Simulieren und optimieren von Trockenspinnprozessen

Simulationswerkzeug für qualitativ hochwertige Filamente

Die Anwendungsbereiche von Trockenspinnprozessen reichen von Textilien über Vliesstoffe bis hin zu Leichtbauteilen. In einem typischen Prozess wird Polymer mit einem Lösungsmittel über die Düsen einer Spinnplatte unter Druck ausgebracht, in einem Spinnschacht aerodynamisch getrocknet, am Schachtende abgezogen und dadurch verstreckt.

Wir haben in mehrjähriger Forschung und Entwicklung ein Simulationswerkzeug entwickelt, das Trockenspinnprozesse mit Hunderten oder Tausenden von Fasern abbildet. Dabei erfasst es die volle Wechselwirkung aller Fasern mit der umgebenden Gasströmung und gleichermaßen die detaillierte Diffusion des Lösungsmittels in jeder einzelnen Faser.

Im Ergebnis erhält man sowohl die komplette Aerodynamik der Anlage (u.a. Geschwindigkeits- und Temperaturfeld sowie Lösungsmittelverteilung) als auch alle relevanten Zustandsgrößen entlang der Faser (Durchmesser, Geschwindigkeit, Temperatur). Die Lösungsmittelkonzentration lösen wir darüber hinaus radial in den Querschnitten der Fasern.

 

Durch Simulation Kosten und Zeit sparen

Die bei uns am Fraunhofer ITWM durchgeführten Simulationen ermöglichen eine tiefgehende Analyse der Prozesse. Sie werden anschließend durch gezielte Variation der Prozessparameter und Anlagengeometrie optimiert – so beispielsweise die Schachtgeometrie: Turbulenzen werden reduziert und die Qualität der Fasern verbessert.

Insbesondere im Prozess des Upscalings vom Labormaßstab auf den industriellen Maßstab sparen Unternehmen durch den Einsatz von Simulationen erhebliche Kosten durch Reduzierung bzw. Vermeidung aufwendiger baulicher Modifikationen.

Anlage Trockenspinnprozess
© Fraunhofer ITWM

Mit Hilfe der Simulationen ist es uns möglich bestehende Spinn-Anlagen zu optimieren und neue Anlagen optimal auszulegen. Grafik: Schematisches Modell einer Trockenspinnanlage.

Video: Trockenspinnprozesse optimieren im Projekt

Simulieren und optimieren von Trockenspinnprozessen

Kundenbeispiel: Keramikhersteller BJS Ceramics und Composites GmbH

Die BJS Ceramics und Composites fertigt Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie für industrielle Anwendungen aus Hochleistungs-SiC-Verbundwerkstoffen. Wir arbeiten mit ihnen im Projekt zusammen.

Die Simulation erfasst die Konzentration des Lösungsmittels in jeder einzelnen Faser.
© Fraunhofer ITWM

Die Simulation erfasst die Konzentration des Lösungsmittels in jeder einzelnen Faser.

Drei Fragen an Dr. Michael Rothmann, Head of Development, BJS Ceramics GmbH, Gersthofen

 

Was zeichnet Ihr Unternehmen aus? Was macht BJS Ceramics?
Bei BJS Ceramics dreht sich alles um SiC-Fibern, ein Material das performt, wo andere Materialen versagen. Bauteile aus SiC-Fasern können bei 1500°C unter aggressiven Bedingungen eingesetzt werden. Eines von vielen Einsatzgebiet für dieses Material ist der Heißgasbereich von Flugzeugturbinen. Durch die Substitution von Metallen kann der Wirkungsgrad erhöht werden und die Emission von CO2 und Stickoxiden reduziert werden. So leistet BJS einen wichtigen Beitrag zur Erreichung der Klimaziele der EU.

Wie gestaltet sich die Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ITWM?
Die Zusammenarbeit erfolgt sehr praxisorientiert. Die Fragestellungen besprechen wir vor Ort direkt an der Anlage. Die Experten des ITWM erarbeiten in der Folge einen Lösungsansatz und stellen diesen vor. In einer ersten Iteration wird die grundsätzliche Tauglichkeit des gewählten Ansatzes überprüft. Nach diesem Proof-of-Concept wird das Modell weiter verfeinert, bevor damit gearbeitet wird. Während der Zusammenarbeit tauschen wir uns in regelmäßigen Treffen aus. Damit ist gewährleistet, dass neue Fragestellungen rasch aufgegriffen und einarbeiten werden können.

Was ist das Besondere an der Simulation? Was ist das Innovative? 
In unserer aktuellen Zusammenarbeit konnte erstmals der komplette Spinnprozess simuliert werden. Das wurde durch die Kombination von mehreren Simulationsmethoden ermöglicht. Wir erlangen damit einen Einblick in bisher unzugängliche Teilbereiche des Prozesses. Diese Ergebnisse ermöglichen es uns in Zukunft eine gezieltere Prozessoptimierung durchzuführen und verkürzen unsere Entwicklungszyklen.