Adjoint topology optimisation of polymer melt flow channels producible by additive manufacturing

Sasse, Jana; Behr, Marek; Hopmann, Christian

doi:10.18154/RWTH-2025-01844

Adjoint topology optimisation of polymer melt flow channels producible by additive manufacturing = Adjungierte Topologieoptimierung von additiv fertigbaren Fließkanälen für Polymerschmelze

Sasse, Jana^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jana Sasse

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hopmann, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01844
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1005559/files/1005559.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung (417810)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Auslegung von Fließkanälen für Polymerschmelzen in Extrusionsanlagen stellt weiterhin eine Herausforderung dar, die zu einem verstärkten Einsatz von Optimierungsalgorithmen führt. Die additive Fertigung erhöht die Freiheitsgrade bei der Gestaltung von Fließkanälen, doch müssen die damit verbundenen Fertigungsrestriktionen berücksichtigt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Potenzials der adjungierten Topologieoptimierung für die Gestaltung von Fließkanälen für Kunststoffschmelzen im Hinblick auf spezifische Optimierungsziele bei gleichzeitiger Gewährleistung der additiven Fertigbarkeit. Dazu gehört auch eine Untersuchung der Betriebspunktabhängigkeit des Optimierungsalgorithmus. Es wird ein Algorithmus entwickelt, der eine adjungierte Topologieoptimierung in OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd., London, UK) durchführt. Er nutzt eine Immersed Boundary Methode, um eine schnelle Anpassung der Geometrie zu ermöglichen. In den Algorithmus werden zusätzliche Randbedingungen, die die additive Fertigbarkeit auf nicht-kartesischen Rechengittern gewährleisten, implementiert. Verschiedene Optimierungsziele ermöglichen die gezielte Optimierung bezüglich Druckverlust, rheologischer Balanciertheit, thermischer oder stofflicher Mischwirkung. Der Algorithmus wird in zwei Anwendungsfällen demonstriert. Im ersten Anwendungsfall wird ein statischer Mischer für minimalen Druckverlust, maximale thermische sowie stoffliche Mischwirkung optimiert. Die Betriebspunktabhängigkeit des Optimierungsalgorithmus wird untersucht, indem die Leistung der optimierten statischen Mischer für Betriebspunkte außerhalb der Auslegung bewertet wird. Die vielversprechendsten statischen Mischer werden gefertigt und praktisch erprobt. Im zweiten Anwendungsfall wird der Fließkanal eines L-Profilwerkzeugs auf minimalen Druckverlust sowie auf maximale rheologische Balanciertheit optimiert. Der Algorithmus verbessert die Funktionalität der Fließkanäle in Bezug auf ihr Optimierungsziel und stellt gleichzeitig die additive Fertigbarkeit sicher. Im Anwendungsfall des statischen Mischers wird bei allen Optimierungszielen eine Reduktion des Druckverlusts erreicht, was in Laborversuchen qualitativ bestätigt wird. Die Optimierungsergebnisse sind hinsichtlich des Durchsatzes und Kunststoffs betriebspunktunabhängig, jedoch stark abhängig von der ursprünglichen thermischen und stofflichen Inhomogenität. Die Optimierung für minimalen Druckverlust zeigt die geringste Betriebspunktabhängigkeit. Im Anwendungsfall des L-Profilwerkzeugs verringern beide Optimierungsziele den Druckverlust, aber nur die Optimierung für homogene Geschwindigkeitsverteilung verbessert die rheologische Balanciertheit. Diese Forschungsarbeit zeigt das Optimierungspotenzial für individualisierte Mischer auf und demonstriert das Potenzial der adjungierten Topologieoptimierung als Methode für die rheologische Auslegung komplexer Profilextrusionswerkzeuge.

The design of polymer melt flow channels in extrusion lines remains challenging, leading to an increased use of optimisation algorithms. Additive manufacturing increases the degrees of freedom in flow channel design, but its manufacturing constraints must be considered. This thesis aims to investigate the potential of adjoint topology optimisation for designing polymer melt flow channels for specific optimisation objectives while ensuring additive manufacturability. This includes an investigation of the operating point dependency of the optimisation algorithm. An algorithm is developed to perform adjoint topology optimisation in OpenFOAM (OpenFOAM Foundation Ltd., London, UK). It uses an immersed boundary representation to enable quick adaptation of the geometry. The algorithm is extended with additional constraints ensuring additive manufacturability on non-cartesian meshes. Different optimisation objectives facilitate the targeted optimisation for minimal pressure drop or maximal flow balance, thermal mixing, or material mixing. The algorithm is demonstrated in two use cases. In the first use case, a static mixer is optimised for minimal pressure drop, maximal thermal mixing, and material mixing. The operating point dependency of the optimisation algorithm is investigated by evaluating the performance of the static mixers before and after optimisation for off-design operating points. The best candidate static mixers are manufactured and evaluated in lab trials. In the second use case, a simple L-profile extrusion die flow channel is optimised for either minimal pressure drop or maximal flow balance. The algorithm improves the flow channels' functionality with respect to their optimisation objective while ensuring suitability for additive manufacturing. In the static mixer use case, all optimisation objectives achieve a pressure drop reduction, which is confirmed qualitatively in lab trials. The optimisation results are independent of the operating point regarding the throughput and polymer material but highly dependent on the inlet inhomogeneity. Optimisation for minimal pressure drop is the most reliable independent of the operating point. In the extrusion die use case, both optimisation objectives reduce the pressure drop, but only the optimisation for flow balance improves flow balance. This research highlights the optimisation potential for individualised mixing elements and demonstrates the potential of adjoint topology optimisation as a method for designing the flow channels of complex profile extrusion dies.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)