Methodik zur Steigerung der Homogenität von im Faserblasverfahren hergestellten Langfaserpreforms
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Vorhabens war es, einen Beitrag zum Aufbau von Prozesswissen für das Faserblasverfahren zu leisten sowie darauf aufbauend eine Regelung zur Optimierung des Prozesses zu entwickeln. Mittels eines relationsorientierten Funktionsmodells wurde der Prozessablauf im Faserblaverfahren analysiert. Dadurch konnten die wesentlichen Funktionen und deren Zusammenhang beschrieben und der Einblasvorgang aufgrund des inkonstanten Faservolumenstroms als kritischer Prozessschritt identifiziert werden. Anschließend erfolgte eine systematische Analyse der prozessspezifischen Einflussgrößen auf den Einblasvorgang. Die Zusammenhänge zwischen einzelnen an der Anlage einstellbaren Parametern und den resultierenden Prozessgrößen wurden analytisch beschrieben oder in experimentellen Versuchen ermittelt. Die mit Hilfe der existierenden Prozessüberwachung am Ende eines Einblasvorganges aufgenommenen Durchlichtaufnahmen ermöglichen die zerstörungsfreie Charakterisierung der Preforms. Zur Bewertung der Homogenität wurden mehrere Methoden aus der Literatur mittels simulierter Testbilder und realer Aufnahmen untersucht. Die Berechnung eines Homogenitätsindexes auf Basis des quadrantenbasierten Variationskoeffizienten zeigt hierbei die höchste Genauigkeit und Stabilität. Für die Bestimmung der Faserorientierung wurde ein Methodenset entwickelt. Mit der quadrantenbasierten schnellen Fourier Transformation wird die Faserorientierungsverteilung bestimmt. Die Weiterentwicklung der Struktur-Tensor-Methode erlaubt die Bestimmung der lokalen Faserorientierung der Preforms. Die Identifikation der Einflüsse der Prozessparameter auf die mittels der entwickelten bildbasierten Methoden bestimmten Preformeigenschaften, wird durch eine experimentelle Parameterstudie auf Basis einer statistischen Versuchsplanung durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass sich das Flächengewicht der Preforms hauptsächlich durch eine Verdichtung der Fasern in Einblasrichtung ergibt. Wesentliche Einflussgrößen hierauf sind die Einblasgeschwindigkeit und der Faservorschub. Der Einblasspalt hat lediglich einen geringen Einfluss. Die Homogenität der hergestellten Preforms schwankt sehr stark, was auf die Bildung von Faserknäueln in der Förderstrecke zurückzuführen ist. Im Rahmen dieser Arbeit kann festgestellt werden, dass lediglich die durch den Faservorschub definierte Menge an eingeblasenen Fasern pro Zeit einen signifikanten Einfluss auf die Homogenität der Preforms hat. Die Verringerung des Faservorschubs beeinflusst die Homogenität dabei positiv. Im Vergleich zu industriell gefertigten Vliesen weisen die fasergeblasenen Preforms jedoch eine geringere Homogenität auf. Weiterhin wird unabhängig der gewählten Einblasparameter eine starke Orientierung der Fasern quer zur Einblasrichtung festgestellt, welche im Mittel einem Anisotropieverhältnis von 2,69 entspricht. Zum Ausgleich des inkonstanten Faservolumenstroms erfolgten der Aufbau einer Regelung des Einblasprozesses und deren Implementierung in der Faserblas-Versuchsanlage. Auf Basis der aktuellen Lage der Faserfront wird die Düsenbewegung geregelt, um eine möglichst gleichmäßige Formfüllung zu erreichen. Die Validierung der Regelung zeigt, dass eine gleichmäßigere Formfüllung erreicht wird. Es wird jedoch keine Verbesserung der Homogenität durch die Regelung aufgrund des negativen Einflusses der Faserknäuel erreicht. Die Betrachtung des Preformgewichts zeigt allerdings, dass die Reproduzierbarkeit der Preforms durch die Regelung des Einblasprozesses um nahezu Faktor 3 gesteigert wird. Die Ergebnisse des Projektes führen zu einem verbesserten Verständnis des Einblasprozesses im Faserblasverfahren. Insbesondere sind die relevanten Prozessparameter identifiziert, ihr Einfluss auf die Eigenschaften der hergestellten Preforms herausgestellt und die zugrundeliegenden Mechanismen beschrieben. Die gewonnen Erkenntnisse können qualitativ auch auf die Herstellung von Faserformteilen jenseits des Anwendungsfall als Preform übertragen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Analysis of Basis Weight Uniformity Indexes for the Evaluation of Fiber Injection Molded Nonwoven Preforms. Autex Research Journal, 21(3), 341-351.
Moll, Patrick; Wang, Shaofan; Coutandin, Sven & Fleischer, Jürgen
-
Fiber orientation measurement of fiber injection molded nonwovens by image analysis. Textile Research Journal, 91(5-6), 664-680.
Moll, Patrick; Wang, Shaofan; Coutandin, Sven & Fleischer, Jürgen
-
“Ressourceneffiziente Herstellung von Langfaser-Preforms im Faserblasverfahren“, Dissertation, wbk Institut für Produktionstechnik, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Moll, P.
-
Image based control system for improving fiber injection molding process. Procedia CIRP, 112, 430-435.
Moll, Patrick; Xu, Junjie; Coutandin, Sven & Fleischer, Jürgen
