Es ist eine der ältesten Techniken der Menschheit: Das Spinnen. Klassische Spinnereien, die Fasern zu Garn verarbeiten, findet man in Europa jedoch kaum noch – der größte Teil der Chemiefasern wird heutzutage in China produziert. Die deutschen Faserherstellenden setzen deshalb auf „Neuentwicklungen mit hoher Wertschöpfung“: Ziel ist es, sich von der in Asien hergestellten Massenware abzugrenzen und sich trotzdem international zu behaupten. Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM unterstützt diese Vision und entwickelt eine Simulationssoftware, die ein breites Spektrum von Spinnprozessen virtuell abbildet und untersucht.

Die industrielle Forschung zur Produkt- und Prozessinnovation stößt auf rein experimenteller Basis an ihre Grenzen. Die Lösung: virtuelle Simulationen. Sie sparen reale Experimente, erlauben neue Einblicke, ermöglichen systematische Parametervariationen und lösen Upscaling-Probleme. Jedoch ist die Simulation von Spinnprozessen recht komplex, weil ganz unterschiedliche Arbeitsschritte schnell hintereinander ablaufen: Zunächst wird die geschmolzene oder gelöste Spinnmasse durch feine Düsen gepresst, so zu Fasern versponnen und zum Aushärten durch eine Kaltluftströmung oder ein Spinnbad geführt. In den letzten Jahren entwickelten die Experten des Fraunhofer ITWM ein Simulationstool, das auf die konkreten Anwendungsfälle der Industrie zugeschnitten ist: VISPI (Virtuelles Spinnen).

Viele Parameter und Datenbank mit Polymeren

Die graphische Oberfläche des Tools erlaubt es den Nutzenden, alle benötigten Randbedingungen, darunter Positionen und Durchmesser der Düsen im Spinnpaket, einzugeben. Auch der Massenfluss beziehungsweise die Spritzgeschwindigkeit sowie die Temperatur der Polymerfaser werden festgelegt und Dichte, spezifische Wärmekapazität und die Viskosität angegeben. Eine Materialdatenbank mit gängigen Polymeren ist in VISPI integriert.

Das Tool bildet den Spinnprozess zuverlässig virtuell ab, wodurch sowohl die strömungsdynamische Auslegung des Spinnschachts als auch die Anordnung der Filamente im Spinnpaket untersuchen werden können. Im Spinnschacht wird die Luft durch die Filamente erwärmt und nach unten mitgerissen. Dabei werden die hinteren Reihen nicht so effektiv abgekühlt, wie die Filamente, die nahe der Anblasung liegen. Dies spiegelt sich in unterschiedlichen Materialeigenschaften im finalen Produkt wider.

Erste Tests der Software verliefen vielversprechend – etwa an der Faserspinnanlage des LSP Lehrstuhls für Polymerwerkstoffe der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, dem Partner des Projekts. Die für die Software benötigten Materialeigenschaften verschiedener Polymere wurden vom Projektpartner gemessen und in die Datenbank der Software integriert. Zusätzlich konnte die Software für einige gesponnene Polymere validiert werden, indem man die gemessene versus simulierte Fadendurchmesser erfolgreich vergleichen konnte. Damit kommen die Forschenden ihrem Ziel einen großen Schritt näher: mathematische Algorithmen zu einer lizenzierbaren Simulationssoftware auszubauen.