[发明专利]预测和优化螺杆挤压机和/或挤压方法的基于数据的模型

说明书

本发明涉及螺杆挤压机以及优化螺杆挤压机和挤压方法的技术领域。本发明的主题是一种用于优化螺杆挤压机的几何结构以及用于优化挤压方法的方法。此外，本发明的主题是一种用于制造螺杆挤压机的方法。另外，本发明的主题是可用来实施根据本发明的方法的计算机系统和计算机程序产品。

不断优化工艺和改善产品特性是在工业中研究和开发的重要推动力。在此，数学方法的支持性使用长久以来就属于现有技术。

越来越多地借助于计算机上的模拟来执行优化，以便例如最大程度地避免利用昂贵原材料进行高成本的试验以及清除在试验中积累的废物。

这尤其是适用于螺杆挤压机的优化。螺杆挤压机例如在制造、制备和加工塑料和食品时使用。在此，具有同向旋转的轴的紧密啮合的双螺杆轴对挤压机具有支配性的意义。与单轴机器不同，紧密啮合的等速旋转螺杆的一个重要优点是，螺纹可以除了必要的余量以外精确地摩擦并且因此彼此清洁。螺杆挤压机在下列公开物[1]中详细描述：K. Kohlgrüber的Der gleichl?ufige Doppelschneckenextruder，Hanser出版社，2007年。在该公开物中详细阐述了双轴和多轴挤压机的构造、功能和运行。

如容易看出的那样，出于经济原因不合理的是，为了在挤压方法中优化螺杆挤压机而制造多个不同的螺杆挤压机以便在试验中测试其品质，因为螺杆挤压机的制造是与高成本相联系的。因此，模拟在优化螺杆挤压机和挤压方法时起到重要的作用。

在公开物[1]中在第147至168页进一步深入探讨了流动模拟及其在优化挤压机和挤压方法时的角色。

流动模拟的目标是，对在挤压机中运行的流动过程获得加深的理解，以便一共利用少量试验就能保证可靠的和经济的挤压机设计。

模拟将用于检测在试验中仅能困难地或完全不能测量的过程。在双轴挤压机的范围中，例如仅能测量整体的参量，例如轴的转矩、出口喷嘴处的压力和温度。而流动模拟提供关于整个计算范围中的压力、速度和温度的局部信息。通过计算梯度，附加地获得关于剪切速率和传热系数的陈述。在计算模型中，可以逐步地提高模型的复杂度。这实现了对产品质量的工艺参量起决定性作用的陈述。通过运行状态的变化，可以优化挤压方法。

在此不利的是，通常必须为每个问题设置生成单独的计算模型。此外，已经执行的模拟仅能困难地或者根本不能重用于相近或其他问题设置。

这也根据在[1]中在第151至165页所详述的螺杆挤压机中的模拟计算的示例是明显的。每个问题设置在三级方法中予以说明。在第一步骤（预处理）中，确定螺杆的几何结构并且将其转化成允许流动模拟的形式（网格生成）。在第二步骤（流动模拟）中，在确定流动模型和输入材料和运行数据以后通过解相应的差分方程计算出流动场。在第三步骤（后处理）中，在事先的问题设置方面对所计算出的流动场进行全面的分析。在新的或经改变的问题设置的情况下，必须重新进行所有步骤并且重新执行耗时的计算。结果不以其可重用于相似问题设置的形式存在。不存在如下的系统：该系统存储一次性模拟的过程并且将其保存为在稍后的时间能够用于以较少计算成本解决类似问题设置的形式。

另外，正好在优化螺杆挤压机时存在的问题还有，不能自由选择定义过程的参数，并且成对地精确摩擦的螺杆元件的构造不是无关紧要的问题。这将简要地进一步阐述。按照公开物[1]（第151页），Erdmenger类型的螺纹元件的几何结构由下面六个给定量明确地定义：单位长度的螺纹数、壳体直径、轴线距离、螺杆与壳体之间的余量、相邻螺杆之间的余量、以及螺距。假定：执行具有在[1]中第151页所说明的参数组的模拟。单位长度的螺纹数为2并且初始温度为300℃。于是可以简单地实现，在模拟开始时将温度例如设置到310℃或320℃并且执行新的模拟。但是没那么简单的是，将单位长度的螺纹数从2提高到3或4。当从几何参数组出发提高单位长度的螺纹数时，螺杆元件对会看上去如何？是否完全允许在保持其余参数的情况下改变单位长度的螺纹数？此外，通过改变参数（例如单位长度的螺纹数）是否得到具有成对精确地摩擦的剖面的螺杆元件？