Anwendungsbeispiel Spinnprozess Glaswolle

Der aerodynamische Spinnprozess der Firma Woltz dient zur Herstellung von Glaswolle.

Spinnprozesse

Nach dem Austritt der Schmelze aus dem Spinnpaket bildet der Spinnprozess den eigentlichen funktionsdeterminierenden Teil bei der Herstellung von Fasern und Filamenten. Deren Einsatzspektrum reicht von Stapelfasern über Vliesstoffe bis zu technischen Textilien.

Im Spinnprozess werden die Fasern mechanisch oder aerodynamisch auf die gewünschte Spinngeschwindigkeit beschleunigt. Entscheidend für die Prozessqualität ist dabei vor allem die Gleichmäßigkeit der Fasereigenschaften und die Produktivität.

 

Simulation

In den letzten Jahren haben eine Reihe von Forschungsaktivitäten am Fraunhofer ITWM die Grundlage für eine umfassende Simulation solcher Spinnprozesse geliefert. Die aus der Cosserat-Theorie abgeleiteten Fadenmodelle beruhen auf der eindimensionalen Bilanzierung von Masse, Impuls und Energie entlang des Fadens für String-Modelle und zusätzlich des Drehimpulses für Rod-Modelle.

Die umgebende Luftströmung erzeugt einerseits eine Kraft auf den Faden und bewirkt andererseits einen Wärmeaustausch mit dem Faden. Auf Basis analytischer und experimenteller Resultate ist die Luftkraft durch das ITWM zu einem universell einsetzbaren Modell entwickelt worden.

Die Rückwirkung auf die Strömung beruht auf dem allgemeinen Prinzip actio gleich reactio. Durch Homogenisierung führt dieses auf Impuls- und Energiequellen in der Strömung, die in Strömungstools wie FLUENT als UDF umsetzbar sind. Durch iterative Verknüpfung von Fadendynamik in MATLAB und Strömungsdynamik in FLUENT resultiert daraus ein Werkzeug zur Simulation der vollen Wechselwirkung im Spinnprozess.

Industrielle Anwendung

Zusammen mit industriellen Partnern ist dieses Simulationsprinzip für unterschiedliche Spinnprozesse eingesetzt worden. Der aerodynamische Spinnprozess der Firma Woltz dient zur Herstellung von Glaswolle. Dabei wird der Schmelzestrang zunächst in einer rotierenden Scheibe über einen Glasfilm verteilt und dann durch die Zentrifugalkraft aus zehntausenden Löchern herausgedrückt und in einem Luftstrom zerfasert, der aus einem scheibennahen Heißgasstrom und einem umgebenden kalten Schleierluftring resultiert.

Diese Simulationen bedingen ein höchstes Maß an Kopplung aufgrund der aerodynamisch sich einstellenden Fadenkurven sowie der Kopplung zum Glasfilm im Inneren der Scheibe. Die Optimierung dieses Prozesses zielt vor allem auf die passende Verknüpfung der unterschiedlichen Lochdurchsätze der verschiedenen Lochreihen und der deutlich höheren Spinngeschwindigkeit an den oberen im Vergleich zu den unteren Reihen.

Weiterführende Publikationen:

  • W.Arne, N.Marheineke, A.Meister, S.Schießl, R.Wegener. Finite Volume Approach for the Instationary Cosserat Rod Model Describing the Spinning of Viscous Jets. Journal of Computational Physics, 294:20-37, 2015.
  • N.Marheineke, J.Liljo, J.Mohring, J.Schnebele, R.Wegener. Multiphysics and Multimethods Problem of Rotational Glass Fiber Melt-Spinning. International Journal of Numerical Analysis and Modeling, Series B, 3(3):330-344, 2012.
  • N.Marheineke, R.Wegener. Modeling and Application of a Stochastic Drag for Fibers in Turbulent Flows. International Journal of Multiphase Flow,37(2):136-148, 2011.
  • W.Arne, N.Marheineke, J.Schnebele, R.Wegener. Fluid-fiber-interaction in Rotational Spinning Process of Glass Wool Production. Journal of Mathematics in Industry, 1:2, 2011.

 

Projektart: ZIM Projekt
Projektpartner: Woltz GmbH