SPOT – Spin Pattern Optimization Tool: Intelligente Optimierung von Düsenlochmustern

Das Problem: Ungleichmäßige Verteilung der Kühlluft – Warum herkömmliche Lochmuster die Faserqualität einschränken

In typischen Trocken-/Nassspinnanlagen strömt Kühlluft radial von der Innenseite der Ringdüse nach außen und kühlt sowie verfestigt dabei die frisch extrudierten Fasern. Bei herkömmlichen, gleichmäßig angeordneten Lochmustern entstehen jedoch bekannte aerodynamische Probleme:

• Windschatten-Effekte summieren sich: Jede Faser erzeugt einen Windschatten und schirmt damit nachgelagerte Fasern teilweise von der einströmenden Luft ab.
  
• Fasern in den äußeren Reihen erhalten zu wenig Kühlluft: Mit zunehmender Überlagerung der Windschatten erreicht deutlich weniger Prozessluft die äußeren Bereiche als die inneren.
  
• Die Fasereigenschaften variieren: Ungleichmäßige Kühlung führt zu Schwankungen im Faserdurchmesser, in der Kristallisation, der mechanischen Festigkeit, der Färbbarkeit und weiteren qualitätskritischen Parametern.
  
• Das Risiko von Faserbrüchen steigt: Brüche treten typischerweise in den äußeren Reihen auf, da diese häufig unzureichend gekühlt werden und sich dort gleichzeitig stärker Feuchtigkeit ansammelt. Dies führt zu entsprechenden Produktionsausfällen und Materialverlust.
  

Diese Effekte bleiben in der Konstruktionsphase der Spinndüse meist verborgen und lassen sich im laufenden Betrieb nur schwer eindeutig diagnostizieren. Mit steigender Lochanzahl verschärft sich das Problem zusätzlich – ein direkter Effekt des industriellen Trends zu höherem Durchsatz und feineren Filamenten.

Die Lösung: CFD-basierte Optimierung des Lochmusters mit SPOT

SPOT bündelt zwei Kernkompetenzen unserer Abteilung »Strömungsprozesse«:

• hochpräzise CFD-Simulationen des Kühlluftstroms durch das Faserbündel, die Windschatten zwischen einzelnen Filamenten detailliert auflösen
  
• mathematische Optimierung auf Basis unserer eigenen Software zur Formoptimierung cashocs

Seit fast drei Jahrzehnten modellieren, simulieren und optimieren wir Faserspinnprozesse. Dabei haben wir:

• tiefgehendes Know-how in der Faser-Aerodynamik und der Physik von Spinnprozessen aufgebaut – vom Schmelzspinnen und Spinnvlies bis hin zu Lösungsspinnen und Glaswolleproduktion
• eigene Simulationswerkzeuge  (VISPI, FIDYST, MESHFREE, SPOT, cashocs) entwickelt und gemeinsam mit Industriepartnern validiert
• langfristige Kooperationen mit führenden Textilmaschinenherstellern und Faserproduzenten weltweit etabliert
• preisgekrönte Forschung realisiert – darunter der Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2024 für unsere Simulationssoftware MESHFREE
• ein interdisziplinäres Team aufgebaut, das CFD-Expertise, mathematische Optimierung und fundiertes Wissen in der Textilproduktion vereint.

Wir liefern keine Black-Box-Ergebnisse. Stattdessen arbeiten wir eng mit Ihrem Team aus Ingenieurinnen und Ingenieuren zusammen, verstehen Ihren spezifischen Prozess, validieren die Simulation mit Ihren Produktionsdaten und entwickeln Lösungen, die sich direkt in Ihrer Produktion umsetzen lassen.

Periodizität nutzen, Rechenaufwand reduzieren

Die Simulation einer Ringdüse mit mehreren Zehntausend Löchern ist rechenintensiv und kostenaufwendig. SPOT nutzt gezielt die Periodizität der Ring-Geometrie: Statt die gesamte Düse zu berechnen, analysieren wir einen repräsentativen Ausschnitt. So reduzieren wir den Rechenaufwand drastisch, ohne an Genauigkeit zu verlieren. Das optimierte Muster übertragen wir anschließend auf die gesamte Düse.

Kaskadierende Strukturen sorgen für gleichmäßigen Luftstrom

Anstelle eines regelmäßigen Musters setzt SPOT auf kaskadierende Strukturen. Gezielt versetzte Lochanordnungen erzeugen aerodynamische »Bahnen« durch das Faserbündel. Dadurch dringt die Kühlluft tief in die Struktur ein und erreicht jede Faserreihe mit ausreichender Geschwindigkeit. Das zentrale Prinzip: Keine Faser liegt direkt im Windschatten einer vorgelagerten Nachbarfaser.

Ergebnisse: Messbar bessere Faserqualität

Wir haben die Wirksamkeit von SPOT an einer industriellen Konfiguration nachgewiesen: einer Ringdüse mit einem PCD von 500 mm, bestehend aus 31 konzentrischen Ringen mit jeweils 2.149 Löchern – insgesamt 66.619 Fasern. Dabei zeigen sich klare Verbesserungen:

Die Luft erreicht alle Fasern gleichmäßiger, wodurch das Risiko von Faserbrüchen deutlich sinkt. Besonders stark profitieren die Fasern mit zuvor geringster Luftzufuhr – also genau jene, die in herkömmlichen Designs das größte Qualitätsrisiko darstellen. Gleichzeitig verringert SPOT die Streuung der Fasereigenschaften über die gesamte Spinndüse und sorgt so für:

• gleichmäßigere Faserdurchmesser über alle Löcher
• gleichmäßigere Kristallisation und mechanische Eigenschaften
• weniger Faserbrüche
• weniger ungeplante Produktionsausfälle

Diese Effekte erzielen wir allein durch die neue Anordnung der Düsenlöcher – Prozessparameter und Materialien bleiben unverändert.

Darüber hinaus trägt SPOT auch zur Energieeinsparung bei: Weil die optimierte Luftführung jede Faser effizienter versorgt, benötigen Sie insgesamt weniger Kühlluft. Das reduziert direkt den Energieeinsatz und damit die Prozesskosten.

Industrielle Anwendungen von SPOT – Anpassbar an Ihren Prozess

Wir haben das Potenzial der Spinnmusteroptimierung mit SPOT für einen Trocken-/Nassspinnprozess mit lösungsgesponnenen Fasern (z. B. Lyocell, Acryl, PAN-basierte Kohlenstofffaser-Vorläufer, Aramid) demonstriert. Die zugrunde liegende Methodik lässt sich breit einsetzen:

• Ringdüsen mit radialer Kühlluft (von innen nach außen oder umgekehrt)
• Runde oder rechteckige Spinndüsen mit gerichtetem Kühlstrom
• hochdichte Spinndüsen mit Tausenden bis Zehntausenden von Löchern
• verschiedene Fasertypen: Zellulose-, PAN-, Aramid- und weitere lösungsgesponnene Fasern
• Schmelzspinnverfahren, bei denen eine gleichmäßige Kühlluft entscheidend ist

SPOT passen wir vollständig an Ihre Spinndüsengeometrie, Lochanzahl und Prozessparameter an – von Luftgeschwindigkeit und Temperatur bis hin zu Faserauszug und Polymerviskosität. Sprechen Sie uns gerne an.

Wie SPOT unsere Softwarelösung VISPI ergänzt

SPOT und VISPI greifen nahtlos ineinander und stammen von demselben Forschungsteam:

Gemeinsam decken beide Werkzeuge den gesamten digitalen Engineering-Workflow ab – vom Design der Spinndüse bis zu den finalen Fasereigenschaften. So ersetzen sie aufwendige physikalische Prototypen und kostenintensive Testläufe.

So starten Sie Ihr Projekt mit unseren Softwarelösungen

Wir bieten SPOT und VISPI als eng verzahnten, kollaborativen Service an – passgenau für Ihre Spinndüsengeometrie und Prozessbedingungen. Ein typisches Projekt läuft wie folgt ab:

• Spezifikation – Sie stellen Ihre Spinndüsengeometrie, Prozessparameter und Qualitätsziele bereit.
• Simulation – Wir erstellen das CFD-Modell Ihrer Anlage, validieren es mit Ihren Daten und bilden den Ist-Zustand mit VISPI ab.
• Optimierung – SPOT berechnet das optimale Lochmuster für Ihre Zielgrößen.
• Lieferung – Sie erhalten die optimierten Lochpositionen, eine detaillierte Analyse der Luftverteilung und konkrete Empfehlungen für die Umsetzung.

Je nach Komplexität Ihrer Konfiguration setzen wir erste Ergebnisse bereits innerhalb weniger Wochen um.