基于FIDYST的紡黏法、熔噴法和氣流成網工藝的優化設計

S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德國)

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基于FIDYST的紡黏法、熔噴法和氣流成網工藝的優化設計

S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德國)

摘要：德國Fraunhofer ITWM研究所開發了一款針對非織造產品生產工藝優化的仿真工具。纖維動態仿真(FIDYST)軟件可模擬受氣流影響的纖維及其與機械部件的接觸情形。軟件通過評估非織造布質量勻整性變異系數，自動判斷非織造布的品質，因而可以通過該軟件優化紡黏法、熔噴法和氣流成網工藝。

關鍵詞：纖維動態仿真(FIDYST)；紡黏法；熔噴法；氣流成網工藝

纖維動態仿真(FIDYST)軟件是一款針對紊亂氣流狀態下纖維動態的大致模擬軟件，具有較廣的應用范圍，FIDYST對產業用紡織品的生產調節非常重要。

采用FIDYST對非織造工藝進行優化的過程遵循工藝仿真、試驗驗證和工藝優化的流程。首先，通過FIDYST模擬產品參考工藝方案；然后，將模擬結果與測量結果進行比較，驗證模擬結果；最后，確定工藝影響因子。值得一提的是，工藝中所有測得的影響因素都是可以量化的。工藝分析可以應用于設備的再創新設計，或對操作條件分別優化。在實際操作中，最優目標經常會沖突，制造商一方面希望產品生產效率最大化且終端產品質量佳，另一方面又希望能耗和原材料損耗最低。通過仿真，可以對非織造產品加工工藝的最佳操作條件進行再設計。后文將按照設計流程的每個步驟，演示FIDYST的應用。

1紊亂氣流狀態下的纖維動態

仿真模擬的第一步是構建車間設備的計算機輔助設計(CAD)模型。根據參考方案的工藝參數，可完成氣流的計算流體動力學(CFD)模擬，FIDYST采用開放的運行記錄數據格式——EnSight Gold文件格式,任何流場求解都可以用CFD模擬，尤其是ANSYS公司的商業仿真工具(Fluent, CFX)，更是該領域支持這種數據格式的領導者。后臺輸入的機械設備參數可自動進行預處理，用于纖維的動態模擬。

下一步是開發工程師定義纖維的材料參數。關于這一點，FIDYST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，FIDYST專家提供了高級設置的定義方法，如，可定義隨時間變化的材料參數。例如，可通過解析式修正纖維直徑，反映紡絲工藝過程中的不規律性，同時，入口處纖維的平均速率甚至入口位置都可設定為時間的函數，實現紡絲工藝過程中絲束擺動或旋轉的模擬。

最后，產品開發工程師選定纖維動態仿真模擬的時段。接下來，規定并設置模擬結果的輸出。所有設定的默認值都是預先定義好的。因此，纖維動態仿真領域的初學者經過短期培訓后，都可以利用FIDYST軟件改進非織造生產工藝。由于FIDYST通過EnSight Gold格式導出纖維的動態仿真結果，輸出結果可以通過統計分析，用標準化的后處理工具展示。

產品開發工程師可根據纖維動態模擬分析結果，優化生產工藝。作為實例，這里給出了Autefa公司所供方案正在進行的參數模擬結果(圖1)。

(a) 不含纖維的流場模擬

(b) 含纖維的流場模擬

圖1中，彩色表示切斷氣流速度；灰色表示旋轉梳理錫林、擋板管和網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到傳送帶的過程。該研究旨在優化K12氣流成網工藝，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)。纖維試樣的平均長度為51 mm。模擬結果顯示，由于不同的纖維慣性，噴射軌跡發生變化。擋板管補償了纖維因不同運動軌跡而產生的分離效應。由模擬結果還可以看出，雙組分纖維的平均飛行時間比單組分纖維短。

2虛擬非織造產品的生產

FIDYST主要模擬纖維在流場中的動態變化(圖2和圖3)，仿真軟件可在中等計算能力的計算機(如筆記本電腦)中運行。實際操作中纖維可合理仿真的數量少于1 000根，但為了判斷非織造布的品質，必須有上千根纖維形成非織造結構，SURRO軟件由此產生。SURRO可形成微結構，通過自動計算相關變異系數預測基準質量的均勻性，它還可以進一步分析產品橫向和縱向的質量分布。

實際非織造結構由紡絲束產生，研發人員通過單獨噴嘴的過程引導，可單獨定義每個紡絲位置，或同時排列一整排的紡絲位置。之后輸入工藝操作條件，對于簡單的直線型運動傳送帶，可以有效定義紡絲速率和傳送帶速度。而對于更加復雜的運動情況，如紡絲束的擺動，其相對于傳送帶的運動控制可以通過解析式給出。

纖維的最終表現特征從FIDYST模擬結果中導入，按下計算按鈕后，幾秒鐘就可以模擬出非織造布的結構。

(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面積內放大的仿真織物切片　　(b) SURRO軟件顯示的產品質量均勻性評價　　(c) 三維微結構

3結語

應用FIDYST軟件，Fraunhofer ITWM公司的研究人員開發出優化非織造產品生產工藝的新型仿真模擬軟件。基于此，紡織工業有了新的工具，可幫助工程師設計低能耗、高效率的設備，確定優化操作條件，進而降低原材料消耗，提高產品質量和生產效率。

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