Hilado de filamentos de polímero, por ejemplo para artículos de cuidado personal, es muy complejo:simular los procesos involucrados es demasiado para que la capacidad de cómputo disponible actualmente pueda manejar. Los investigadores de Fraunhofer han aplicado con éxito nuevos enfoques para simplificar los cálculos necesarios para la simulación. Ahora, por primera vez, se pueden simular procesos completos de hilatura, proporcionando una mejor comprensión de los procesos y simplificando enormemente su optimización.

Materiales resistentes al calor para turbinas de aviones, Los artículos de cuidado personal y la ropa a menudo se fabrican con fibras de polímero. Estas fibras constan de un gran número de filamentos con un diámetro del orden de unos pocos micrómetros que se entrelazan entre sí. Los filamentos se producen mediante procesos de hilado que en cierto modo se asemejan a una prensa de fideos utilizada para hacer espaguetis. Primero, el polímero se mezcla con un solvente para hacerlo viscoso, es decir, más fluido, para que se pueda presionar a través de una placa giratoria, una especie de tamiz que contiene miles de microagujeros. Los filamentos ultrafinos resultantes caen luego a través de un conducto de varios metros de largo. Mientras caen, se secan con aire o gas, eliminando así el disolvente. Los filamentos individuales se enrollan en grandes carretes en la parte inferior del conducto. Hasta ahora no ha sido posible simular tales procesos de hilado en su conjunto:son simplemente demasiado complejos, requiriendo la simulación de miles de millones de células espaciales infinitesimalmente diminutas. En el pasado, las empresas que buscaban optimizar los procesos de hilatura tenían que adquirir un sistema piloto que costaba varios cientos de miles de euros y luego realizar pruebas para cada uno de los innumerables parámetros.

Simulación precisa del proceso completo

Ahora, por primera vez, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM en Kaiserslautern han desarrollado una herramienta capaz de simular procesos de hilado que involucran miles de filamentos. "Nuestra simulación reproduce la concentración de disolvente en cada filamento individual, así como las interacciones mutuas de todos los filamentos con el flujo de gas, "dice el Dr. Walter Arne, investigador asociado en Fraunhofer ITWM. "La simulación resultante representa no solo la situación aerodinámica completa del sistema, por ejemplo, perfiles de velocidad y temperatura y distribución de disolventes, también genera las variables de estado relevantes a lo largo de los filamentos, por ejemplo, la temperatura ". Esto significa que las empresas de fabricación pueden llegar rápida y fácilmente al fondo de las dificultades en el proceso de producción, puede aumentar su comprensión de los parámetros decisivos y puede ampliar nuevos procesos de fabricación con relativa facilidad. Un ejemplo:cuando los efectos de turbulencia en el conducto son tan fuertes que los filamentos individuales entran en contacto repetidamente y se pegan, El Dr. Arne y sus colegas pueden usar la simulación para investigar el flujo de gas y optimizarlo con nuevos componentes para eliminar el problema. Esto reduce el desperdicio de producción y aumenta la calidad del filamento.

Objetivo logrado mediante varias simplificaciones

Una variedad de nuevas funciones han hecho posible que el equipo de investigación de Fraunhofer ITWM mantenga la complejidad de la simulación en niveles manejables. "Comenzamos con el flujo de gas en el conducto como sería sin la presencia de los filamentos. No consideramos los filamentos en sí mismos como objetos tridimensionales, sino más bien como curvas unidimensionales, "Arne explica. Sin embargo, no solo los filamentos "bailan" en el flujo de gas, también impactan el flujo mientras lo hacen. Disparar hacia abajo a una velocidad de hasta diez metros por segundo, los filamentos también aceleran el aire circundante, de la misma manera que un tren a alta velocidad mueve el aire a su alrededor. Los investigadores realizan varios pasos computacionales consecutivos para cubrir esta interacción mutua en la simulación. En el primer paso comienzan con el flujo sin los filamentos. Basado en esta situación de flujo, calculan los parámetros del filamento e introducen estos datos en los cálculos del flujo de gas. Luego, la simulación realiza iteraciones de estos cálculos hasta que se logra un estado equilibrado y los valores ya no cambian.

Sin embargo, esta simulación todavía no produce información sobre un aspecto vital del proceso de hilado, es decir, cómo se distribuye el disolvente en los filamentos. Esto es importante porque la superficie exterior de los filamentos expuestos al flujo de aire se seca muy rápidamente, mientras que el disolvente permanece dentro de los filamentos durante bastante tiempo. Pero los filamentos se consideran como si fueran unidimensionales, como si no tuvieran ancho y, por lo tanto, no tuvieran sección transversal. Una representación tridimensional estaría más allá de los límites de lo factible. Aquí también los científicos tienen algo en su "bolsa de trucos". Se adhieren a la representación unidimensional, pero agregan un componente adicional, la distribución radial del solvente. ¿Cuánto solvente hay dentro del filamento? y cuanto en su superficie exterior?

En esencia, la simulación está lista para entrar en funcionamiento:los investigadores ya la han utilizado para optimizar varios procesos de hilatura para sus clientes. Michael Rothmann, jefe de desarrollo en BJS Ceramics, está emocionado:"Nuestra asociación actual hizo posible por primera vez simular el proceso de hilatura completo. Esto nos dio información sobre las subáreas del proceso que habían sido inaccesibles en el pasado. Estos resultados nos permitirán en el futuro llevar a cabo una optimización de procesos más enfocada y así acortar nuestros ciclos de desarrollo ". Los investigadores de Fraunhofer planean seguir desarrollando la herramienta de simulación en un proyecto adicional para que las empresas de fabricación puedan ejecutar el software por sí mismas en sus propias instalaciones. Si todo va de acuerdo al plan, Se espera que las licencias para el software estén disponibles en aproximadamente tres años.