position coordinates within the analysis area defined by the input data are detected, and the particle flow velocity is interpolated from the element including this particle position coordinate and the flow velocity of the surrounding elements. . After that, the particles are moved at the flow velocity, the particle position coordinates after the movement are obtained, and the flow velocity is obtained repeatedly, and the process is repeated until the particles reach the coordinate values or the calculation time defined by the input data (step S29). ). After that, the trajectory of this particle movement is output as a diagram on the mesh data, and each physical quantity (temperature, shear rate,
The history of pressure etc. is graphically output (steps S30, S3).
1). In addition, the result of the streamline motion analysis is output (step S32), and then information such as CPU time, normality, abnormality, and end is output (step S33), and the process is completed.

【0038】図10に、2軸異方向回転押出機での流跡
線表示例を示す。
FIG. 10 shows an example of the trace line display in the twin-screw counter-rotating extruder.

【0039】この流跡線の2軸押出機内の樹脂溶融完全
充満部全体での粒子の履歴を解析領域入口での100個
について定量化し、その流跡線に基づいて各粒子のスク
リューフライト噛合部の通過回数を平均化する。
The particle history of the entire trajectory of the resin melt completely filled in the twin-screw extruder was quantified for 100 particles at the entrance of the analysis area, and the screw flight meshing portion of each particle was based on the trajectory. Average the number of passes.

【0040】既存のスクリュー形状と、噛合部平均通過
回数を指標として設計したスクリュー形状との比較を表
1に示す。また、この設計スクリューを用いて作成した
製品(肉厚3mm、幅1300mmのシート)の外観、物性
を表2に示す。
Table 1 shows a comparison between the existing screw shape and the screw shape designed using the average number of passages at the meshing portion as an index. Table 2 shows the appearance and physical properties of a product (sheet having a thickness of 3 mm and a width of 1300 mm) produced by using this design screw.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】[0042]

【表2】 [Table 2]

【0043】なお、表1のZONEの項に示した比較箇所で
あるMETERINGの部分は、図14に示したスクリュー形状
の先端部分(図中にMETERINGとして記載されている)で
ある。また、NUMBER OF FLIGHT(フライト条数)とLEAD
との関係から、下式によってフライトピッチPIが求めら
れる。
The METERING portion, which is the comparison point shown in the ZONE section of Table 1, is the tip end portion of the screw shape shown in FIG. 14 (described as METERING in the drawing). Also, NUMBER OF FLIGHT and LEAD
The flight pitch PI is calculated from the following equation.

【0044】[0044]

【数1】PI=LEAD/NUMBER OF FLIGHT また、ROLL CLEARANCEとは、図6に示すように、一方の
スクリュー軸の外周面と他方のスクリューの外周端との
隙間のことであり、MINIMUM FLIGHT CLEARANCEとは、同
図に示す左右のスクリューが噛み合う領域bにおいて、
両フライトが最も接近した位置の隙間のことである。
[Equation 1] PI = LEAD / NUMBER OF FLIGHT Further, as shown in FIG. 6, ROLL CLEARANCE is a gap between the outer peripheral surface of one screw shaft and the outer peripheral end of the other screw, and MINIMUM FLIGHT CLEARANCE Means that in the region b in which the left and right screws engage with each other,
It is the gap where both flights are closest to each other.

【0045】また、表2に示す実施例及び比較例に用い
た装置は次の通りである。
The devices used in the examples and comparative examples shown in Table 2 are as follows.

【0046】使用押出機:2軸異方向回転コニカルタイ
プ押出機(押出機先端軸間距離六拾mm、押出機先端スク
リュー外径80mm、外径コニカル角1.2°、軸間コニ
カル角1.0°)、使用樹脂:硬質PVC(徳山積水、
商品名TS800E)、使用金型:製品肉厚3mm,幅1
300mmのシート用金型、押出成形条件:押出量500
Kg/h,バレル温度180℃、シート表面外観評価:目
視、衝撃強度測定:JIS K7110に準拠。
Extruder used: twin-axis different direction conical type extruder (extruder tip shaft distance between shafts: 6 mm, extruder tip screw outer diameter: 80 mm, outer diameter conical angle: 1.2 °, inter-shaft conical angle: 1. 0 °), Resin used: Hard PVC (Tokuyama Sekisui,
Product name TS800E), mold used: product thickness 3 mm, width 1
Mold for 300 mm sheet, extrusion molding condition: extrusion amount 500
Kg / h, barrel temperature 180 ° C, sheet surface appearance evaluation: visual inspection, impact strength measurement: in accordance with JIS K7110.

【0047】表2から分かるように、本設計方法を用い
た新規設計スクリューでは、設計期間を3か月から0.
5か月と大幅に短縮でき、かつ物性、外観共に良好な製
品を作成することができる。
As can be seen from Table 2, the design period of the newly designed screw using this design method is from 3 months to 0.
The product can be significantly shortened to 5 months, and a product having good physical properties and appearance can be produced.

【0048】これを比較例1,2と比較すると、比較例
1,2では、シートの外観を向上するためにそれぞれ金
型背圧、スクリュー回転数を大きくすることによって、
目的とする外観の向上が図れているが、反面、比較例2
ではモーター負荷の定格(100%)をオーバーしてお
り、かつ衝撃値が低下している。
Comparing this with Comparative Examples 1 and 2, in Comparative Examples 1 and 2, the mold back pressure and the screw rotation speed were increased to improve the appearance of the sheet.
Although the desired appearance was improved, on the other hand, Comparative Example 2
Indicates that the motor load rating (100%) has been exceeded and the impact value has decreased.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明の2軸押出機におけるスクリュー
設計方法は、バレル内の樹脂流路を6面体セル要素で空
間的に3次元微小要素に分割したメッシュデータに基づ
いて、熱流動を支配する各方程式を全て3次元で取り扱
うとともに、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹
脂特性とによって数値解析を行い離散化する際に、バレ
ル内の樹脂流路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小
要素に分割し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し
処理を行って数値解析を行う。そして、この数値解析に
よって離散化された流速に基づいて解析対象領域内の流
跡線を表示し、温度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を
定量化する熱流動解析方法によって出力される値を用い
て、押出機内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリュ
ーフライト噛合部を平均的に何回通過するかを指標化
し、その指標を用いて最適スクリュー寸法を設計するよ
うに構成したので、2軸押出機内の詳細樹脂挙動に則し
た押出機内樹脂溶融完全充満部での樹脂履歴を加味した
熱流動解析結果に基づいて、押し出す原料及び製品毎の
適正なスクリュー設計が可能となる。そのため、設計の
自由度が広くなるとともに、スクリュー設計が極めて短
時間に行える。また、設計指針が明確で定量的になって
いるため、種々のスクリューに対するデータベースの構
築が可能となる。
According to the screw design method of the twin screw extruder of the present invention, the heat flow is controlled based on the mesh data obtained by spatially dividing the resin flow path in the barrel by hexahedral cell elements into three-dimensional minute elements. All the equations to be handled are handled in three dimensions, and when the numerical analysis is performed by various boundary conditions and resin characteristics based on the actual phenomenon to discretize, the resin flow path in the barrel is divided into a plurality of regions, Each area is divided into minute elements, and the boundary conditions are mutually passed between the areas to perform numerical analysis. Then, based on the flow velocity discretized by this numerical analysis, the trajectory in the analysis target area is displayed, and the value output by the thermal-hydraulic analysis method that quantifies the physical quantity history such as temperature, shear rate, and viscosity is displayed. By using the index to indicate how many times the resin passes through the screw flight meshing part on average in the completely melted part of the resin in the extruder, and using the index to design the optimum screw size, An appropriate screw design for each raw material and product to be extruded becomes possible based on the result of thermal-hydraulic analysis that takes into account the resin history in the completely melted portion of the resin in the extruder in accordance with the detailed resin behavior in the axial extruder. Therefore, the degree of freedom in design is widened and the screw can be designed in an extremely short time. Also, since the design guidelines are clear and quantitative, it is possible to build a database for various screws.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】押出機内樹脂流路の熱流動解析を実行するため
のシステム構成図である。
FIG. 1 is a system configuration diagram for performing a heat flow analysis of a resin flow path in an extruder.

【図2】プリプロセッサの入力パラメータ変数の説明図
である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of input parameter variables of a preprocessor.

【図3】プリプロセッサの入力パラメータ変数の説明図
である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of input parameter variables of a preprocessor.

【図4】2軸異方向回転押出機に対する入力パラメータ
変数を示す表である。
FIG. 4 is a table showing input parameter variables for a biaxial counter-rotating extruder.

【図5】プリプロセッサにより生成された2軸異方向回
転押出機のメッシュデータの図化出力図である。
FIG. 5 is a diagrammatic output diagram of mesh data of a twin-axis different-direction rotary extruder generated by a preprocessor.

【図6】2軸押出機の軸に直角な断面図である。FIG. 6 is a sectional view perpendicular to the axis of the twin-screw extruder.

【図7】アナリシスプログラムの全体の流れ図である。FIG. 7 is an overall flow chart of the analysis program.

【図8】アナリシスプログラムの全体の流れ図である。FIG. 8 is an overall flow chart of the analysis program.

【図9】流跡線表示プログラムの概略の流れ図である。FIG. 9 is a schematic flowchart of a trajectory display program.

【図10】2軸異方向回転押出機での流跡線表示例を示
す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a trace line display example in a twin-axis different-direction rotary extruder.

【図11】アナリシスプログラムによる解析結果の流速
ベクトルの透視出力図である。
FIG. 11 is a perspective output diagram of a flow velocity vector as an analysis result by an analysis program.

【図12】アナリシスプログラムによる解析結果の流速
ベクトルを示す軸に直角な断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view perpendicular to an axis showing a flow velocity vector as an analysis result by an analysis program.

【図13】アナリシスプログラムによる解析結果の温度
分布を示す軸に直角な断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view perpendicular to the axis showing the temperature distribution of the analysis result by the analysis program.

【図14】新旧比較のためのスクリュー形状の一例を示
す図である。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a screw shape for comparison between old and new.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 プリプロセッサ 12 熱流動計算部 13 ポストプロセッサ 11 Pre-processor 12 Thermal-hydraulic calculation part 13 Post-processor

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 バレル内にスクリューが設けられ、この
スクリューの回転によってバレル内の樹脂が混練溶融さ
れて押し出されるように形成された2軸押出機におい
て、 前記バレル内の樹脂流路を6面体セル要素で空間的に3
次元微小要素に分割したメッシュデータに基づいて、熱
流動を支配する各方程式を全て3次元で取り扱うととも
に、実際の現象に基づいた各種の境界条件と樹脂特性と
によって数値解析を行い離散化する際に、前記バレル内
の樹脂流路を複数の領域に分割し、各領域毎に微小要素
に分割し、各領域間では互いに境界条件の受け渡し処理
を行って数値解析を行い、この数値解析によって離散化
された流速に基づいて解析対象領域内の流跡線を表示
し、温度、剪断速度、粘度等の物理量履歴を定量化する
熱流動解析方法によって出力される値を用いて、押出機
内の樹脂溶融完全充満部で、樹脂がスクリューフライト
噛合部を平均的に何回通過するかを指標化し、その指標
を用いて最適スクリュー寸法を設計することを特徴とす
る2軸押出機におけるスクリュー設計方法。
1. A twin-screw extruder in which a screw is provided in a barrel, and the resin in the barrel is kneaded and melted and extruded by the rotation of the screw, wherein a resin flow path in the barrel is hexahedral. Spatial 3 with cell elements
When all equations governing heat flow are handled in three dimensions based on mesh data divided into three-dimensional minute elements, and numerical analysis is performed by various boundary conditions and resin characteristics based on actual phenomena In addition, the resin flow path in the barrel is divided into a plurality of areas, each area is divided into minute elements, and the boundary conditions are mutually passed between the areas to perform a numerical analysis. The trajectory in the analysis target area is displayed based on the converted flow velocity, and the resin in the extruder is used by using the value output by the heat flow analysis method that quantifies the physical quantity history of temperature, shear rate, viscosity, etc. In a twin-screw extruder characterized by indexing how many times the resin passes through the screw flight meshing part on average in the melt-completely filled part and using the index to design the optimum screw size. Screw design method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013513177A (en) * 2009-12-08 2013-04-18 バイエル・インテレクチュアル・プロパティ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング How to build solids that rotate in the same direction and touch each other

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