Simulation von Spunbond-Prozessen

Spunbond-Prozesse sind industrielle Produktionsprozesse zur Herstellung von Vliesstoffen. Dabei wird Polymer geschmolzen und durch Spinndüsen zu feinen Filamenten geformt. Die Filamente werden gekühlt, durch Luft verstreckt bzw. verwirbelt und auf ein perforiertes Band abgelegt. Typische Fragestellungen bei der Auslegung eines Spunbond-Prozesses sind:

• Wie kann der Energieaufwand zur Erzeugung der Luftströmung minimiert werden?
• Wie wird ein möglichst gleichmäßiges Vlies bei hoher Bandgeschwindigkeit produziert?

Simulation mit FIDYST

Um beide Fragen zu beantworten, simulieren wir die komplette Spunbond-Anlage mit dem kommerziellen Strömungslöser ANSYS FLUENT. Anschließend verwenden die Wissenschaftler vom Fraunhofer ITWM das Simulationstool FIDYST (Fiber Dynamics Simulation Tool) zur Simulation der Filamente in der Luftströmung.

Für die Ablage der Filamente auf dem Band steht das Simulationswerkzeug SURRO zur Verfügung. Nachdem der Referenzfall komplett simuliert und mit Messungen der Industriepartner validiert worden ist, können Simulationsexperimente durchgeführt werden.

Prozessoptimierung

Zur Optimierung des Spunbond-Prozesses nutzen wir die Analyse des Referenzfalles und machen Design-Vorschläge für Umbauten. Bauliche Veränderungen, die eine Produktionsanlage für mehrere Stunden stilllegen würden, können nun am Computer erprobt werden. Prozessparameter können systematisch abgefahren werden, um optimale Betriebspunkte für den Produktionsbetrieb zu finden. Materialien können von ihren Eigenschaften prognostiziert werden, bevor sie auf der Anlage laufen. Die typischen Probleme beim Upscaling von Pilotanlagen können beherrscht oder gar komplett vermieden werden.

Weiterführende Publikationen:

• S. Gramsch, D. Hietel, R. Wegener. Optimizing spunbond, meltblown, and airlay processes with FIDYST. Melliand International, 21(2):115-117, 2015.
  
• R.Wegener, N.Marheineke, D.Hietel. Virtuelle Produktion von Filamenten und Vliesstoffen. In: Mathematik im Fraunhofer-Institut Problemgetrieben - Modellbezogen - Lösungsorientiert. Hrsg. H.Neunzert, D.Prätzel-Wolters, Springer, 105-165, 2014.
  
• A.Klar, N.Marheineke, R.Wegener. Hierarchy of Mathematical Models for Production Processes of Technical Textiles. ZAMM, 89(12): 941-961, 2009.