Filature de filaments polymères, par exemple pour les articles de soins personnels, est très complexe :simuler les processus impliqués est trop difficile à gérer pour la puissance de calcul actuellement disponible. Les chercheurs de Fraunhofer ont appliqué avec succès de nouvelles approches pour simplifier les calculs nécessaires à la simulation. Maintenant, pour la première fois, des processus de filage complets peuvent être simulés, permettant une meilleure compréhension des processus et simplifiant grandement leur optimisation.

Matériaux résistants à la chaleur pour turbines d'avions, les articles de soins personnels et les vêtements sont souvent fabriqués avec des fibres polymères. Ces fibres sont constituées d'un grand nombre de filaments d'un diamètre de l'ordre de quelques micromètres qui sont entrelacés les uns aux autres. Les filaments sont produits en utilisant des procédés de filage qui ressemblent d'une certaine manière à une presse à nouilles utilisée pour faire des spaghettis. Tout d'abord, le polymère est mélangé avec un solvant pour le rendre visqueux, c'est-à-dire plus fluide, pour qu'il puisse être pressé à travers une plaque tournante, une sorte de tamis contenant des milliers de micro-trous. Les filaments ultrafins qui en résultent tombent ensuite dans un conduit de plusieurs mètres de long. En tombant, ils sont soufflés à l'air ou au gaz, éliminant ainsi le solvant. Les filaments individuels sont enroulés sur de grandes bobines au fond du conduit. Jusqu'à présent, il n'était pas possible de simuler de tels procédés de filage dans leur ensemble :ils sont tout simplement trop complexes, nécessitant la simulation de milliards de cellules spatiales infiniment petites. Dans le passé, les entreprises cherchant à optimiser les processus de filature devaient se procurer un système pilote coûtant plusieurs centaines de milliers d'euros, puis effectuer des tests pour chacun des innombrables paramètres.

Simulation précise du processus complet

Pour la première fois, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer de mathématiques industrielles ITWM à Kaiserslautern ont développé un outil capable de simuler des processus de filage impliquant des milliers de filaments. "Notre simulation reproduit la concentration de solvant dans chaque filament individuel, ainsi que les interactions mutuelles de tous les filaments avec le flux de gaz, " dit le Dr Walter Arne, associé de recherche chez Fraunhofer ITWM. "La simulation qui en résulte représente non seulement la situation aérodynamique complète du système, par exemple les profils de vitesse et de température et la distribution des solvants, il génère également les variables d'état pertinentes le long des filaments, par exemple la température. » Cela signifie que les entreprises de fabrication peuvent rapidement et facilement résoudre les difficultés du processus de production, peuvent accroître leur compréhension des paramètres décisifs et peuvent mettre à l'échelle de nouveaux processus de fabrication avec une relative facilité. Un exemple :lorsque les effets de turbulence dans le conduit sont si forts que les filaments individuels entrent en contact à plusieurs reprises et se collent les uns aux autres, Le Dr Arne et ses collègues peuvent utiliser la simulation pour étudier le flux de gaz et l'optimiser avec de nouveaux composants afin d'éliminer le problème. Cela réduit les déchets de production et augmente la qualité du filament.

Objectif atteint grâce à diverses simplifications

Une variété de nouvelles fonctions ont permis à l'équipe de recherche Fraunhofer ITWM de maintenir la complexité de la simulation à des niveaux gérables. "Nous commençons par le flux de gaz dans le conduit tel qu'il serait sans la présence des filaments. Nous ne considérons pas les filaments eux-mêmes comme des objets tridimensionnels, mais plutôt comme des courbes unidimensionnelles, " explique Arne. Cependant, non seulement les filaments "dansent" dans le flux de gaz, ils ont également un impact sur le flux ce faisant. Tirer vers le bas à une vitesse pouvant atteindre dix mètres par seconde, les filaments accélèrent également l'air ambiant, de la même manière qu'un train à grande vitesse déplace l'air autour de lui. Les chercheurs effectuent plusieurs étapes de calcul consécutives afin de couvrir cette interaction mutuelle dans la simulation. Dans la première étape, ils commencent par le flux sans les filaments. Sur la base de cette situation de flux, ils calculent les paramètres du filament et alimentent ces données dans les calculs sur le débit de gaz. La simulation effectue ensuite des itérations de ces calculs jusqu'à ce qu'un état équilibré soit atteint et que les valeurs ne changent plus.

Cependant, cette simulation ne produit toujours pas d'informations sur un aspect vital du processus de filage, à savoir comment le solvant est distribué dans les filaments. Ceci est important car la surface extérieure des filaments exposés au flux d'air sèche très rapidement, tandis que le solvant reste à l'intérieur des filaments pendant un certain temps. Mais les filaments sont considérés comme s'ils étaient unidimensionnels, comme s'ils n'avaient pas de largeur et donc pas de section. Une représentation tridimensionnelle dépasserait les limites de ce qui est faisable. Ici aussi les scientifiques ont quelque chose dans leur « sac à malices ». Ils s'en tiennent à la représentation unidimensionnelle, mais ils ajoutent un composant supplémentaire, la distribution radiale du solvant. Combien de solvant y a-t-il à l'intérieur du filament, et combien sur sa surface extérieure?

En substance, la simulation est prête à fonctionner :les chercheurs l'ont déjà utilisée pour optimiser divers processus de filature pour leurs clients. Michel Rothmann, responsable du développement chez BJS Ceramics, est ravi :« Notre partenariat actuel a permis pour la première fois de simuler le processus de filage complet. Cela nous a permis de mieux comprendre des sous-domaines du processus qui étaient inaccessibles dans le passé. Ces résultats nous permettront à l'avenir de conduire une optimisation des processus plus ciblée et ainsi raccourcir nos cycles de développement. » Les chercheurs de Fraunhofer prévoient de développer davantage l'outil de simulation dans le cadre d'un projet supplémentaire afin que les entreprises de fabrication puissent exécuter elles-mêmes le logiciel dans leurs propres locaux. Si tout se passe comme prévu, les licences du logiciel devraient être disponibles dans environ trois ans.