L’importanza della simulazione CFD nell’estrusione
Le teste di estrusione sono componenti critici nei processi di trasformazione dei polimeri. All’interno di questi sistemi, il materiale fuso deve distribuire il flusso in modo uniforme in forme complesse, tra più canali o uscite, mantenendo al contempo una perdita di carico controllata lungo il percorso.
Nella pratica, anche piccoli squilibri nel flusso del materiale all’interno della testa di estrusione possono generare una serie di difetti tipici e ricorrenti.
Un bilanciamento non corretto tra i canali di alimentazione provoca, ad esempio, variazioni di spessore lungo il profilo estruso o una disomogenea distribuzione della portata, con alcune zone sovralimentate e altre carenti.
Le differenze di pressione tra i condotti creano deformazioni della sezione, instabilità di forma e deviazioni geometriche rispetto al progetto nominale.
Le zone di ristagno o a bassa velocità di scorrimento possono invece determinare degradazione termica del polimero, linee di saldatura visibili, inclusioni di materiale bruciato o variazioni di colore.
Questi fenomeni si traducono in instabilità di processo, finiture superficiali non uniformi, difficoltà nel mantenere le tolleranze dimensionali e, nei casi più gravi, scarti di produzione o necessità di fermare la linea per interventi di pulizia o regolazione.
La simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) consente di prevedere il comportamento del polimero all’interno dei canali e di ottimizzare la geometria della testa di estrusione ben prima di costruire fisicamente prototipi. Questo permette di capire se la geometria dei canali è bilanciata, dove si formano colli di bottiglia e come varia la velocità locale del polimero, riducendo il numero di test fisici necessari.
Dal problema alla previsione: la CFD come strumento di diagnosi
Quando una testa non bilancia correttamente i flussi, la causa può risiedere in differenze di sezione o lunghezza dei condotti, o in un errato dimensionamento delle camere di distribuzione.
In laboratorio, correggere questi problemi richiede molte prove fisiche e iterazioni. Con la simulazione CFD, è possibile esplorare diverse configurazioni virtuali in modo rapido, osservando come variano pressione, velocità e perdita di carico. Si crea così una testa bilanciata già in fase di progettazione.
Comportamento non newtoniano dei polimeri: dal Power Law ai modelli reologici avanzati
Uno degli aspetti più importanti nella simulazione dell’estrusione è rappresentare realisticamente il comportamento reologico del materiale fuso. I polimeri non si comportano come fluidi newtoniani, cioè con una viscosità costante indipendente dal tasso di deformazione, ma come fluidi non newtoniani la cui viscosità varia in funzione dello shear rate e della temperatura.
Il modello Power Law: un punto di partenza semplice ed efficace
Per rappresentare la dipendenza della viscosità dallo shear rate, uno dei modelli più utilizzati è la Power Law, che esprime la viscosità apparente come:
η=K(γ˙)^(n−1)
dove:
- η è la viscosità apparente del fluido;
- K è il coefficiente di consistenza;
- γ˙ è il tasso di deformazione;
- n è l’esponente di flusso (tipicamente n<1 per fluidi pseudoplastici).
Quando n<1, la viscosità diminuisce con l’aumentare dello shear rate: è il tipico comportamento shear-thinning dei polimeri fusi.
Questo modello è concettualmente semplice ma molto utile, soprattutto nelle fasi iniziali di studio o quando si vuole comprendere in modo qualitativo la distribuzione dei flussi.
Utilizzando la Power Law in un ambiente CFD come OpenFOAM è possibile simulare in modo realistico il bilanciamento tra i canali e analizzare:
- come la riduzione di viscosità influenza la velocità locale;
- come le zone di bassa deformazione generano gradienti di pressione più alti;
- e come la geometria condiziona la distribuzione del flusso complessivo.
Dal Power Law ai modelli reologici più evoluti
Sebbene la Power Law sia un ottimo punto di partenza, nella realtà il comportamento dei polimeri può mostrare ulteriori complessità.
Per questo, in una seconda fase di studio, si possono introdurre modelli reologici più avanzati, che descrivono meglio l’intera curva viscosità–shear rate o l’effetto della temperatura.
Tra i più usati in ambito industriale troviamo:
- Carreau / Carreau-Yasuda, che estendono la Power Law per includere il plateau viscoso a basse e alte deformazioni;
- Cross Model, adatto per materiali con ampie variazioni di viscosità;
- Herschel–Bulkley, utile quando il fluido mostra una soglia di scorrimento;
- Bird–Carreau e Phan–Thien–Tanner, che permettono di modellare anche effetti viscoelastici.
OpenFOAM, grazie alla sua architettura open-source, consente di implementare facilmente questi modelli, scegliendo di volta in volta il livello di complessità più adatto allo scopo dell’analisi.
Questo rende possibile un approccio progressivo: partire da modelli semplificati per comprendere la fisica generale del flusso, e poi passare a formulazioni più complesse per calibrare con precisione le condizioni reali del polimero in produzione.
Comprendere prima di complicare
Lo scopo principale della simulazione non è solo “ottenere numeri”, ma comprendere il comportamento fisico del processo. Anche con un modello relativamente semplice come la Power Law, è possibile:
- visualizzare la distribuzione della viscosità nel flusso;
- individuare zone di stagnazione o sbilanciamento;
- stimare l’impatto delle perdite di carico;
- e preparare la base per una futura ottimizzazione geometrica.
L’uso di modelli più avanzati diventa poi un passaggio naturale per validare e raffinare il risultato, riducendo la distanza tra la simulazione numerica e il comportamento reale del polimero in produzione.
In sintesi:
Il modello Power Law rappresenta un punto di partenza affidabile per analizzare i flussi polimerici in estrusione.
La forza di un ambiente CFD open-source come OpenFOAM è poter crescere insieme alla complessità del problema, aggiungendo — quando serve — modelli reologici più completi senza dover ripartire da zero.
Conclusione
La possibilità di simulare i flussi all’interno delle teste di estrusione rappresenta oggi un vantaggio competitivo concreto. Comprendere dove e perché si verificano sbilanciamenti e perdite di carico eccessive consente di intervenire in progettazione, riducendo tempi, costi e scarti.
Questo articolo (Parte 1) ha introdotto il ruolo della CFD e dei modelli non newtoniani nel comprendere la fisica dei flussi polimerici. Nella Parte 2, esploreremo come utilizzare la simulazione per ottimizzare la geometria delle teste di estrusione, migliorare uniformità, efficienza e qualità del prodotto finale.