Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Design von Spinnpaketen optimieren
© DITF / Fraunhofer ITWM
Design von Spinnpaketen optimieren

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Polymer-Spinnpakete strömungsdynamisch auslegen

Dank digitalem Zwilling das Design von Spinnpaketen optimieren

Unsere Software-Lösungen simulieren Spinnpakete als digitaler Zwilling, um das Strömungsverhalten im Inneren zu verstehen und das Design zu optimieren. 

Spinnpakete kommen bei der Produktion von synthetischen Fasern und Vliesstoffen zum Einsatz. Das Spinnpaket selbst ist ein Metallblock und besteht im Inneren aus Hohlräumen und feinen Kanälen, durch die Polymerschmelze – also geschmolzener Kunststoff – strömt. Diese Schmelze wird durch ein Rohr in das Spinnpaket geleitet. In einer ersten Kavität (einem Hohlraum) verteilt sich die Schmelze auf die gesamte Breite des Spinnpaketes. Sie passiert mehrere Lagen von Filtern, die von einer Stützplatte gehalten werden, bevor sie durch feine Kapillaren in der Düsenplatte versponnen wird. So entstehen Fasern, die entweder zu einem Garn aufgewickelt oder zu einem Vliesstoff abgelegt werden.

Analysieren und Simulieren – der Blick ins Innere des Spinnpakets

Am Anfang unserer Arbeit steht immer eine strömungsdynamische Analyse des Ist-Zustandes. Die Strömung im Spinnpaket simuliert unser Team unter Berücksichtigung des besonderen Verformungs- und Fließverhaltens von Polymeren. Mithilfe unserer Software-Tools werden dann Verweilzeiten und Druckverläufe ausgewertet.

Die Analyse liefert gezielt Hinweise, welche Komponenten des Spinnpaketes optimiert werden sollten. Häufig treten in Hohlräumen deutlich erhöhte Verweilzeiten auf. Dies ist ungünstig, da das Polymer nach einiger Zeit unter der Temperaturbelastung abbaut. Um dies zu verhindern, nutzen unsere Experten Formoptimierung für die Auslegung von Bauteilen mit geringer und gleichmäßiger Verweilzeit. Genauso werden durch die Analyse starke Druckerzeuger sichtbar und die entsprechenden Komponenten lassen sich anpassen.

Simulation der Fließwege durch ein typisches Spinnpaket
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Das Schmelzspinnen ist das gängigste Verfahren, um aus Kunststoff Fasern zu produzieren. Im Bild: Simulation der Fließwege durch ein typisches Spinnpaket.


Diese simulationsgestützte Analyse ermöglicht einen Blick in das Spinnpaket, der sonst verborgen bleibt. Da detaillierte Messungen der Polymerströmung im Spinnpaket nicht möglich sind, können Probleme im Spinnprozess bisher nur durch Versuch-und-Irrtum angegangen werden. Das ist der entscheidende Vorteil bei der simulationsgestützten Auslegung, denn alle strömungsdynamischen Größen sind direkt quantifizierbar. Problematische Komponenten lassen sich identifizieren und Modifikationen unmittelbar validieren. Entwicklungszeiten werden kürzer und Unternehmen vermeiden teure Fehlkonstruktionen.

Automatisiertes Design von Hohlräumen vermeidet Totzonen und Polymerabbau

Totzonen innerhalb des Spinnpakets oder Stagnationsbereiche mit langsamer Strömungsgeschwindigkeit können sich äußerst negativ auf die Produktqualität und die Gesamtleistung des Spinnpakets auswirken. Da die Verweilzeit in diesen Bereichen hoch ist, kann es zu einem Polymerabbau kommen. Abgebautes Polymer kann in die feinen Kapillaren gelangen oder diese blockieren. Dies kann schließlich zu Filament-Brüchen, häufigen Reinigungszyklen und Produktionsstopps führen.

Referenz-Spin-Pack-Design
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Das Referenz-Design des Spinnpakets weist eine Stagnationszone mit großer Verweilzeit auf, in der es zu Polymerabbau kommen kann. Wir haben die Form des Polymerverteilers optimiert und die Zone ist verschwunden.
Analyse der Verweildauer für verschiedene Designs von Spinnpaketen
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Analyse der Verweildauer für verschiedene Designs von Spinnpaketen

Unsere Strömungssimulationen sind ein zuverlässiges Instrument, um diese Totzone und Bereiche mit sehr langsamen Fließgeschwindigkeiten zu ermitteln. Die Abhilfe besteht dann im Ändern oder Neugestalten der Spinnpaket-Geometrie. Die optimale Geometrie kann sehr komplex sein. Deshalb haben wir ein Werkzeug zur automatisierten Geometrieauslegung entwickelt, das auf die Konstruktion von Spinnpaket-Geometrien zugeschnitten ist.

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