Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Vielseitiges Softwaretool VISPI
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Vielseitiges Softwaretool VISPI – Virtuelles Spinnen simulieren: Simulation virtueller Spinnprozesse zur Optimierung von Textilmaschinen und technischen Textilien

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Vielseitiges Softwaretool VISPI – Virtuelles Spinnen simulieren

Simulation virtueller Spinnprozesse zur Optimierung von Textilmaschinen und technischen Textilien

Unser Softwaretool VISPI simuliert stationäre, viskose Filamente bzw. Fasern in Strömungen und ist im Rahmen eines gleichnamigen BMBF-Projekts entstanden. Mit VISPI wird die Dynamik viskoser, querschnittsgemittelter Filamente modelliert. Die Software berücksichtigt zudem die Rückwirkung der Filamente auf die Strömung – sowohl hinsichtlich der Dynamik als auch des Energieaustauschs zwischen Filamenten und Strömung.

Unser Softwaretool kommt in einem breiten Spektrum von Anwendungsgebieten zum Einsatz. Besonders für Unternehmen mit den Schwerpunkten im Bau von Textilmaschinen und in der Produktion technischer Textilien ist die Software interessant. Denn erst durch die von uns implementierte Rückkopplung der Fäden auf die Strömung ermöglicht VISPI realistische Simulationsergebnisse für industrielle Anwendungen.

Optimieren Sie Ihren Spinnprozess mit VISPI und SPOT!

Weniger Abfall. Weniger Energie. Bessere Produktqualität.

Wir präsentieren VISPI und SPOT – unsere innovativen Simulationstools für die virtuelle Optimierung von Spinnverfahren.

Mit VISPI optimieren wir folgende Prozesse:

  • BCF-Verfahren (Bulkkontinuierliches Filament)
  • PDY und POY (teilverstrecktes Garn / vororientiertes Garn)
  • Spinnvliesverfahren
  • Rotationsspinnverfahren – z. B. zur Herstellung von Glaswolle
  • Trockenspinnen und Nassspinnen
  • Luftspalt-Spinnverfahren – z. B. Lyocell-Verfahren
  • Elektrospinning

Was macht VISPI so besonders?

VISPI simuliert realistische industrielle Bedingungen, indem es die gesamte Wechselwirkung zwischen Filamenten und Luftströmung modelliert. Turbulenzen und Totzonen werden frühzeitig erkannt und systematisch beseitigt. Die Anordnung der Spinndüsen wird optimal konzipiert, um eine gleichmäßige Kühlung und eine konstante Faserqualität zu gewährleisten.

Das folgende Beispiel veranschaulicht einen typischen Spinnprozess mit gekoppelter Luftströmung und Faserdynamik. Die Simulation zeigt, wie der Luftstrom das Faserbündel kühlt, während die Fasern gleichzeitig die Umgebungsluft erwärmen. Von der Kühlvorrichtung strömt ein senkrechter Luftstrom mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 m/s in das Faserbündel ein; weiter stromabwärts beschleunigen die Fasern die Luft in Abzugsrichtung.

VISPI mit grafischer Benutzeroberfläche zeigt Geschwindigkeitsverläufe von Filamenten entlang der Filamentlänge
© Fraunhofer ITWM
VISPI mit grafischer Benutzeroberfläche zeigt Geschwindigkeitsverläufe von Filamenten entlang der Filamentlänge.

Video Fluent: Geschwindigkeitsverlauf der Luft für verschiedene Anblasgeschwindigkeiten

Im Video ist der Einfluss der Anblasgeschwindigkeit auf die Durchströmung des Filamentbündels zu sehen. Dabei wird die Anblasgeschwindigkeit wird von 0,5 m/s bis 2 m/s variiert und die anderen Parameter festgehalten. Für kleine Geschwindigkeiten wird die Luft durch die Filamente senkrecht nach unten mitgenommen. Bei hohen Anblasgeschwindigkeit wird das Bündel horizontal durchgeströmt. Dabei wird das Bündel schneller und homogener abgekühlt.

Einfluss der Anblasgeschwindigkeit auf die Durchströmung des Filamentbündels.

Best Practice: BCF-Teppichgarnspinnerei – Van de Wiele
Bei der BCF-Teppichgarnspinnerei von Van de Wiele sind die Filamente in einer Runddüse in mehreren Reihen angeordnet. Die vorderen Filamentreihen schirmen die hinteren gegenüber der Kühlluft ab. Dadurch entstehen reihenabhängige Temperatur- und Strömungsprofile, die sich unmittelbar auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern auswirken.

VISPI-Simulation eines BCF-Prozesses (Van de Wiele): Temperaturverteilungen für mehrere Filamentreihen. Die vorderen Reihen werden stärker gekühlt als die abgeschirmten hinteren Reihen.
© Fraunhofer ITWM
VISPI-Simulation eines BCF-Prozesses (Van de Wiele): Temperaturverteilungen für mehrere Filamentreihen. Die vorderen Reihen werden stärker gekühlt als die abgeschirmten hinteren Reihen.
VISPI-Simulation eines BCF-Prozesses (Van de Wiele): Geschwindigkeitsverteilungen für mehrere Filamentreihen, was zu einer reihenabhängigen Ausdehnung führt und eine Optimierung des Lochmusters für eine gleichmäßigere Kühlung erforderlich macht.
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VISPI-Simulation eines BCF-Prozesses (Van de Wiele): Geschwindigkeitsverteilungen für mehrere Filamentreihen, was zu einer reihenabhängigen Ausdehnung führt und eine Optimierung des Lochmusters für eine gleichmäßigere Kühlung erforderlich macht.

Der rein experimentelle Zugang zum Inneren solcher dichter Bündel ist sehr begrenzt. VISPI liefert dagegen umfassende Informationen über die thermische und kinematische Entwicklung jedes einzelnen Filaments. Die vorderen Reihen sind dem einströmenden Luftstrom direkt ausgesetzt und durchlaufen daher einen anderen Abkühlungsverlauf als die teilweise abgeschirmten hinteren Reihen – Unterschiede, die eine gezielte geometrische Optimierung der Kühlkonfiguration erforderlich machen.

Best Practice: Optimierung von Lochmustern mit SPOT
Eine ungleichmäßige Kühlung im Faserbündel lässt sich mit SPOT, dem von uns entwickelten Tool zur Optimierung der Düsenkonstruktion, gezielt beheben. SPOT simuliert detailliert den Luftstrom um die Fasern und nutzt mathematische Optimierungsverfahren, um deren Anordnung innerhalb der Spinndüse zu verbessern. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Filamente möglichst gleichmäßige Eigenschaften aufweisen.

Durch die Optimierung der Faseranordnung entstehen Strömungs-Gassen, über die die Kühlluft auch die hinteren Filamente erreichen kann, die normalerweise nur unzureichend gekühlt werden. Das Ergebnis ist eine klare und einfach umsetzbare Handlungsempfehlung: Die Düsenlöcher müssen lediglich an den optimierten Positionen gebohrt werden. Trotz der minimalen Hardware-Anpassung ist der Einfluss auf die Produktqualität erheblich.

Abbildung 1: optimierte Anordnung der Lochpositionen
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Standardmuster
Abbildung 2: optimierte Anordnung der Lochpositionen
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Fraunhofer-Muster

Best Practice: Optimierung der Geometrie eines Spinning-Kanals
Dichte Filamentbündel stehen in starker Wechselwirkung sowohl mit dem umgebenden Luftstrom als auch mit der lokalen Gehäusegeometrie. VISPI-Simulationen der gekoppelten Faser-Luft-Dynamik zeigen, wie bestimmte Strömungskanäle Totzonen und erhöhte Turbulenzen im Bereich der Filamente begünstigen. Dies führt zu ausgeprägten Filamentbewegungen, die als »Fasertanz« bezeichnet werden.

Durch die gezielte Anpassung von Leitelementen und Querschnittsformen lässt sich die Kanalgeometrie so optimieren, dass turbulente Schwankungen deutlich reduziert und das Filamentbündel stabilisiert werden kann.

Eine ursprünglichen Konfiguration mit stärkeren Turbulenzen und ausgeprägtem »Fasertanz«.
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Eine ursprünglichen Konfiguration mit stärkeren Turbulenzen und ausgeprägtem »Fasertanz«.
Eine geometrisch optimierten Konfiguration mit deutlich reduzierten turbulenten Schwankungen und stabilisierter Filamentbewegung.
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Eine geometrisch optimierten Konfiguration mit deutlich reduzierten turbulenten Schwankungen und stabilisierter Filamentbewegung.

Weitere technische Informationen zur Software

  • VISPI ist plattform-unabhängig und kann unter Windows oder Linux zum Einsatz kommen.
  • Zur Kopplung mit der Strömung stehen ANSYS FLUENT und SU2 zur Verfügung.
  • Die Spezifikationen der Randbedingungen von SU2 erfolgt direkt in VISPI.
  • Einige typische Polymere sind in der Datenbank von VISPI bereits integriert.
  • Die Visualisierung kann direkt in VISPI erfolgen. Es ist aber auch der Export von Daten in CSV oder im EnSight Gold Case Format möglich.

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