Термостойкие материалы для авиационных турбин, предметов гигиены и одежды часто изготавливаются из полимерных волокон: они, в свою очередь, состоят из многочисленных микрометровых нитей, которые скручены вместе. Нити изготавливаются с использованием процессов прядения - процесс, который несколько напоминает пресс для спагетти. Полимер сначала смешивают с растворителем, чтобы сделать его более вязким, то есть более жидким. Эта вращающаяся масса продавливается через вращающуюся пластину, своего рода сито с тысячами микроотверстий.
Образующиеся ультратонкие нити падают через стержень длиной в несколько метров, где они высыхают воздухом или газом и, таким образом, освобождаются от растворителя. Отдельные нити намотаны на большие рулоны в нижней части вала. До сих пор не было возможности смоделировать такие прядильные процессы в полном объеме - процессы слишком сложны, и имитировать миллиарды крошечных космических ячеек. Чтобы оптимизировать процессы, компании пришлось потратить более 100 000 евро на дорогую пилотную установку и протестировать каждый из бесчисленных параметров.
Картинная галерея
Полная аэродинамика системы в результате
Исследователи из Института промышленной математики им. Фраунгофера ITWM в Кайзерслаутерне впервые разработали инструмент моделирования, который отображает процессы прядения с тысячами волокон. «Наше моделирование регистрирует не только взаимодействие всех волокон с потоком газа, но и концентрацию растворителя в каждом отдельном волокне», - объясняет доктор. Вальтер Арне, научный сотрудник Fraunhofer ITWM. «В результате вы получаете не только полную аэродинамику системы, такую как поле скорости и температуры и распределение растворителя, но и все соответствующие переменные состояния вдоль волокна, такие как температура».
Для производственных компаний это означает, что они могут быстро и легко разобраться в проблемах производственного процесса, лучше понять соответствующие параметры и относительно легко преобразовать новые производственные процессы в большие объемы. Пример: если турбулентность в валу слишком велика, чтобы отдельные нити сталкивались и время от времени слипались, доктор Арне и его коллеги используют моделирование для исследования управления потоком и оптимизации его с помощью новых компонентов, чтобы эта проблема больше не возникала. Результат: снижается производственный лом, повышается качество нитей.
Несколько шагов расчета подряд
Различные новые функции позволили исследовательской группе Fraunhofer ITWM сохранить управляемость моделирования. «Прежде всего, мы начнем с тока в шахте, как это было бы без нитей. Мы не рассматриваем сами волокна как трехмерные протяженные объекты, а как одномерные кривые », - объясняет Арне. Тем не менее, нити не только колеблются в потоке, они также воздействуют на поток в обратном направлении. Поскольку они движутся к земле со скоростью от 1 до 10 м / с, они разгоняют воздух вокруг себя - подобно тому, как это делает проходящий поезд. Чтобы учесть это взаимное взаимодействие при моделировании, исследователи последовательно выполняют несколько этапов расчета. Таким образом, на первом этапе они начинают поток без нитей. Исходя из этого, они рассчитывают движение и параметры филаментов и, в свою очередь, подают эти данные в расчет потока. Таким образом, симуляция вычисляет «по кругу», это также называется итерацией, пока не будет достигнуто равновесие и значения больше не изменятся.
СОВЕТ КНИГИ С бионическими процессами компоненты могут быть сконструированы так, чтобы они выполняли свои структурно-механические функции с минимальными усилиями. Практическое пособие «Бионика в структурной оптимизации» является справочным пособием по ресурсосберегающему облегченному строительству для дизайнеров, разработчиков и студентов.
Одномерное представление
Однако моделирование пока не дает никакой информации, которая имеет отношение к оптимизации процесса прядения: как растворитель распределяется в нитях? Поскольку из-за потока воздуха они очень быстро высыхают снаружи, растворитель остается в течение длительного времени. Но нити рассматриваются одномерно - как будто они не имеют расширения и, следовательно, не имеют поперечного сечения. Трехмерный вид выходит за рамки возможного. Здесь также ученые достигают «мешка с уловками»: они придерживаются одномерного представления, но добавляют еще один компонент, а именно радиальное распределение растворителя. Сколько растворителя находится внутри нити, сколько на краю?
СОВЕТ ПО СЕМИНАРУ Семинар "Строительная бионика" дает обзор возможностей бионики в разработке новых продуктов. Участники идут на бионический поиск решений и изучают принципы оптимизации бионической формы.
Следующая информация
Понимание ранее недоступных частей процесса прядения
Само моделирование готово к использованию, и исследователи уже оптимизировали различные процессы прядения для клиентов. Майкл Ротманн, глава отдела разработки в BJS Ceramics, с энтузиазмом говорит: «В нашем текущем сотрудничестве весь процесс прядения может быть смоделирован впервые - мы смогли получить представление о ранее недоступных частях процесса. Эти результаты позволяют нам проводить более целенаправленную оптимизацию процессов в будущем и, таким образом, сокращать наши циклы разработки ». В другом проекте исследователи Fraunhofer хотят продолжить разработку инструмента моделирования, чтобы он мог работать в качестве программного обеспечения для самих компаний-производителей. Согласно плану, программное обеспечение будет лицензировано примерно через три года.