RWTH Aachen testet 3-D-Wärmeschutz-Textilien in einer Simulation

Im Rahmen des Forschungsprojektes „HEATex“ entwickelte das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University Hitzeschutztextilien als Unterbekleidung. Zusätzlich zu experimentellen Versuchen werden die Wärmetransport-Eigenschaften des mehrschichtigen Hitzeschutztextils unter Einfluss von Kontaktwärme simuliert. Durch die Simulation kann eine qualitative Voreinschätzung der Hitzeschutzwirkung verschiedener Lagenaufbauten durchgeführt werden. Das Simulationsmodell wurde mit der Simulations-Software „Abaqus/CAE“ des Pariser Software-Unternehmen Dassault Systemes SE durchgeführt.

Mit dieser Vorgehensweise können Kosten und Aufwand zukünftiger Vergleiche erkennbar reduziert werden. Die Ergebnisse des Simulationsmodells zeigen denn auch eine grundsätzliche Ähnlichkeit zu den bisher genutzten experimentellen Versuchsergebnissen.

Tatsächlich sind solche Textilien und Materialien in Deutschland für etwa 10 Prozent der Erwerbstätigen ausgesprochen notwendig: An ihren Arbeitsplätzen sind sie hohen Temperaturen ausgesetzt (Metall-, Glas-, Keramik und Stahlproduktion sowie Schmieden, Gießereien, Feuerwehr etc.). Während des Arbeitseinsatzes kommt es regelmäßig zu Verbrühungen und schlimmstenfalls zum Hitzeschlag, der bei einer Körpertemperatur von über 40 °C eintritt. Mit Hilfe der Wärmeschutz-Textilien wird ein direkter Kontakt von äußerer Schutzkleidung und Haut verhindert sowie die Aufnahme und der Transport von körpereigener Feuchtigkeit verbessert.

Wie werden die Wärmeschutz-Textilien getestet?

Die textilen Schichten der Unterbekleidung werden im Test als Vollmaterialien mit isotropen Materialeigenschaften angenommen. Lufteinschlüsse innerhalb textiler Schichten und der Einsatz unterschiedlicher Materialien in einer Schicht werden durch Anpassungen der Materialparameter berücksichtigt. Letztlich werden gemittelte Parameter verwendet. Die Endtemperatur der Simulation ist mit 79,2 °C geringfügig höher als vergleichbare Endtemperaturen, die bei in vitro Versuchen an Hitzeschutztextilien mit Kontaktwärme und ohne Druck gemessen werden. In der Realität sind die Textilien ja tatsächlich von Luft umgeben. Eine Zirkulation der Luft am Textil, die durch Temperaturdifferenzen verursacht wird, führt dabei zu einer Abkühlung des Textils durch natürliche Konvektion. Dieser Effekt wird durch erzwungene Konvektion in Form von Luftbewegungen in der Versuchsumgebung verstärkt. Letztlich lässt sich sagen, so die Autoren des Institut für Textiltechnik, dass eine gewisse Ungenauigkeit in den Materialparametern dazu führt, dass die Endtemperaturen aus Simulation und Versuchen trotz einiger Vereinfachungen in derselben Größenordnung liegen.

Mit Hilfe der Simulation können Textilien in einem ersten Schritt effizient und schnell voreingeschätzt werden. Außerdem ermöglicht der komponentenweise Aufbau der Simulation schnelle Veränderungen von Materialparametern oder eine Änderung des Lagenaufbaus. Alles zusammen genommen kann dies zur Optimierung der Hitzeschutzbekleidung genutzt werden. Benutzt man eine solche Simulation, so ist besonders auf die Genauigkeit der verwendeten Materialparameter zu achten. Weitere physikalische Effekte, wie Strahlungseinflüsse, können bei Bekanntheit der Parameter in die Simulation integriert werden. Im übrigen wird von den Autoren empfohlen die benötigte Rechenleistung durch Vereinfachungen und Ausnutzungen von Symmetrien in der Geometrie zu minimieren.

Eine ausführliche Fassung von Kevin Krause, Paul Grünefeld, Lena Barth, Lukas Lechthaler, Christoph Peiner und Thomas Gries ist in melliand Textilberichte 1/2020 erschienen.

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert Projekt für die Entwicklung einer rezyklierbaren Sauberlaufmatte und eines Verfahrens zur Trennung der Rohstoffe

zim 4c kleinSauberlaufmatten dienen in Eingangsbereichen dazu, Schmutz und Feuchtigkeit von Schuhsohlen zu entfernen. Eine hochwertige textile Sauberlaufmatte, auch Schmutzfangmatte genannt, besteht in der Regel aus einer Gummirückenschicht, einem Träger aus Polyestergewebe oder -vlies und einem Pol aus Polyamidgarn. Da die Gummirückenschicht fest mit der Oberseite (Träger und Pol) verbunden ist, ist eine Trennung der einzelnen Komponenten, z.B. nach Nutzungsende der Matte, nicht möglich. Ein Wiederverwenden der Rohstoffe ist somit ausgeschlossen. Sauberlaufmatten werden daher meist der thermischen Verwertung zugeführt und wertvolle Rohstoffe werden verbrannt. Um dies zu verhindern, ist das Ziel des Projektes SauberKREISLAUFmatte eine rezyklierbare Sauberlaufmatte zu entwickeln. Zudem wird ein Verfahren erarbeitet, mit dem die einzelnen Rohstoffe wieder dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden können. Die qualitativen, sicherheitstechnischen und gesundheitlichen Eigenschaften der neuen SauberKREISLAUFmatte müssen dabei mindestens dem Stand der Technik entsprechen.

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert. Dies wird nach Außen bei allen projektbezogenen Darstellungen durch ein entsprechendes Logo gekennzeichnet (BMWi-Logo mit Förderzusatz).

 

Effiziente und sichere Stichproben-Entnahme in Laboren

Stichproben-Systeme sind in Aufbereitungsanlagen, Raffinerien, diversen Industrie-Anlagen und natürlich in der Chemie-Industrie zu finden. Sie dienen an erster Stelle zur Qualitäts- und Prozesskontrolle und zur Verifizierung der Leistung von Analysegeräten. Entscheidend ist: Die Probe muss zum Zeitpunkt der Entnahme repräsentativ sein und auch bei der Analyse so weit wie möglich den vorgegeben Bedingungen entsprechen.

Es gibt zahlreiche Optionen zur Konfiguration von Stichprobensystemen, in denen Gas oder Flüssigkeiten in abgedichteten Zylindern entnommen werden. Das möglicherweise effizienteste Design ist ein geschlossenes System, in dem die Probe während der Entnahme kontinuierlich durch den Zylinder zirkuliert. Ein geschlossenes System entnimmt Proben aus einem Überdruckprozess und transportiert sie an eine Stelle mit niedrigerem Druck zurück in den Prozess – meist an einer der Pumpe vorgelagerten Stelle. Da bei diesem Design das Probeahme-System zu einer Erweiterung des Prozess-Systems wird, lässt sich so die Notwendigkeit der Spülung reduzieren oder gar ganz eliminieren.

Stichproben-Systeme mit Zylindern können für Gas- und Flüssigkeitsproben verwendet werden, aber sie unterscheiden sich in ihrem Design. Der Fließweg muss für Flüssigkeiten und Gase unterschiedlich sein, um phasenverschobene Medien aus dem Zylinder zu spülen. Gase sollten im Zylinder von oben nach unten fließen, um beim Füllen jegliche Flüssigkeit/jegliches Kondensat aus dem Probenzylinder zu drücken – und, um sicherzugehen, dass sich keine Flüssigkeit im Zylinder ansammelt und die Laboranalyse beeinträchtigt. Flüssigkeiten hingegen sollten von unten nach oben gefüllt werden, um den Dampfraum zu verdrängen und so sicherzustellen, dass der Zylinder voll ist.

Flüssige Anwendungen und ein kontinuierlicher Fluss

Reine Flüssigkeits-Stichproben-Systeme entnehmen Flüssigkeiten in nicht druckbelastete Flaschen. Dabei werden diese direkt aus dem Prozess gezogen und die Behälter dann ohne Verschüttungs- oder Verdampfungsrisiko weiter transportiert. Ein solches System kann bei zahlreichen flüssigen Anwendungen verwendet werden, bei denen das Prozess-Fluid nicht fraktioniert oder verdampft. Entscheidend ist, sicherzustellen, dass die Probe repräsentativ bleibt. Diese Vorsichtsmaßnahme gestattet die Verwendung günstiger Glas-Laborflaschen für Proben – mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie ein unverzügliches visuelles Feedback über die Qualität des Probenstroms bieten.

Bei der Probenahme ist oft ein kontinuierlicher Fluss nützlich, beispielsweise wenn eine Probe ständige Bewegung erfordert (damit sie z.B. nicht gefriert), oder wenn die Leitung zur Probenahme-Stelle sehr lang ist. Die Probe fließt dabei durch eine Bypass-Schleife in das Stichprobensystem und garantiert so, dass das entnommene Probe­Fluid repräsentativ für den Prozess bleibt – eben weil es auf diese Weise nicht lange in den Leitungen bleibt.

Wenn die Flüssigkeitsprobe unter Hochdruck steht oder gefährlich ist, sollte ein System mit festem Volumen gewählt werden. In einem solchen System fließt die Probe zunächst in einen Metallzylinder und wird dann sanft durch ein Nachström-Gas unter niedrigem Druck in die Probenahme-Flasche gedrückt. Dadurch wird ein ungewolltes Überfüllen verhindert.

 Der Artikel ist eine gekürzte Wiedergabe eines Artikel von Matt Dixon, Senior Principal Entwicklungsingenieur bei Swagelok und ist in cav 12/2019 erschienen.

Wirtschaftliche Herstellung textiler Bodenbeläge in kleinen Stückzahlen

Um kleinere Stückmengen, die verstärkt vom Markt gefordert werden, wirtschaftlich produzieren zu können, muss die Technik zunehmend flexibler werden. Das Institut für Bodensysteme (TFI) hat in Kooperation mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) – beide an der RWTH Aachen University – eine neuartige Technologie entwickelt, die erlaubt Maschinenparameter für die Herstellung gemusterter Waren (zum Beispiel Bodenbeläge) schnell zu verändern.

Die Tendenz des Markts bei textilen Bodenbelägen geht weg von starrer Serienfertigung hin zu auftrags- beziehungsweise kundenorientierter Produktion mit reduzierter Losgröße. So wie dies ja im übrigen auch Weserland mit seinen maßgeschneiderten Lösungen tagtäglich umsetzt. Die Anforderungen haben sich eben grundsätzlich stark verändert und individualisierte Produkte werden im hohen Maß nachgefragt.

Damit die Produzenten textiler Bodenbeläge mit diesem Trend Schritt halten können, müssen sich die Fertigungsverfahren schnell und reproduzierbar auf die Charakteristika der unterschiedlichen Artikel adaptieren lassen. Eine Veränderung des Musters ist allerdings mit hohem Umrüstaufwand verbunden. Das führt nicht nur zu einem Produktionsausfall, sondern verhindert auch die Möglichkeit, innerhalb des laufenden Prozesses ein Muster regelmäßig oder unregelmäßig zu verändern.

Das TFI entwickelte zusammen mit dem ITA dazu eine Lösung für das Problem der starren Befestigung der Nadeln. Diese hat die Flexibilität des Tufting-Prozesses wesentlich erhöht und so die Zukunftsfähigkeit der Tufting-Technologie gesichert. Ein wichtiger Schritt, denn Tufting ist ein hoch effizienter Prozess zur Herstellung textiler Bodenbelägen mit Polstruktur.

Lagerlose Führung ermöglicht flexible Prozesse

Ein Ansatz zur Lösung der Probleme war schon länger der Einsatz von Nadeln in gekröpfter Ausführung. Es handelt sich dabei um Sonderanfertigungen, bei denen die Nadeln der hinteren und vorderen Barre zueinander gekröpft sind. Die Nadeln sind weiterhin auf einer vorderen und hinteren Barre angeordnet, sind aber in einer Halterung verschiebbar zueinander montiert. Hierdurch kann der Abstand zwischen den Nadelreihen variabel bis hin zu einer geradlinigen Ausrichtung verstellt werden. Diese VSN-Technik zeigte jedoch im industriellen Einsatz nicht die gewünschten Ergebnisse.

Ausgangsbasis für die Entwicklung des neuen Lösungsansatzes war die Analyse der im Tufting-Prozess entstehenden Kräfte und Belastungen. Als finale Variante wurde eine Lösung aus Pleuel und Exzenter gewählt. Das funktionsbestimmende Element bildet ein flexibles Faserverbundkunststoff-Bauteil.

Die Verstellung erfolgt nun stufenlos und ist sogar während des Tufting-Prozesses möglich. So ergeben sich völlig neue Design-Möglichkeiten und eine deutlich dichtere Ware. Diese erhöhte Dichte durch schräge Anordnung ist vor allem in Bereichen hoch relevant, an denen die Ware verformt werden soll (etwa im Automobilsektor).

Die vielen Vorteile von Bauteilen aus Faserverbundkunststoff reichen von individuellen Auslegungsmöglichkeiten bis hin zu einer erheblichen Verringerung des Gewichts im Vergleich zu Stahl. Zudem werden dynamische Belastungen durch die zyklisch bewegten Bauteile reduziert. Das Ergebnis ist eine verbesserte Laufruhe und ein präziserer Tufting-Prozess mit weniger Störungen und Unterbrechungen.

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