S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德國(guó))

?

基于FIDYST的紡黏法、熔噴法和氣流成網(wǎng)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德國(guó))

摘要：德國(guó)Fraunhofer ITWM研究所開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)非織造產(chǎn)品生產(chǎn)工藝優(yōu)化的仿真工具。纖維動(dòng)態(tài)仿真(FIDYST)軟件可模擬受氣流影響的纖維及其與機(jī)械部件的接觸情形。軟件通過(guò)評(píng)估非織造布質(zhì)量勻整性變異系數(shù)，自動(dòng)判斷非織造布的品質(zhì)，因而可以通過(guò)該軟件優(yōu)化紡黏法、熔噴法和氣流成網(wǎng)工藝。

關(guān)鍵詞：纖維動(dòng)態(tài)仿真(FIDYST)；紡黏法；熔噴法；氣流成網(wǎng)工藝

纖維動(dòng)態(tài)仿真(FIDYST)軟件是一款針對(duì)紊亂氣流狀態(tài)下纖維動(dòng)態(tài)的大致模擬軟件，具有較廣的應(yīng)用范圍，F(xiàn)IDYST對(duì)產(chǎn)業(yè)用紡織品的生產(chǎn)調(diào)節(jié)非常重要。

采用FIDYST對(duì)非織造工藝進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程遵循工藝仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證和工藝優(yōu)化的流程。首先，通過(guò)FIDYST模擬產(chǎn)品參考工藝方案；然后，將模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模擬結(jié)果；最后，確定工藝影響因子。值得一提的是，工藝中所有測(cè)得的影響因素都是可以量化的。工藝分析可以應(yīng)用于設(shè)備的再創(chuàng)新設(shè)計(jì)，或?qū)Σ僮鳁l件分別優(yōu)化。在實(shí)際操作中，最優(yōu)目標(biāo)經(jīng)常會(huì)沖突，制造商一方面希望產(chǎn)品生產(chǎn)效率最大化且終端產(chǎn)品質(zhì)量佳，另一方面又希望能耗和原材料損耗最低。通過(guò)仿真，可以對(duì)非織造產(chǎn)品加工工藝的最佳操作條件進(jìn)行再設(shè)計(jì)。后文將按照設(shè)計(jì)流程的每個(gè)步驟，演示FIDYST的應(yīng)用。

1紊亂氣流狀態(tài)下的纖維動(dòng)態(tài)

仿真模擬的第一步是構(gòu)建車(chē)間設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型。根據(jù)參考方案的工藝參數(shù)，可完成氣流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬，F(xiàn)IDYST采用開(kāi)放的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)格式——EnSight Gold文件格式,任何流場(chǎng)求解都可以用CFD模擬，尤其是ANSYS公司的商業(yè)仿真工具(Fluent, CFX)，更是該領(lǐng)域支持這種數(shù)據(jù)格式的領(lǐng)導(dǎo)者。后臺(tái)輸入的機(jī)械設(shè)備參數(shù)可自動(dòng)進(jìn)行預(yù)處理，用于纖維的動(dòng)態(tài)模擬。

下一步是開(kāi)發(fā)工程師定義纖維的材料參數(shù)。關(guān)于這一點(diǎn)，F(xiàn)IDYST提供了幫助工具。至少纖維密度和彈性模量必須由工程師輸入。在模擬方面，F(xiàn)IDYST專(zhuān)家提供了高級(jí)設(shè)置的定義方法，如，可定義隨時(shí)間變化的材料參數(shù)。例如，可通過(guò)解析式修正纖維直徑，反映紡絲工藝過(guò)程中的不規(guī)律性，同時(shí)，入口處纖維的平均速率甚至入口位置都可設(shè)定為時(shí)間的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)紡絲工藝過(guò)程中絲束擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的模擬。

最后，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師選定纖維動(dòng)態(tài)仿真模擬的時(shí)段。接下來(lái)，規(guī)定并設(shè)置模擬結(jié)果的輸出。所有設(shè)定的默認(rèn)值都是預(yù)先定義好的。因此，纖維動(dòng)態(tài)仿真領(lǐng)域的初學(xué)者經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)后，都可以利用FIDYST軟件改進(jìn)非織造生產(chǎn)工藝。由于FIDYST通過(guò)EnSight Gold格式導(dǎo)出纖維的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，輸出結(jié)果可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，用標(biāo)準(zhǔn)化的后處理工具展示。

產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師可根據(jù)纖維動(dòng)態(tài)模擬分析結(jié)果，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。作為實(shí)例，這里給出了Autefa公司所供方案正在進(jìn)行的參數(shù)模擬結(jié)果(圖1)。

(a) 不含纖維的流場(chǎng)模擬

(b) 含纖維的流場(chǎng)模擬

圖1中，彩色表示切斷氣流速度；灰色表示旋轉(zhuǎn)梳理錫林、擋板管和網(wǎng)狀成型輥的幾何形狀；橘色為

100根雙組分維，白色為100根單組分纖維，示意的是碰撞至擋板管后移動(dòng)到傳送帶的過(guò)程。該研究旨在優(yōu)化K12氣流成網(wǎng)工藝，采用FIDYST模擬線密度為4.4 dtex的雙組分纖維(芯部為聚苯醚砜，外層為聚酯)和線密度為6.7 dtex的單組分纖維(聚酯)。纖維試樣的平均長(zhǎng)度為51 mm。模擬結(jié)果顯示，由于不同的纖維慣性，噴射軌跡發(fā)生變化。擋板管補(bǔ)償了纖維因不同運(yùn)動(dòng)軌跡而產(chǎn)生的分離效應(yīng)。由模擬結(jié)果還可以看出，雙組分纖維的平均飛行時(shí)間比單組分纖維短。

2虛擬非織造產(chǎn)品的生產(chǎn)

FIDYST主要模擬纖維在流場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)變化(圖2和圖3)，仿真軟件可在中等計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)(如筆記本電腦)中運(yùn)行。實(shí)際操作中纖維可合理仿真的數(shù)量少于1 000根，但為了判斷非織造布的品質(zhì)，必須有上千根纖維形成非織造結(jié)構(gòu)，SURRO軟件由此產(chǎn)生。SURRO可形成微結(jié)構(gòu)，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算相關(guān)變異系數(shù)預(yù)測(cè)基準(zhǔn)質(zhì)量的均勻性，它還可以進(jìn)一步分析產(chǎn)品橫向和縱向的質(zhì)量分布。

實(shí)際非織造結(jié)構(gòu)由紡絲束產(chǎn)生，研發(fā)人員通過(guò)單獨(dú)噴嘴的過(guò)程引導(dǎo)，可單獨(dú)定義每個(gè)紡絲位置，或同時(shí)排列一整排的紡絲位置。之后輸入工藝操作條件，對(duì)于簡(jiǎn)單的直線型運(yùn)動(dòng)傳送帶，可以有效定義紡絲速率和傳送帶速度。而對(duì)于更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況，如紡絲束的擺動(dòng)，其相對(duì)于傳送帶的運(yùn)動(dòng)控制可以通過(guò)解析式給出。

纖維的最終表現(xiàn)特征從FIDYST模擬結(jié)果中導(dǎo)入，按下計(jì)算按鈕后，幾秒鐘就可以模擬出非織造布的結(jié)構(gòu)。

(a) 仿真軟件截圖　　　　　　　　　　　　(b) 用100根纖維模擬Oerlikon Neumag的紡黏工藝

(a) 1 cm2面積內(nèi)放大的仿真織物切片　　(b) SURRO軟件顯示的產(chǎn)品質(zhì)量均勻性評(píng)價(jià)　　(c) 三維微結(jié)構(gòu)

3結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用FIDYST軟件，F(xiàn)raunhofer ITWM公司的研究人員開(kāi)發(fā)出優(yōu)化非織造產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的新型仿真模擬軟件?；诖耍徔椆I(yè)有了新的工具，可幫助工程師設(shè)計(jì)低能耗、高效率的設(shè)備，確定優(yōu)化操作條件，進(jìn)而降低原材料消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

宮海飛 譯顏雪 校

Optimizing spunbond, meltblown, and airlay processes with FIDYST

SimoneGramsch,DietmarHietel,RaimundWegener

Fraunhofer Institute ITWM，Kaiserlautern/Germany

Abstract:At the Fraunhofer Institute ITWM in Kaiserlautern/Germany，a simulation tool was developed to optimize production processes of nonwovens. The software FIDYST simulates fibers driven by air and their contacts with machinery parts of the plant. By evaluating the CV values of the mass regularity，the quality of the nonwoven is automatically judged. Hence, spunbond,meltblown,and airlay processes can be optimized by using FIDYST.

Key words:FIDYST; spunbond； meltblown； airlay process