Spinnende polymeerfilamenten, bijvoorbeeld voor persoonlijke verzorgingsartikelen, is zeer complex:het simuleren van de betrokken processen is te veel voor de huidige beschikbare rekenkracht. Fraunhofer-onderzoekers hebben met succes nieuwe benaderingen toegepast om de berekeningen die nodig zijn voor simulatie te vereenvoudigen. Nu kunnen voor het eerst complete spinprocessen worden gesimuleerd, de processen beter te begrijpen en de optimalisatie ervan sterk te vereenvoudigen.

Hittebestendige materialen voor vliegtuigturbines, persoonlijke verzorgingsartikelen en kleding worden vaak gemaakt met polymeervezels. Deze vezels bestaan ​​uit een groot aantal filamenten met een diameter in de orde van enkele micrometers die met elkaar verweven zijn. De filamenten worden geproduceerd met behulp van spinprocessen die in zekere zin lijken op een noedelpers die wordt gebruikt om spaghetti te maken. Eerst wordt het polymeer gemengd met een oplosmiddel om het viskeus te maken, d.w.z. vloeiender, zodat het door een draaiende plaat kan worden gedrukt, een soort zeef met duizenden microgaatjes. De resulterende ultrafijne filamenten vallen vervolgens door een kanaal van enkele meters lang. Tijdens het vallen worden ze droog geblazen met lucht of gas, waardoor het oplosmiddel wordt verwijderd. De afzonderlijke filamenten worden op grote spoelen op de bodem van het kanaal gewikkeld. Tot nu toe was het niet mogelijk om dergelijke spinprocessen in hun geheel te simuleren:ze zijn simpelweg te complex, waarvoor de simulatie van miljarden oneindig kleine ruimtelijke cellen nodig is. In het verleden moesten bedrijven die spinprocessen wilden optimaliseren, een proefsysteem aanschaffen dat enkele honderdduizenden euro's kostte en vervolgens tests uitvoeren voor elk van de talloze parameters.

Nauwkeurige simulatie van het volledige proces

Nu hebben onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM in Kaiserslautern voor het eerst een tool ontwikkeld waarmee spinprocessen met duizenden filamenten kunnen worden gesimuleerd. "Onze simulatie reproduceert de oplosmiddelconcentratie in elk afzonderlijk filament, evenals de onderlinge interacties van alle filamenten met de gasstroom, " zegt dr. Walter Arne, onderzoeksmedewerker bij Fraunhofer ITWM. "De resulterende simulatie vertegenwoordigt niet alleen de volledige aerodynamische situatie van het systeem, bijvoorbeeld snelheids- en temperatuurprofielen en oplosmiddelverdeling, het genereert ook de relevante toestandsvariabelen langs de filamenten, bijvoorbeeld temperatuur." Dit betekent dat maakbedrijven snel en eenvoudig problemen in het productieproces kunnen doorgronden, kunnen hun begrip van de beslissende parameters vergroten en nieuwe productieprocessen relatief gemakkelijk opschalen. Een voorbeeld:Wanneer turbulentie-effecten in het kanaal zo sterk zijn dat de afzonderlijke filamenten herhaaldelijk met elkaar in contact komen en aan elkaar plakken, Dr. Arne en zijn collega's kunnen de simulatie gebruiken om de gasstroom te onderzoeken en te optimaliseren met nieuwe onderdelen om het probleem op te lossen. Dit vermindert productieverspilling en verhoogt de filamentkwaliteit.

Doelstelling bereikt met behulp van verschillende vereenvoudigingen

Verschillende nieuwe functies hebben het voor het Fraunhofer ITWM-onderzoeksteam mogelijk gemaakt om de complexiteit van de simulatie op een beheersbaar niveau te houden. "We beginnen met de gasstroom in het kanaal zoals het zou zijn zonder de aanwezigheid van de filamenten. We beschouwen de filamenten zelf niet als driedimensionale objecten, maar eerder als eendimensionale krommen, " legt Arne uit. Maar, niet alleen "dansen" de filamenten in de gasstroom, ze hebben ook invloed op de stroom terwijl ze dit doen. Naar beneden schieten met een snelheid van maximaal tien meter per seconde, de filamenten versnellen ook de omringende lucht, ongeveer op dezelfde manier als een snel rijdende trein de lucht eromheen beweegt. De onderzoekers maken verschillende opeenvolgende rekenstappen om deze onderlinge interactie in de simulatie te dekken. In de eerste stap beginnen ze met de stroom zonder de filamenten. Op basis van deze stroomsituatie, zij berekenen de gloeidraadparameters en voeren deze gegevens mee in de berekeningen over de gasstroom. De simulatie voert vervolgens iteraties van deze berekeningen uit totdat een gebalanceerde toestand is bereikt en de waarden niet langer veranderen.

Echter, deze simulatie levert nog steeds geen informatie op over één essentieel aspect van het spinproces, namelijk hoe het oplosmiddel in de filamenten is verdeeld. Dit is belangrijk omdat het buitenoppervlak van de filamenten die aan de luchtstroom worden blootgesteld zeer snel droogt, terwijl het oplosmiddel geruime tijd in de filamenten blijft. Maar de filamenten worden beschouwd alsof ze eendimensionaal zijn, alsof ze geen breedte en dus geen doorsnede hadden. Een driedimensionale weergave zou de grenzen van het haalbare te boven gaan. Ook hier hebben de wetenschappers iets in hun "trukendoos". Ze houden vast aan de eendimensionale weergave, maar ze voegen een extra component toe, de radiale verdeling van het oplosmiddel. Hoeveel oplosmiddel zit er in het filament, en hoeveel op het buitenoppervlak?

In wezen is de simulatie klaar voor gebruik:de onderzoekers hebben hem al gebruikt om verschillende spinprocessen voor hun klanten te optimaliseren. Michaël Rothmann, hoofd ontwikkeling bij BJS Keramiek, is enthousiast:"Onze huidige samenwerking maakte het voor het eerst mogelijk om het volledige spinproces te simuleren. Dit gaf ons inzicht in deelgebieden van het proces die in het verleden ontoegankelijk waren. Deze resultaten zullen het ons in de toekomst mogelijk maken om meer gerichte procesoptimalisatie door te voeren en zo onze ontwikkelcycli te verkorten." De Fraunhofer-onderzoekers zijn van plan de simulatietool in een aanvullend project verder te ontwikkelen, zodat productiebedrijven de software zelf op hun eigen terrein kunnen draaien. Als alles volgens plan verloopt, licenties voor de software zullen naar verwachting over ongeveer drie jaar beschikbaar zijn.