Faserablage von Schmelzspinnfilamenten – Modellierung, Simulation und experimentelle Validierung mittels Bikomponentenfasern

• Antragsteller: Dr. Andre Schmeißer; Professor Dr. Dirk W. Schubert
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566051421

Das Schmelzspinnen von synthetischen Fasern zur Herstellung von Spinnvliesen hat in der Kunststoffverarbeitung an Bedeutung gewonnen, insbesondere für Produkte wie Filter, Hygiene-artikel und Atemschutzmasken. Der derzeitige Stand der Technik umfasst u.a. Spunbond- und Meltblown-Verfahren sowie kombinierte Anlagen (z.B. SMS), deren Effizienz und Produktqualität jedoch durch die Inhomogenität der Vliesstrukturen, bekannt als Wolkigkeit, beeinträchtigt werden. Obwohl diese Prozesse industriell etabliert sind, ist insbesondere der wichtige Aspekt der Faserablage, der die Homogenität des Vliesmusters bestimmt, bisher wenig theoretisch untersucht: Prinzipbedingt treffen hierbei durch Aerodynamik und Mechanik stochastische und deterministische Effekte aufeinander, deren komplexes Zusammenspiel wissenschaftlich nicht hinreichend verstanden ist. Der stochastische Einfluss ist für den Prozess grundlegend notwendig, muss aber für die Qualität des Produkts kontrolliert werden können. Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, ein experimentell validiertes Simulationsmodell zu entwickeln, mit dem die Faserablage optimiert und die Homogenität der Vliesstoffe verbessert werden kann. Konkret werden an Hand des Spunbond-Verfahrens die Effekte der turbulenten Luftströmung, der Biegesteifigkeit der Faser und der Faser-Faser-Interaktion untersucht, wobei Bikomponenten-Fasern eingesetzt werden, um die Biegesteifigkeit zu variieren, ohne den Faserdurchmesser zu ändern. Dies ermöglicht erstmals die genannten Effekte experimentell zu trennen. Die Methodik kombiniert experimentelle Ansätze mit Simulationen, um Experimente durch virtuelle Versuchsreihen zu ersetzen oder zu ergänzen. Es wird erwartet, dass damit die Produktqualität erhöht und Materialeinsparungen von bis zu 15 % ermöglicht werden, was ein signifikantes wirtschaftliches Verwertungspotenzial bietet. Langfristig soll das Projekt nicht nur das Prozessverständnis vertiefen, sondern auch eine neue Methodik zur Untersuchung verschiedener Spinnprozesse entwickeln und die Modellierung der Wechselwirkungen in turbulenter Luftströmung vorantreiben, wodurch ein breiterer wissenschaftlicher Erkenntnisgewinn erzielt und durch Materialeinsparung zur Schonung von Ressourcen beigetragen werden kann. Die Modellierung der Wechselwirkung von Fasern in turbulenter Luftströmung ist nicht prozessspezifisch und ermöglicht es erst, diese überhaupt im Detail simulierbar zu machen. Das validierte Modell bildet damit auch die Grundlage für komplexere Prozesse wie Meltblown, bei denen der vorgesehene Abgleich der eingesetzten Luftkraftmodelle nicht wie in diesem Prozess möglich ist. Das Gesamtziel dieses Projekts ist es, ein experimentell validiertes Simulationsmodell zu entwickeln, um die Faserablage gezielt optimieren zu können. Als praktischer Nachweis für die Zielerreichung wird dieses Simulationsmodell verwendet, um exemplarisch unter Ausnutzung des Coanda-Effekts die Homogenität von Spinnvliesmustern zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen