{"id":13223,"date":"2019-05-08T08:22:05","date_gmt":"2019-05-08T06:22:05","guid":{"rendered":"https:\/\/php8.plastv.de\/?p=13223"},"modified":"2019-05-06T14:28:39","modified_gmt":"2019-05-06T12:28:39","slug":"industrielle-spinnprozesse-simulieren-und-optimieren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/plas.tv\/?p=13223","title":{"rendered":"Industrielle Spinnprozesse simulieren und optimieren"},"content":{"rendered":"
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Polymerf\u00e4den zu spinnen \u2013 etwa f\u00fcr Hygieneartikel \u2013 ist eine komplexe Angelegenheit: Die Prozesse zu simulieren, \u00fcbersteigt die derzeitige Rechenleistung bei Weitem. \u00dcber neue Ans\u00e4tze ist es Fraunhofer-Forscherinnen und -Forschern gelungen, die Berechnungen zu vereinfachen. Somit lassen sich komplette Spinnprozesse erstmalig simulieren, besser verstehen und deutlich leichter optimieren.<\/b><\/p>\n

Hitzebest\u00e4ndige Materialien f\u00fcr Flugzeugturbinen, Hygieneartikel und Bekleidung werden vielfach aus Polymerfasern hergestellt: Diese bestehen wiederum aus zahlreichen mikrometerd\u00fcnnen Filamenten, die miteinander verzwirbelt werden. Die Filamente stellt man \u00fcber Spinnprozesse her \u2013 ein Prozess, der ein wenig an eine Spaghettipresse erinnert. Dabei wird das Polymer zun\u00e4chst mit L\u00f6sungsmittel vermischt, um es viskoser \u2013 also fl\u00fcssiger \u2013 zu machen. Diese Spinnmasse wird durch eine Spinnplatte gepresst, eine Art Sieb mit Tausenden von Mikro-L\u00f6chern. Die entstehenden hauchd\u00fcnnen Filamente fallen durch einen mehrere Meter langen Schacht, werden dort mit Luft oder Gas trockengepustet und so vom L\u00f6sungsmittel befreit. Am Boden des Schachtes werden die einzelnen Filamente auf gro\u00dfe Rollen aufgewickelt. Bisher gab es keinerlei M\u00f6glichkeit, solche Spinnprozesse in G\u00e4nze zu simulieren \u2013 die Abl\u00e4ufe sind einfach zu komplex, es m\u00fcssten Milliarden von kleinsten Raumzellen simuliert werden. Wollen Unternehmen die Prozesse optimieren, war es bislang erforderlich, eine mehrere hunderttausend Euro teure Pilotanlage anzuschaffen und f\u00fcr jeden der unz\u00e4hligen Parameter Versuche zu fahren.<\/p>\n

Exakte Simulation des kompletten Prozesses<\/h4>\n

Forschende am Fraunhofer-Institut f\u00fcr Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern haben nun erstmals ein Simulationswerkzeug entwickelt, das Spinnprozesse mit Tausenden von Fasern abbildet. \u00bbUnsere Simulation erfasst nicht nur die Wechselwirkung aller Fasern mit der Gasstr\u00f6mung, sondern auch die Konzentration des L\u00f6sungsmittels in jeder einzelnen Faser\u00ab, erl\u00e4utert Dr. Walter Arne, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ITWM. \u00bbAls Ergebnis erh\u00e4lt man also nicht nur die komplette Aerodynamik der Anlage \u2013 etwa das Geschwindigkeits- und Temperaturfeld sowie die L\u00f6sungsmittelverteilung \u2013 sondern auch alle relevanten Zustandsgr\u00f6\u00dfen entlang der Faser, beispielsweise die Temperatur.\u00ab F\u00fcr produzierende Unternehmen hei\u00dft das: Sie k\u00f6nnen Problemen beim Herstellungsprozess schnell und einfach auf den Grund gehen, ihr Verst\u00e4ndnis f\u00fcr die ma\u00dfgeblichen Parameter vergr\u00f6\u00dfern und neue Herstellungsprozesse vergleichsweise einfach auf gr\u00f6\u00dfere Mengen umstellen. Ein Beispiel: Sind die Turbulenzen im Schacht zu gro\u00df, so dass die einzelnen Filamente immer mal wieder aneinandersto\u00dfen und miteinander verkleben, k\u00f6nnen Dr. Arne und seine Kollegen die Str\u00f6mungsf\u00fchrung mit Hilfe der Simulation untersuchen und sie durch neue Bauteile so optimieren, dass dieses Problem nicht mehr auftritt. Die Folge: Der Produktionsausschuss sinkt, die Qualit\u00e4t der Filamente steigt.<\/p>\n

Verschiedene Vereinfachungen f\u00fchren zum Ziel<\/h4>\n

Verschiedene neue Funktionen erm\u00f6glichten es dem Forscherteam am Fraunhofer ITWM, den Aufwand der Simulation bew\u00e4ltigbar zu halten. \u00bbWir gehen zun\u00e4chst einmal von der Str\u00f6mung im Schacht aus, wie sie ohne die Filamente w\u00e4re. Die Filamente selbst betrachten wir nicht als dreidimensionale ausgedehnte Objekte, sondern als eindimensionale Kurven\u00ab, erkl\u00e4rt Arne. Nun flattern jedoch nicht nur die Filamente in der Str\u00f6mung, sondern sie wirken umgekehrt auch auf die Str\u00f6mung ein. Denn da sie mit einer Geschwindigkeit von ein bis zehn Metern pro Sekunde gen Boden sausen, beschleunigen sie die Luft um sich herum \u2013 \u00e4hnlich wie ein vorbeisausender Zug dies tut. Um diese gegenseitige Wechselwirkung in der Simulation zu ber\u00fccksichtigen, machen die Forschenden mehrere Berechnungsschritte hintereinander. So beginnen sie im ersten Schritt mit der Str\u00f6mung ohne Filamente. Daraus berechnen sie die Bewegung und die Parameter der Filamente, und speisen diese Daten wiederum in die Berechnung der Str\u00f6mung ein. Auf diese Weise rechnet die Simulation so lange \u00bbim Kreis\u00ab, man spricht dabei auch von Iteration, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist und sich die Werte nicht mehr \u00e4ndern.<\/p>\n

Eine Information, die f\u00fcr die Optimierung des Spinnprozesses relevant ist, spuckt die Simulation auf diesem Wege jedoch noch nicht aus: Wie ist das L\u00f6sungsmittel in den Filamenten verteilt? Denn w\u00e4hrend sie au\u00dfen durch den Luftstrom sehr schnell trocknen, h\u00e4lt sich das L\u00f6sungsmittel im Inneren recht lange. Doch die Filamente werden eindimensional betrachtet \u2013 so als ob sie keine Ausdehnung und somit keinen Querschnitt h\u00e4tten. Eine dreidimensionale Betrachtung sprengt den Rahmen des Machbaren. Auch hier greifen die Wissenschaftler in die \u00bbTrickkiste\u00ab: Sie bleiben bei der eindimensionalen Darstellung, erg\u00e4nzen diese allerdings um eine weitere Komponente, und zwar um die radiale Verteilung des L\u00f6sungsmittels. Wie viel L\u00f6sungsmittel befindet sich im Inneren des Filaments, wie viel am Rand?<\/p>\n

Die Simulation an sich ist einsatzbereit, die Forscherinnen und Forscher haben damit bereits verschiedene Spinnprozesse bei Kunden optimiert. Michael Rothmann, Head of Development beim Kunden BJS Ceramics, zeigt sich begeistert: \u00bbIn unserer aktuellen Zusammenarbeit konnte erstmals der komplette Spinnprozess simuliert werden \u2013 wir konnten damit einen Einblick in bisher unzug\u00e4ngliche Teilbereiche des Prozesses erlangen. Diese Ergebnisse erm\u00f6glichen es uns, in Zukunft eine gezieltere Prozessoptimierung durchzuf\u00fchren und damit unsere Entwicklungszyklen zu verk\u00fcrzen.\u00ab In einem\u00a0weiteren Projekt wollen die Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher das Simulationstool so weiterentwickeln, dass es als Software bei den produzierenden Firmen selbst laufen kann. In etwa drei Jahren \u2013 so der Plan \u2013 soll die Software lizensiert werden.<\/p>\n

Quelle: Fraunhofer<\/p>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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