Assessing the design of processing tools for tyre manufacturing with the support of computational modelling

Abstract

The complexity of tyre manufacturing processes promotes an inevitable large consumption and waste of resources due to the lack of information of the rubber rheological behavior, which leads to several experimental trial-and-error iterations. This framework motivated tyre manufacturers resort to computational techniques to support the product design activities, as it can provide valuable insights of the system behavior which would reduce iterative experimental trials and allow more efficient and optimized product design process. Keeping that framework in mind, this work refers to the employment of numerical modelling in the extrusion and molding stages of tyre manufacturing process, with the main objective of assessing the applicability of an open-source computational library, designated OpenFOAM, to improve the insight and support the design of tools employed in these processes. This work was undertaken in cooperation with tyre manufacturer Michelin Ladoux RD that showed interest in assessing the relevance of computational modelling in the field of rubber processing, to quantify the resultant benefits of these approaches for the tyre manufacturing process, such as reducing costs linked to resources waste and production time. The first step of this work consisted in identifying the numerical methods applied in numerical modelling codes and the proper solvers to simulate the extrusion and molding processes according with the data provided by Michelin. Then, several case studies for the extrusion and molding simulations were performed with rheoFoam and openInjMoldSimPBC solvers, respectively. Finally, a detailed analysis of the results were made to identify critical parts of the geometries that could be optimized in order to improve the product final quality. The results obtained allowed to conclude that resorting to computational modelling, by using OpenFOAM, can play a critical role in supporting the production tools design optimization, and significantly increase the process insights for the studied manufacturing processes. Within the numerical studies different improvement design strategies were tested, by identifying, for instance, regions on the extrusion nozzle that were affecting the rubber flow, as well as mold features that were promoting air traps.

A complexidade dos processos de produção de pneus promove um inevitável consumo e desperdício de recursos devido à falta de informações sobre o comportamento reológico da borracha, levando a várias iterações tentativa-erros em testes práticos. Isso motivou os fabricantes de pneus a utilizar técnicas computacionais para apoiar as atividades de conceção de produto, visto que as mesmas podem fornecer informações relevantes sobre o comportamento do sistema, as quais podem ajudar a reduzir o número de testes experimentais e permitir um processo de conceção de produto mais eficiente e otimizado. Com esse cenário em mente, este trabalho refere-se ao uso de modelação numérica nas etapas de extrusão e moldação do processo de fabrico de pneus, com o objetivo principal de avaliar a aplicabilidade de uma biblioteca computacional de código aberto, designada OpenFOAM, ao apoio à conceção das ferramentas utilizadas nesses processos. Este trabalho foi executado em cooperação com o fabricante de pneus Michelin Ladoux RD, que mostrou interesse em avaliar a relevância da modelação computacional no processamento de borracha, visando medir os benefícios dessas abordagens para o processo de fabrico de pneus, tanto na redução de custos aliados ao desperdício de recursos como ao tempo de produção. O primeiro passo deste trabalho consistiu na identificação dos métodos numéricos aplicados em códigos de modelação numérica e os solvers adequados para simular os processos de extrusão e moldação, de acordo com os dados fornecidos pela Michelin. Em seguida, vários estudos de caso para as simulações de extrusão e moldação foram realizados com os solvers rheoFoam e openInjMoldSimPBC, respetivamente. Uma análise detalhada dos resultados foi realizada para identificar partes críticas das geometrias que poderiam ser otimizadas para melhorar a qualidade final do produto. Nos estudos numéricos, diferentes estratégias de melhoria de design foram testadas, identificando, por exemplo, regiões no bico de extrusão que afetavam o fluxo de borracha e características do molde que promoviam prisões de ar. Os resultados obtidos permitiram concluir que a modelação computacional, usando o OpenFOAM, pode ter um papel crítico no apoio à otimização da conceção das ferramentas de produção e aumentar a compreensão do processo para os processos de fabricação estudados.