Technologiesprung durch Simulation von Fadendynamiken

Transkript

1 Technologiesprung durch Simulation von Fadendynamiken 23. Hofer Vliesstofftage 5./6. November 2008 Dr. Dietmar Hietel Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern

2 Inhalt Aufbau orientiert sich an Ursache-Wirkungs-Kette Maschinenkonstruktion Prozessparameter Luftströmung Fadendynamik Vliesstoffstruktur Seite 2

3 CAD-Daten und Prozessparameter für Luftströmung Maschinenkonstruktion durch CAD-Daten Strömungsparameter Luftdruck und -temperatur Einströmprofil Massenfluss Absaugung Prozessparameter Bandgeschwindigkeit Permeabilität des Bandes Seite 3

4 Weitere Prozessparameter für Fadendynamik Spinnkopf Anzahl der Löcher Lochmuster Lochdurchsatz Schmelzetemperatur Polymereigenschaften Seite 4

5 Berechnung der Luftströmung Standardwerkzeuge können zur Modellierung und Simulation der Luftströmung genutzt werden Maschinenkonstruktion Prozessparameter Luftströmung Fadendynamik Vliesstoffstruktur Seite 5

6 Anwendungsfall zur Berechnung der Luftströmung Modifikation des Spunbondprozesses von Oerlikon Neumag als durchgängiges Beispiel Zusätzlicher Diffusor am Slotaustritt und Walzen über dem Band Stromlinien der Luftströmung Seite 6

7 Modellierung und Simulation der Fadendynamik FIDYST Fiber Dynamics Simulation Tool Maschinenkonstruktion Prozessparameter Luftströmung Fadendynamik Vliesstoffstruktur Seite 7

8 Modellierung der Fadendynamik durch Kraftbilanz Trägheitskraft Dichte, Querschnittsform Innere Kräfte Zugspannung Biegung E-Modul, Flächenträgheitsmom. Torsion Schermodul, polares Moment Oberflächenspannung Viskose Reibung Viskosität Äußere Kräfte Gravitation Luftwiderstand Mantelfläche Turbulente Kräfte Turbulenz der Luftströmung Faden-Wand-Kontakt Faden-Faden-Kontakt Seite 8

9 Asymptotisches 1D-Modell der Fadendynamik Rod theory (Antman): Impulsbilanz Drehimpulsbilanz viskos elastisch, nicht dehnbar Seite 9

10 Modellierung der Filament-Turbulenz-Interaktion Filamentdynamik Zugspannung, Biegung, äußere Kräfte Luftturbulenz turbulente Fluktuationen Interaktion durch Widerstandskraft Seite 10

11 Turbulenzwirkung: Fluktuationen in Fadendynamik Fluktuation der Filamente beginnt bereits im Diffusor Walzen/Bleche beeinflussen Breite des Filamentvorhangs in MD Stromlinien Dynamik des Filamentvorhangs Modifizierter Spunbondprozess Seite 11

12 Kontakt der Filamente mit Wänden Seite 12

13 Vliesstoffstruktur aufgrund der Fadendynamik Detailanalyse der Filamentstruktur innerhalb des Vliesstoffes Maschinenkonstruktion Prozessparameter Luftströmung Fadendynamik Vliesstoffstruktur Seite 13

14 Berechnete Filamentverteilung im Vliesstoff Typische Wolkigkeit durch Fluktuationen aufgrund der Turbulenzwirkung zwischen Slot und Band Modifizierter Spunbondprozess Seite 14

15 Analyse der Filamentspuren im Vliesstoff Spur eines Filaments weist deutliche Dichteschwankungen auf Wirkung der Luftturbulenzen zusammen mit Bandbewegung Ablagedepot aus Sicht des Slots Depot hat Form einer Ellipse Normalverteilung in MD und CD Standardabweichung in MD and CD als Indikator für Festigkeit Seite 15

16 Optimierung der Ablagezone mit Oerlikon Neumag Fiber-simulation: 40 Filaments; webspeed=110 m/min forming filament draw Geometry cv standard deviation depot identifier length speed pressure 25x25 mm MD CD ratio Faden40.* [mm] [m/min] [bar] [mm] [mm] no 10% ,33 B no 16% ,35 B no 27% ,64 F no 14% ,50 B100FS no 7% ,26 B100FS no 8% ,29 B100p no 9% ,24 B100p DoP 10% ,39 B130-DoP DoP 2 10% ,34 B130-DoP DoP(B1) 6% ,34 AlbisB1-DoP DoP(B2) 6% 9 7 1,29 AlbisB2-DoP Diff3 (690) 12% ,30 F600Diff Diff3 (690) 11% ,28 F600Diff3p Diff3 (450) 14% ,37 F600Diff Diff3 (100) 15% ,46 F600Diff Diff3DoP2 11% ,86 F600Diff3DoP2x4VB Diff3DoP4 10% ,03 F600Diff3DoP4x4VB Diff3DoP5 13% ,38 F600Diff3DoP Diff3 (200) 12% ,40 F350Diff Roller 19% ,90 B600W Roller1 20% ,70 B600W Roll&Deflector 16% ,63 B600WD Roll&Def&Diff3 16% ,81 B600WDDiff RollS&Diff3 18% ,70 B600WSDiff RollerSmall 15% ,56 B600WS Roll-Inlet&Def 22% ,53 B600WLD Abdüse 45 16% ,06 B350a Abdüse 30 11% ,20 B350a60 scaling for lower or higher filament speed due to change in base weight Günstige Variante: kleine Walzen/Bleche + große Formlänge führt zu großer Ellipse und vernünftiger Homogenität Seite 16

17 Umsetzung in Neukonstruktion der Ablagezone Realisierung durch Bleche anstelle von Walzen Stehende Einheiten vermeiden Probleme beim Wandkontakt Maschinenbreite konstruktiv nach oben quasi unbegrenzt Seite 17

18 Gemessene Verbesserung in neuer Ablagezone PP, 1,1 dtex 15 gsm Daten von Dr. H. Rave (Oerlikon Neumag) bei EDANA Int. Nonw. Symp. Mai 2007 in Berlin Tenacity [N/5cm] CD 24 MD 1 2 old new Seite 18

19 Stochastisches Modell der Ablage Beschreibung des Vliesaufbaus als stochastischer Prozess Maschinenkonstruktion Prozessparameter Luftströmung Fadendynamik Stochastisches Modell Vliesstoffstruktur Seite 19

20 Stochastisches Modell der Ablage im Vliesstoff Ablageellipse charakterisiert Prozess Standardabweichungen in MD und CD als Modellparameter (σ MD und σ CD ) Schlaufigkeitsparameter A aufgrund der Biegesteifigkeit Identifikation der Modellparameter (σ MD, σ CD, A) aus Simulationen der Filamentdynamik zwischen Slot und Band Einbeziehung der Bandgeschwindigkeit als überlagerte Bewegung Zusätzliche erzwungene Bewegungsformen können als weitere deterministische Bewegungen mit abgebildet werden Seite 20

21 Stochastisches Modell: Einfluss Ellipsengröße Spinngeschw m/min, Bandgeschw. 400 m/min, A = 10 σ MD = 6 mm, σ CD = 6 mm σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm σ MD = 6 mm, σ CD = 12 mm σ MD = 12 mm, σ CD = 12 mm Seite 21

22 Stochastisches Modell: Einfluss Schlaufigkeit Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm A = 10 A = 15 A = 20 Seite 22

23 Stochastisches Modell: Überlag. period. Bewegung Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = Hz 250 Hz Amplitude ± 50mm 32 Hz 160 Hz Seite 23

24 Stochastisches Modell: Einfluss Bandgeschw. Spinnen 4800 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = 10, 160 Hz, Amplitude ± 50mm Band 100 m/min Band 200 m/min Band 400 m/min Band 800 m/min Seite 24

25 Stochastisches Modell: Überkritische Parameter Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = Hz, Ampl. ± 50mm 600 Hz, Ampl. ± 50mm 160 Hz, Ampl. ± 80mm 160 Hz, Ampl. ± 120mm Seite 25

26 Stochastisches Modell: Skalierungsinvarianz Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, 160 Hz, A = 10 Ampl. ± 25mm, σ MD 6 mm, σ CD 3 mm Ampl. ± 100mm, σ MD 24 mm, σ CD 12 mm 160 Hz, Ampl. ± 80mm 160 Hz, Ampl. ± 120mm Seite 26

27 Stochastisches Modell: Einfluss Oszillationsrichtung Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = Hz 250 Hz Amplitude ± 50mm 50 Hz 250 Hz Seite 27

28 Stochastisches Vlies: Überlagerung period. Bewegung Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = 10 Ampl. ± 50mm 50 Hz 250 Hz 32 Hz 160 Hz Seite 28

29 Stochastisches Vlies: Einfluss Filamentanordnung Spinnen 4800 m/min, Band 400 m/min, σ MD = 12 mm, σ CD = 6 mm, A = 10 Ampl. ± 50mm 50 Hz 250 Hz 50 Hz, 45 synchron 250 Hz, 45 synchron Seite 29

30 Zusammenfassung Modellierung und Simulation der Fadendynamik unter Einbeziehung der stochastischen Wirkungen Entwicklung des Softwarewerkzeugs FIDYST Technologiesprung durch simulationsbasierte Neuauslegung des Ablageprozesses Identifikation der stochastischen Kenngrößen in der Ablage Modellierung der Ablage als stochastischer Prozess Bewertung verschiedener Ablagestrategien und der relevanten Einflussfaktoren Seite 30