Erweiterung des OpenFOAM-Frameworks für viskoelastische Zweikomponentensimulationen mit dynamischem Netz

Die Designentwicklung von Spritzgussdüsen ist aufgrund der hochviskosen und rheologisch komplexen Eigenschaften der verwendeten Materialien ein langwieriger und ressourcenintensiver Vorgang. Durch die Unterstützung mit einem Simulationstool kann hier sehr viel Zeit und Geld eingespart werden. Das Institut für Computational Engineering ICE hat das Open-Source-Programm OpenFOAM hierfür erweitert. Schwerpunkt waren anspruchsvolle Materialmodelle, die Betrachtung der freien Oberfläche und das dynamische Netz.

Keywords: OpenFOAM, Viskoelastizität, Rheologie, Open-Source, Injection Molding, freie Oberfläche, dynamisches Netz

Bei der Herstellung von Kunststoff-Teilen mittels Spritzguss (Injection Molding) wird der flüssige Werkstoff aus einer Düse in eine Form gepresst, wo er abgekühlt und verfestigt wird, um danach das Fertigteil entnehmen zu können. Bei der Fertigung von hohlen Teilen spielt die Wandstärke des Materials eine grosse Rolle für das Gewicht und die Stabilität des Endproduktes. Die Steuerung dieser Wandstärke erfolgt über die Form und Position der Düse. Da viele Kunststoffschmelzen komplizierte rheologische Eigenschaften besitzen (scherraten- und zeitabhängige Viskosität), ist die Bestimmung optimaler Düsenparameter sehr anspruchsvoll. Das Ziel dieses Projektes ist es daher, eine geeignete Simulationsumgebung für die Unterstützung bei der Designentwicklung von Injection Molding-Düsen zu schaffen. Das Framework muss dazu einer Reihe von anspruchsvollen Anforderungen genügen:

• Instationäre Simulation
• Dynamisches Gebiet (Moving Mesh)
• Rheologisch komplexe Materialmodelle (Viskoelastizität)
• Freie Oberfläche

Da derzeit noch kein kommerzielles Tool alle diese Anforderungen erfüllt, wurde OpenFOAM als kostenfreie und hochgradig flexible Alternative verwendet.

Im Laufe dieses Projektes wurde der bereits vorhandene Zweiphasenlöser von OpenFOAM um ein viskoelastisches Materialmodell erweitert. Dabei wurden auftretende Instabilitäten mit Hilfe von mehreren Stabilisationsmethoden verhindert. Es wurden unter anderem die Discrete Elastic Viscous Split Stress (DEVSS) Methode für eine stabile viskoelastische Simulation und eine verbesserte Berechnung der Oberflächenspannung implementiert.

Mit dem neuen Löser lässt sich erfolgreich das Ausströmen einer viskoelastischen und scherratenabhängigen Flüssigkeit aus einer Düse in eine mit Luft gefüllte Form simulieren.

Referenzen:

X. Chen, H. Marschall, M. Schäfer, and D. Bothe (2013) A comparison of stabilisation approaches for finite-volume simulation of viscoelastic fluid flow, International Journal of Computational Fluid Dynamics, vol. 27, no. 6–7, pp. 229–250, 2013 A.

Q. Raeini, M. J. Blunt, and B. Bijeljic (2012) Modelling two-phase flow in porous media at the pore scale using the volume-of-fluid method, Journal of Computational Physics, vol. 231, no. 17, pp. 5653–5668, Jul. 2012.

F. Habla, H. Marschall, O. Hinrichsen, L. Dietsche, H. Jasak, and J. L. Favero (2011) Numerical simulation of viscoelastic two-phase flows using openFOAM®, Chemical Engineering Science, vol. 66, no. 22, pp. 5487–5496, Nov. 2011.