Abstract
塑膠加工中螺桿是射出機、押出機的心臟元件，本論文在研究塑膠原料在螺桿內的熔融行為。本論文共包含四部分：螺桿熔膠輸送區的數值模擬、塑料在螺桿內塑化的數值模擬、多層共押出的數值模擬、押出螺桿及模頭整合性數值模擬。本研究結合有限元素法和有限差分法模擬單螺桿塑化押出程序，本研發展的混合有限元素法和有限差分法不僅具有整區域求解及快速計算的特性，其對流動幾何較具彈性的處理方式可結合押出螺桿及押出模頭成整合性分析流程；在螺桿熔膠輸送區方面，混合有限元素法和有限差分法不僅與傳統二維有限差分有近似的精確度外，尚可進一步討論螺紋間隙對押出量、料溫的影響，數值模擬Fenner螺桿輸送問題結果顯示，螺桿外徑120mm 、塑料入口及料管溫度設定220 oC、塑料PS時，螺紋間隙接近螺桿外徑的千分之一時，漏流效應及昇溫現象較不明顯，此值與工程實務上使用正規螺紋間隙(normal design cl- earance)互相吻合。至於高分子原料在螺桿內塑化，本研究提出兩種數值方法模擬上述現象，一是Tadmor修正模式二是混合有限元素法和有限差分法配合熱焓法；Tadmor修正模式引入數值方法求解速度場與溫度場的耦合關係並引入參數MIF 涵蓋傳統Tadmor模式的剛體床及固體床加速現象；混合有限元素法和有限差分法再結合固液相變化時能量方程式熱焓的推導式，避免傳統上利用完全結晶(completely crystalline)模式描述塑膠相變化的假設，模擬結果顯示混合有限元素法和有限差分法與傳統Tadmor熔化模式有相似的結果外，可進一步顯示出螺桿內局部螺紋間隙增壓及溝道失壓的現象，在巨觀壓力、流量及料溫上，模擬結果與文獻及射出現場的實驗數據也得到相當合理的近似。在多層共押出模頭方面，混合有限元素法和有限差分法在潤滑近似的假設之下可證明各層流體在沿著流線保持定流量比，三維薄殼曲面上，混合有限元素法和有限差分法再配合質點追蹤的計巧，可進一步將數值方法推廣至求解三維複雜模頭進行多層共押出之流動分析。本研究因混合有限元素法和有限差分法對流動幾何較具彈性可結合押出螺桿及模頭的三維流動曲面，不須任何傳統上去纏繞螺桿曲面的假設，在實驗方面也得到合理的近似，整合性分析軟體尚可應用於結構發泡押出機、多層共押出機、射出成型機、押出吹瓶機的螺桿及模頭設計。