Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMBei der Produktion von Vliesstoffen wird eine Vielzahl dünner Fasern oder Filamente versponnen und überlagert, um eine Vliesstruktur zu bilden. In Zusammenarbeit mit einem breiten Spektrum an Industriekunden treibt unsere Abteilung seit vielen Jahren die Virtualisierung dieser Prozesse voran.
Bedingt durch die Komplexität und Skalenunterschiede ergeben sich vielfältige mathematische Herausforderungen, die nicht mit Standardsimulationen gelöst werden können. Unsere eigens entwickelten Modelle, Methoden und Werkzeuge für mehrere Schlüsselaspekte unterstützen die Auslegung und Steuerung der Produktionsprozesse technischer Textilien mit effizienten Simulationen.
3D-Ansicht des virtuellen Vlieses im gewählten Ausschnitt.
Software Surrogate Model (SURRO)
Unsere Software SURRO generiert virtuelle Vliesstrukturen und basiert auf einem stochastischen Ersatzmodell zur Simulation von Filamenten, das mathematisch durch eine stochastische Differentialgleichung beschrieben wird.
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Virtuelle Produktion von Vliesstoffen mit SURRO
2D-Ansicht des virtuellen Vlies in SURRO
Software SURRO generiert virtuelle Vliesstrukturen
In den letzten Jahren haben wir ausgeklügelte Methoden entwickelt, um großflächig virtuelle Vliesstrukturen zu generieren. Die daraus entstandene Software SURRO (Surrogate Model) basiert auf einem stochastischen Ersatzmodell zur Simulation von Filamenten, das mathematisch durch eine stochastische Differentialgleichung beschrieben wird.
Die Eingabe-Parameter des Prozesses werden gewonnen, in dem zuvor physikalisch basierte Simulationen einzelner Filamente mit der Software FIDYST (Fiber Dynamics Simulation Tool) durchgeführt werden. Das komplexe Verhalten der Filamente wird so durch einen Identifikationsprozess auf wenige stochastische Parameter zurückgeführt, welche die Vliesstruktur charakterisieren.
Flächengewichtsverteilung eines Ausschnitt bei 0.1mm Auflösung
Mit SURRO und FIDYST Prozesse zur Herstellung von Vliesstoffen analysieren
Im Vergleich zur vollständigen physikalischen Simulation werden Fäden mit dem SURRO Ersatzmodell extrem schnell berechnet. Dadurch ist es möglich, fein aufgelöste Mikrostrukturen im Bereich mehrerer Zentimeter Kantenlänge zu erzeugen. Die virtuelle Vliesstruktur wird dann hinsichtlich Flächengewichtsverteilung und Homogenität auf verschiedenen Skalen analysiert. Die Homogenität ist hierbei entscheidend für die Qualität des Vliesstoffs und ein Kriterium zur Optimierung des Herstellungsprozesses.
Durch Schnittstellen zu Standardsoftware wie Abaqus können darüber hinaus Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt werden. Wir setzen den Mikrostrukturgenerator SURRO erfolgreich ein, um zusammen mit der Simulationssoftware FIDYST Prozesse zur Herstellung von Vliesstoffen zu analysieren und optimieren.
3D-Mikrostruktur eines Airlayvlieses
Besonders im Automobilbereich steigt der Einsatz von Vliesstoffen kontinuierlich an. Damit verbunden ist auch die Nachfrage nach den Maschinen zur Herstellung der aerodynamischen Wirrvliese stark wachsend – ebenso wie die Anforderungen der Vliesstoffproduzenten an die sogenannten Airlay-Anlagen. Zur optimalen Auslegung von Airlay-Prozessen simulieren wir diesen mit unseren Software-Tools.
Weiterführende Publikationen:
A.Klar, N.Marheineke, R.Wegener. Hierarchy of Mathematical Models for Production Processes of Technical Textiles. ZAMM, 89(12): 941-961, 2009.