Spinnprozesse simulieren

Im Spinnprozess werden die Fasern mechanisch oder aerodynamisch auf die gewünschte Spinngeschwindigkeit beschleunigt. In den letzten Jahren haben eine Reihe von Forschungsaktivitäten bei uns am Fraunhofer ITWM die Grundlage für eine umfassende Simulation solcher Spinnprozesse geliefert.

Virtuelles Spinnen im Projekt VISPI

Validierung eines Simulationswerkzeuges zum virtuellen Spinnen

Im Projekt VISPI entwickeln wir im Verbund eine Simulationssoftware, mit der ein breites Spektrum von Spinnprozessen virtuell abgebildet und untersucht werden kann.

Spinnen ist eine der ältesten Techniken der Menschheit. Klassische Spinnereien der Textilindustrie, die Fasern zu einem Garn verarbeiten, findet man nur noch vereinzelt in Europa. Die Globalisierung betrifft aber auch die hier betrachtete Herstellung von synthetischen Fasern. Gemäß dem Branchenreport »Chemiefaserindustrie in Deutschland (2015)« wurde 2013 zwei Drittel der weltweiten Chemiefasermenge in China produziert.

Um sich international behaupten zu können, setzen die deutschen Faserhersteller auf »Neuentwicklungen mit hoher Wertschöpfung, um sich von der in Asien hergestellten Massenware unterscheiden zu können«. Der diesem Industriesegment zugeordnete Maschinenbau ist nach wie vor stark in Deutschland verwurzelt. Jedoch stößt die industrielle Forschung zur Produkt- und Prozessinnovation auf rein experimenteller Basis an ihre Grenzen, so dass zunehmend ein Virtualisierungstrend zu beobachten ist.

Digitaler Zwilling optimiert Spinnprozess

Simulationen sparen Experimente, erlauben neue Einblicke, ermöglichen systematische Parametervariationen und lösen Upscaling-Probleme, die zu gravierenden Fehlinvestitionen beim Übergang von der Laboranlage zur Industrieanlage führen können. Aufgrund ihrer Komplexität ist die benötigte Simulationsfähigkeit für Spinnprozesse momentan auf Forschungseinrichtungen beschränkt, wobei wir als Fraunhofer ITWM auch im weltweiten Vergleich eine führende Rolle einnehmen.

Der LSP Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe des Institutes für Werkstoffwissenschaften der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg bringt herausragendes Know-how in Polymerphysik und Werkstoffwissenschaften mit ein. Gemeinsam mit dem LSP Erlangen gilt es schnellstmöglich die entsprechenden Simulationswerkzeuge und -fähigkeiten unmittelbar den entwickelnden Unternehmen bereitzustellen. Denn die Bereitstellung entsprechender Simulationswerkzeuge kann zukünftig einen wesentlichen Beitrag zur Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit von Faserherstellenden und Maschinenbauenden leisten.

Der Prozess: Synthetische Faser spinnen

Bei Spinnprozessen zur Herstellung von synthetischen Fasern wird geschmolzene oder gelöste Spinnmasse durch feine Düsen gepresst, so zu Fasern versponnen und dann zum Aushärten durch eine Kaltluftströmung oder ein Spinnbad geführt. Bekannte Verfahren sind Schmelzspinnen, Lösungsspinnen, Gelspinnen und Dispersionsspinnen.

Die folgende Skizze verdeutlicht am Beispiel des Schmelzspinnens, welche Simulationskonzepte für die Simulation von Spinnprozessen erforderlich sind.

Prinzipskizze Schmelzspinnen
© Fraunhofer ITWM

Prinzipskizze Schmelzspinnen

Eine Software zum virtuellen Spinnen erfordert daher:

  1. Ein Baukasten-System, mit dem physikalische Modelle zur Beschreibung der Fasern zusammengesteckt werden können – ohne Expertise der Cosserat-Rod-Theorie (Diese beschreibt ein Filament als Raumkurve mit orientierten Querschnitten)
  2. Smarte, automatisiert ablaufende mathematische Methoden zur Lösung der Randwertprobleme – ohne händisches Eingreifen während der Simulation
  3. Die Integration der Strömungssimulation in die Simulation des gesamten Spinnprozesses mit der Kopplung von Fasern und Luft
  4. Eine an die Bedürfnisse der späteren Anwender angepasste Benutzerführung der Gesamtsoftware
Gruppenbild beim Kick-off-Meeting
© Fraunhofer ITWM

Gruppenbild beim Kick-off-Meeting des Projektes am 17. September 2019 im Fraunhofer ITWM.

Im Verbund mit dem LSP Erlangen simulieren

Wir entwickeln schwerpunktmäßig die mathematisch-numerischen Methoden zur Simulation, während die Universität Erlangen ihre Expertise in Polymerphysik zum Aufbau einer Materialdatenbank einbringt.

Der LSP Erlangen hat bereits in mehreren Promotionsprojekten für das Schmelzspinnen polymerer Fasern die molekulare und rheologische Charakterisierung, Verarbeitung und Materialmodellierung für Prozessinstabilitäten untersucht.

Unser Institut, das Fraunhofer ITWM, hat in grundlegenden Forschungsprojekten physikalische Modelle und mathematische Algorithmen zur Simulation von Spinnprozessen entwickelt. Anhand der Produktion von Glaswolle und mehreren Polymerspinnprozessen haben wir dabei beispielhaft nachgewiesen, dass Simulationen sowohl die Faserprodukteigenschaften verbessern als auch die Energiekosten senken.

Die Weiterentwicklung der Algorithmen zu einer lizenzierbaren Simulationssoftware mit Materialdatenbank, die ein breites Spektrum an Spinnprozessen abdeckt und von IngenieurenInnen nach kurzer Einarbeitungszeit produktiv eingesetzt werden kann, bleibt aber eine große Herausforderung, der sich das vorgeschlagene Projekt stellt. Begleitet wird das Projekt durch den Innovationsmentor Prof. Stefan Schlichter und einem Technologiebeirat bestehend aus Industrievertretern.

 

Ziel des Projektes VISPI

Ziel des Validierungsprojektes ist der Nachweis, dass IngenieurInnen mit einem Simulationstool »Virtuelles Spinnen« innovative industrielle Spinnprozesse für High-Tech-Fasern entwickeln, auslegen und optimieren können.

Die geplante Verwertung zielt entweder auf die direkte Lizenzierung durch die Verbundpartner Fraunhofer ITWM/LSP Erlangen oder auf den Vertrieb über externe Partner bzw. eine Ausgründung zwei Jahre nach Projektende.

Die BMBF-Fördermaßnahme »Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung« unterstützt Forscherinnen und Forscher dabei, Forschungsergebnisse systematisch zu validieren und Anwendungsbereiche zu erschließen.

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