Polymer-Spinnpakete strömungsdynamisch auslegen

13.5.2019

© Fraunhofer ITWM

Das Schmelzspinnen ist das gängigste Verfahren, um aus Kunststoff Fasern zu produzieren. Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) nutzt Simulations- und Optimierungsmethoden, um Kunden bei der Entwicklung, Auslegung und Verbesserung von Spinnpaketen zu unterstützen.

Spinnpakete sind bei der Herstellung von synthetischen Fasern und Vliesstoffen im Einsatz. Das Spinnpaket ist ein Metallblock und besteht im Inneren aus Hohlräumen und feinen Kanälen, durch die Polymerschmelze – also geschmolzener Kunststoff – strömt. Die 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.

Analyse und Simulation liefert Blick ins Innere des Spinnpakets

Am Anfang der Arbeit steht immer eine strömungsdynamische Analyse des Ist-Zustandes. Die Strömung im Spinnpaket simulieret das Fraunhofer ITWM unter Berücksichtigung des besonderen Verformungs- und Fließverhaltens von Polymeren. Mithilfe spezieller Werkzeuge werden dann Verweilzeiten und Druckverläufe ausgewertet.

Die Analyse liefert gezielt Hinweise, welche Komponenten des Spinnpaketes verbessert werden müssen. Häufig treten in Hohlräumen deutlich erhöhte Verweilzeiten auf. Dies ist schädlich, da das Polymer nach einiger Zeit unter der Temperaturbelastung zerfällt. Um dies zu verhindern, nutzen die Experten des ITWM Formoptimierung für die Auslegung von Bauteilen mit sehr geringer und gleichmäßiger Verweilzeitverteilung. Genauso werden durch die Analyse starke Druckerzeuger sichtbar und die entsprechenden Komponenten können angepasst werden.

Diese simulationsgestützte Analyse ermöglicht einen Blick in das Spinnpaket, der sonst verborgen bleibt. Das ist der entscheidende Vorteil bei der 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.

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