Unsere Simulationen machen Meltblown-Prozesse bei der Herstellung von Vliesstoffen effizienter. So wird zum Beispiel die Produktion von Infektionsschutz optimiert. Mundschutz, bzw. Gesichtsmasken, Einmal-Bettwäsche in Krankenhäusern, OP-Kittel, Wundschutzauflagen und Kompressen sind nur einige Beispiele für Vliesstoffprodukte.

Simulation von Meltblown-Prozessen

Meltblown-Prozesse sind industrielle Produktionsprozesse zur Herstellung von Feinstfaser-Vliesstoffen. Dabei simulieren wir insbesondere die hochgradige Filamentverstreckung durch heiße, schnelle und turbulente Luftströmung.

Beim Meltblown-Prozess wird das geschmolzene Polymer durch die Düsen in einen vorwärts strömenden Hochgeschwindigkeitsstrom gepresst, um in der stark turbulenten Luftströmung gedehnt und abgekühlt zu werden. Die resultierenden Fasern werden auf das Förderband gelegt. Im Gegensatz zu Schmelzspinnprozessen, bei denen das Verstrecken durch den mechanischen Abzug vollzogen wird, beruht das Verstrecken der Filamente beim Meltblown-Prozess auf der Turbulenz des Hochgeschwindigkeitsluftstroms.

Die Erwartung einer maximalen Faserdehnung von 106 im industriellen Meltblown-Prozess erfordert eine sehr feine räumliche und zeitliche Auflösung. Die Simulation, die aus der Beobachtung des Prozesses motiviert ist, führen wir mit folgender Strategie durch:

Simulationsstrategie – Filamentverstreckung im turbulenten Luftstrom

Im Bereich nahe der Düse zieht der Hochgeschwindigkeitsluftstrom den langsam extrudierten Faserstrahl ohne seitliche Auslenkung schnell nach unten. Die heißen Lufttemperaturen verhindern ein Abkühlen und Erstarren der Filamente. Das Filamentverhalten wird hauptsächlich durch den mittleren Luftstrom bestimmt, turbulente Effekte sind vernachlässigbar. Wir nehmen daher an, dass im Düsenbereich das Filament durch ein stationäres uniaxiales viskoses Fasermodell mit deterministischen aerodynamischen Kräften beschrieben werden kann. In dem von der Düse entfernten Bereich wirken sich die turbulenten aerodynamischen Schwankungen entscheidend auf das Faserverhalten aus.

Mithilfe der uniaxialen stationären Filamentlösung identifizieren wir einen Kopplungspunkt. Von dem Punkt aus bis zum Band verwenden wir ein transientes viskoelastisches Modell, das die turbulenten Effekte berücksichtigt.

Simulationsergebnisse – Turbulente Effekte als Schlüsselfaktor

Wir beobachten eine Durchmesserverteilung auf dem Förderband über die Zeit. Bereits nach kurzer Zeit entsteht ein Gleichgewicht in der Durchmesserverteilung. Unsere numerischen Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit der Turbulenzen für die Filamentverstreckung und ergeben Faserdurchmesser von realistischer Größenordnung. Unsere Simulationsergebnisse unterstreichen deutlich die Bedeutung der turbulenten Effekte als Schlüsselfaktor für die Herstellung von Fasern im mikro- und submikroskaligen Bereich.

Die virtuelle Umsetzung des Meltblown-Prozesses eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung und Hochskalierung industrierelevanter Meltblown-Prozesse.

Simulation vieler Filamente im Meltblown-Produktionsprozess. © Fraunhofer ITWM