Vliesstoffe sind eine bedeutende Ausgangsware für die Industrie geworden. Aber die Produktion unterschiedlicher Vliese war bislang auch ein Produkt von Versuch und Irrtum. Denn neue Qualitäten werden maßgeblich durch die Verfilzung der Fasern bestimmt. Und diese Verfilzung entsteht durch bislang nicht berechenbare Verwirbelungseffekte. Die neue Software FIDYST ist in der Lage, die Prozesse bei der Entstehung von Vlies zu prognostizieren. Sie ermöglicht es der den Herstellern damit erstmals, Vliesqualitäten »auf Knopfdruck« zu produzieren.

Unser Leben wäre ärmer ohne sie. Oder zumindest weniger komfortabel. Vliesstoffe haben sich in den vergangenen 50 Jahren zu einem omnipräsenten Bestandteil unseres Alltags entwickelt. Kein Interieur im Fahrzeug, kein Verbandsmittel, keine Polstermöbel und kaum ein Elektrokabel oder gar Kleidungsstück kommt ohne sie aus. Noch nicht einmal einen Teebeutel könnten wir sinnvoll nutzen ohne Vlies. Und Kleinkinder (beziehungsweise ihre Eltern) hätten ebenfalls Probleme: Ähnlich wie ein Großteil aller saugfähigen Hygieneartikel bestehen auch Windeln aus Vlies. Vlies deshalb als Massenprodukt zu bezeichnen, würde dem Stoff, der letztlich nur aus ineinander verschlungenen Fäden besteht, aber nicht gerecht. Denn Vlies ist nicht gleich Vlies. Es gibt Hunderte oder Tausende verschiedener Stoffkreationen, die diesen Namen tragen. Je nach Beschaffenheit und Länge der verwendeten Fäden, je nach Art, wie sie sich übereinanderlegen und je nachdem, wie viel Material pro Fläche verwendet wird unterscheidet sich jeder der Vliesstoffe teils grundlegend von seinen Namensvettern. Hinzu kommt die Art der Weiterverarbeitung.

Keiner wie der andere

Allen industriell gefertigten Vliesstoffen verhältnismäßig gleich ist das Prinzip ihrer Produktion. In der Regel werden die Fäden gezielt und bei bestimmten Temperaturen auf eine Fläche geblasen. Dabei verwirbeln sie in der Luft, verschlingen sich und fallen mehr oder weniger zufällig auf ein Transportband, wo sie weiter verfestigt werden. »Das Problem ist dieses Zufallsprinzip«, erklärt Simone Gramsch vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Je nach Einstellung der Gebläse entstehen spezifische Turbulenzen und damit Vliesqualitäten, die sich in Struktur, Dichte und Festigkeit unterscheiden. Wer also eine bestimmte Qualität produzieren will, muss auf Erfahrungen und Methoden von Versuch und Irrtum zurückgreifen. In einem Handwerksbetrieb mag das noch funktionieren, bei der industriellen Produktion aber bedeutet das unter anderem, dass die Anlage in der Versuchszeit keine Ware herstellt. Jede Umstellung der Produktion ist also riskant und teuer.

Die Simulation des Fallverhaltens von Vliesstoffen. Bild: Dr. Simone Gramsch

Projektleiterin Gramsch und ihre Kollegen haben an ihrem Institut nun etwas geschafft, was bislang als mathematisch ohne den Aufwand von Supercomputern kaum berechenbar galt, aber einem gesamten Industriezweig weltweit von Nutzen ist: Sie entwickelten eine Software für handelsübliche PCs, mit denen sich die Bewegungen von Fasern in den verwirbelten Luftströmungen simulieren lassen. Möglich wird das unter anderem, weil die dreidimensionalen Fasern eindimensional beschrieben werden. So wird die Komplexität massiv reduziert und die Berechnung PC-fähig. »Mit unserem Fiber Dynamics Simulation Tool FIDYST können Anwender die Bewegung der Fasern, ihr Fallen und die Ausrichtung, mit der sie auf einem Transportband landen, voraussagen«, erklärt Gramsch. Die Produktion wird dadurch nicht nur deutlich effizienter. Neue Vliesstoffe lassen sich entwickeln, ohne die Produktionskette in eine Versuchsstätte zu verwandeln.

Simulation von Vliesstoffprozessen

»FIDYST simuliert die Bewegung der Filamente, also der Fäden und Fasern in turbulenten Luftströmungen. Ein Textilunternehmen muss also nur noch die gewünschten Materialeigenschaften der Fasern eingeben. Das Programm simuliert dann das dynamische Verhalten von Tausenden Fäden. Sogar Fadengemische sind mit der Software simulierbar«, erklärt Gramsch. Nach der Berechnung lassen sich die Daten in »EnSight Gold Case« exportieren und anschließend visualisieren und analysieren. Das Format EnSight Gold Case ist Standard für die Analyse von Strömungsdynamiken. Die gewonnenen Erkenntnisse kann der Hersteller anschließend nutzen, um beispielsweise die Luftströmung gezielt zu optimieren. So entsteht eine Art Handlungsanleitung für ein Vlies mit der gewünschten Spezifikation - bei gleichzeitig niedrigerem Energie- und Rohstoffverbrauch. »Die Software-Simulation kann errechnen, wie durch eine veränderte Konfiguration der Maschine weniger Fasern nötig sind, um ein Vlies mit der gewünschten Struktur und Festigkeit zu produzieren«, betont Gramsch.

Textilhersteller können mit FIDYST ihre Maschinen für jedes Vliesprodukt präzise konfigurieren. Bild: Dr. Simone Gramsch

Von dem Fraunhofer-Tool profitieren nicht nur die Textilhersteller, die ihre Maschinen nun für jedes gewünschte Vliesprodukt präzise konfigurieren können. Auch Maschinenbauer können FIDYST nutzen, um möglichst effizient arbeitende und gleichzeitig flexible Anlagen zu konstruieren. Mittlerweile ist die Software so ausgereift, dass sie an Textilhersteller und Maschinenbauer lizenziert wird. Bei Bedarf bieten die Kaiserslauterer Forscher FIDYST auch in einem umfangreicheren Service-Paket an. (aku)

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