基于FIDYST的纺黏法、熔喷法和气流成网工艺的优化设计

S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德国)



基于FIDYST的纺黏法、熔喷法和气流成网工艺的优化设计

S．Gramsch, D. Hietel, R. Wegener

Fraunhofer ITWM研究所(德国)

摘要：德国Fraunhofer ITWM研究所开发了一款针对非织造产品生产工艺优化的仿真工具。纤维动态仿真(FIDYST)软件可模拟受气流影响的纤维及其与机械部件的接触情形。软件通过评估非织造布质量匀整性变异系数，自动判断非织造布的品质，因而可以通过该软件优化纺黏法、熔喷法和气流成网工艺。

关键词：纤维动态仿真(FIDYST)；纺黏法；熔喷法；气流成网工艺

纤维动态仿真(FIDYST)软件是一款针对紊乱气流状态下纤维动态的大致模拟软件，具有较广的应用范围，FIDYST对产业用纺织品的生产调节非常重要。

采用FIDYST对非织造工艺进行优化的过程遵循工艺仿真、试验验证和工艺优化的流程。首先，通过FIDYST模拟产品参考工艺方案；然后，将模拟结果与测量结果进行比较，验证模拟结果；最后，确定工艺影响因子。值得一提的是，工艺中所有测得的影响因素都是可以量化的。工艺分析可以应用于设备的再创新设计，或对操作条件分别优化。在实际操作中，最优目标经常会冲突，制造商一方面希望产品生产效率最大化且终端产品质量佳，另一方面又希望能耗和原材料损耗最低。通过仿真，可以对非织造产品加工工艺的最佳操作条件进行再设计。后文将按照设计流程的每个步骤，演示FIDYST的应用。

1紊乱气流状态下的纤维动态

仿真模拟的第一步是构建车间设备的计算机辅助设计(CAD)模型。根据参考方案的工艺参数，可完成气流的计算流体动力学(CFD)模拟，FIDYST采用开放的运行记录数据格式——EnSight Gold文件格式,任何流场求解都可以用CFD模拟，尤其是ANSYS公司的商业仿真工具(Fluent, CFX)，更是该领域支持这种数据格式的领导者。后台输入的机械设备参数可自动进行预处理，用于纤维的动态模拟。

下一步是开发工程师定义纤维的材料参数。关于这一点，FIDYST提供了帮助工具。至少纤维密度和弹性模量必须由工程师输入。在模拟方面，FIDYST专家提供了高级设置的定义方法，如，可定义随时间变化的材料参数。例如，可通过解析式修正纤维直径，反映纺丝工艺过程中的不规律性，同时，入口处纤维的平均速率甚至入口位置都可设定为时间的函数，实现纺丝工艺过程中丝束摆动或旋转的模拟。

最后，产品开发工程师选定纤维动态仿真模拟的时段。接下来，规定并设置模拟结果的输出。所有设定的默认值都是预先定义好的。因此，纤维动态仿真领域的初学者经过短期培训后，都可以利用FIDYST软件改进非织造生产工艺。由于FIDYST通过EnSight Gold格式导出纤维的动态仿真结果，输出结果可以通过统计分析，用标准化的后处理工具展示。

产品开发工程师可根据纤维动态模拟分析结果，优化生产工艺。作为实例，这里给出了Autefa公司所供方案正在进行的参数模拟结果(图1)。

(a) 不含纤维的流场模拟

(b) 含纤维的流场模拟

图1中，彩色表示切断气流速度；灰色表示旋转梳理锡林、挡板管和网状成型辊的几何形状；橘色为

100根双组分维，白色为100根单组分纤维，示意的是碰撞至挡板管后移动到传送带的过程。该研究旨在优化K12气流成网工艺，采用FIDYST模拟线密度为4.4 dtex的双组分纤维(芯部为聚苯醚砜，外层为聚酯)和线密度为6.7 dtex的单组分纤维(聚酯)。纤维试样的平均长度为51 mm。模拟结果显示，由于不同的纤维惯性，喷射轨迹发生变化。挡板管补偿了纤维因不同运动轨迹而产生的分离效应。由模拟结果还可以看出，双组分纤维的平均飞行时间比单组分纤维短。

2虚拟非织造产品的生产

FIDYST主要模拟纤维在流场中的动态变化(图2和图3)，仿真软件可在中等计算能力的计算机(如笔记本电脑)中运行。实际操作中纤维可合理仿真的数量少于1 000根，但为了判断非织造布的品质，必须有上千根纤维形成非织造结构，SURRO软件由此产生。SURRO可形成微结构，通过自动计算相关变异系数预测基准质量的均匀性，它还可以进一步分析产品横向和纵向的质量分布。

实际非织造结构由纺丝束产生，研发人员通过单独喷嘴的过程引导，可单独定义每个纺丝位置，或同时排列一整排的纺丝位置。之后输入工艺操作条件，对于简单的直线型运动传送带，可以有效定义纺丝速率和传送带速度。而对于更加复杂的运动情况，如纺丝束的摆动，其相对于传送带的运动控制可以通过解析式给出。

纤维的最终表现特征从FIDYST模拟结果中导入，按下计算按钮后，几秒钟就可以模拟出非织造布的结构。

(a) 仿真软件截图　　　　　　　　　　　　(b) 用100根纤维模拟Oerlikon Neumag的纺黏工艺

(a) 1 cm2面积内放大的仿真织物切片　　(b) SURRO软件显示的产品质量均匀性评价　　(c) 三维微结构

3结语

应用FIDYST软件，Fraunhofer ITWM公司的研究人员开发出优化非织造产品生产工艺的新型仿真模拟软件。基于此，纺织工业有了新的工具，可帮助工程师设计低能耗、高效率的设备，确定优化操作条件，进而降低原材料消耗，提高产品质量和生产效率。

宫海飞 译颜雪 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