Gliederung fÃ¼r dieelib.suub.uni-bremen.de/pe/public/2010/622677039.pdf · 2010-03-26 · und...

FORSCHUNGSBERICHTEaus dem Faserinstitut Bremen

Unter Mitwirkung von:

Sächsisches Textilforschungsinstitut

Bremer Institut für Konstruktionstechnik

Abschlussbericht zumFK Textil e.V. / AiF Forschungsvorhaben

Nr. 14418 BG / 1

Online-Faserorientierungsmessung im Vliesherstellungsprozess

Dipl.-Ing. Ralf Bäumer Dipl.-Ing. Lotfi Ghorbel

Dipl.-Ing. Markus Kochmann

Bremen, September 2007

Finanzielle Förderung über das Mitglied der

aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2008 Faserinstitut Bremen e.V.

Die FForschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen erscheinen in unregelmäßiger Folge. Herausgegeben vomFASERINSTITUT BREMEN e.V. — FIBRE — Am Biologischen Garten 2D-28359 Bremen

Der vorliegende Band erscheint als Nr. 42 dieser Reihe.

Autoren: Ralf Bäumer, Markus Kochmann, Lotfi Ghorbel Titel: Online-Faserorientierungsmessung im Vliesherstellungsprozess

Herstellung und Verlag: Books on Demand GmbH, Norderstedt.

ISBN dieses Bandes: 978-3-837-07300-3 ISSN der Reihe1618–7016

- Faserinstitut Bremen 14418 BG / 1

- Sächsisches Textilforschungsinstitut

AiF-Vorhaben-Nr.

- Bremer Institut für Konstruktionstechnik 01.07.2005 - 30.06.2007

Namen der Forschungsstellen Bewilligungszeitraum

Schlussbericht für den Zeitraum: 01.01.2007 - 30.06.2007

zu dem aus Haushaltsmitteln des BMWI über die

geförderten IGF-Forschungsvorhaben

Normalverfahren

Fördervariante ZUTECH

Forschungsthema :

Online-Faserorientierungsmessung im Vliesherstellungsprozess

Bremen, 28.09.2007

Ort, Datum

Bremen, 28.09.2007

Unterschrift des Projektleiters

Ort, Datum Unterschrift des Leiters der

Forschungsstelle

Forschungskuratorium Textil e.V. Bremen, 2007-09-28 Faserinstitut Bremen e.V. Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. Bremer Institut für Konstruktionstechnik

Zusammenfassung zum Vorhaben FK Textil / AiF – Nr. 14418 BG / 1

„Online-Faserorientierungsmessung im Vliesherstellungsprozess“

Für die Eigenschaften Festigkeit, Dehnung und Arbeitsvermögen von Vliesen und daraus hergestellten Produkten sowie bei weiteren Produkteigenschaften ist die Faserorientierung und ihre Verteilung von ausschlaggebender Bedeutung. Die Einhaltung einer reproduzierbaren und homogenen Faserorientierung über die Materialbreite und über die Produktionszeit wird damit zum entscheidenden Qualitätsmerkmal. Trotz dieser Bedeutung ist deren kontinuierliche Messung und eine darauf aufbauende Regelung heute noch nicht Stand der Technik.

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer Online-Messtechnik auf der Basis einer digitalen Bildverarbeitungsanlage, mit der die Faserorientierung im laufenden Vliesherstellungsprozess gemessen, dokumentiert und beurteilt werden kann. Darüber hinaus sollte ein System entwickelt werden, das es ermöglicht, die bei der experimentellen Untersuchung gefundenen Zusammenhänge zwischen Anlagenparametern und der daraus resultierenden Faserorientierung klarer zu identifizieren.

Mit der im Vorhaben entwickelten onlinefähigen Bildanalyse können die Orientie-rungsverteilungen bestimmt und mit Hilfe einer Zusatzfunktion die Verhältnisse von Längs- zu Querfestigkeit (MD:CD-Verhältnis) abgeschätzt werden. In einer Vielzahl von Untersuchungen in Labor, Technikum und Produktion wurde das Online-messsystem unter den unterschiedlichsten Rahmenbedingungen mit Naturfasern und synthetischen Fasern getestet.

Mit den gemessenen Orientierungsverteilungen ließen sich Zusammenhänge zwischen einigen ausgewählten Anlagenkonfigurationen, den Einstellparametern und den resultierenden MD:CD-Verhältnisse ableiten. Hierzu wurden statistische Modelle generiert, die eine Produkteigenschaft, in diesem Fall das MD:CD-Verhältnis für die Höchstzugkraft der hergestellten Vliesstoffe als Funktion der ausgewählten Anlagenparameter beschreiben. Zur Visualisierung wurden Response-Surface-Modelle mit linearen oder quadratischen Ansatzfunktionen aufgebaut, mit denen die Betriebspunkte verdeutlicht werden konnten.

Die Verifikation des Online-Verfahrens erfolgte durch Vergleichsmessungen mit zwei unabhängigen Labormethoden. Die aus der Orientierung abgeleiteten MD:CD- Verhältnisse wurden zudem mit mechanisch ermittelten Kennwerten verglichen. Es konnten auf diesem Wege gute Übereinstimmungen ermittelt werden, so dass mit dem entwickelten Verfahren ein Instrument zur Verfügung steht, mit dem schnell und zuverlässig die Orientierung im Faservlies bestimmt werden kann.

Der Einsatz der Onlineorientierungsmessung dient einer besseren Prozesskontrolle. Abweichungen von den vorgegebenen Eigenschaften können frühzeitig erkannt werden. Damit ist es möglich, entsprechende Steuer- und Regelprozesse zu aktivieren.

„Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht“

Vliesorientierung Online Seite 1

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Ziel der Arbeit ....................................................................................... 3

2. Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung ....................... 4

2.1. Vliesstoffe ......................................................................................................................... 42.2. Faserorientierung im Vliesstoff......................................................................................... 52.3. Bildanalyse ....................................................................................................................... 82.4. Online-Messtechnik in der Textilindustrie ........................................................................ 92.5. Messung der Faserorientierung ....................................................................................... 92.6. Ermittlung der mechanischen Eigenschaften................................................................. 132.7. Versuchsplanung und Signifikanzanalyse ..................................................................... 132.8. Meta-Modell.................................................................................................................... 142.9. Prozessanpassung......................................................................................................... 15

3. Forschungsziel / Lösungsweg.................................................................................... 16

3.1. Forschungsziel ............................................................................................................... 163.1.1. Angestrebte Forschungsergebnisse .............................................................................. 173.1.2. Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse ....................................... 18

3.2. Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ........................................................ 193.2.1. Lösungsanteil des Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) und des Sächsischen

Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) ................................................................................ 193.2.2. Lösungsanteil des Bremer Instituts für Konstruktionstechnik (BIK) ............................... 22

4. Angewandte Verfahren und Methoden ...................................................................... 25

4.1. Online und Labormethoden (FIBRE).............................................................................. 254.1.1. Bildanalytischer Versuchsaufbau ................................................................................... 254.1.1.1. Versuchsaufbau mit Blitzsteuerung.......................................................................... 254.1.1.2. Versuchsaufbau mit Verschlusszeitenregelung ....................................................... 254.1.2. Entwicklung und Design der Bildanalysesoftware ......................................................... 254.1.3. Messen der Orientierung mit direkter Faserverfolgung ................................................. 274.1.3.1. Partielle Ableitungen von Bildern ............................................................................. 284.1.4. Gradienten von Bildern................................................................................................... 304.1.5. Skelettierung................................................................................................................... 314.1.5.1 Objekterkennung und –vermessung ........................................................................ 334.1.5.2. Probleme der Direkten Faserverfolgung .................................................................. 334.1.6. Messen der Orientierungsverteilung mit der Fouriertransformation .............................. 344.1.6.1. Die Fouriertransformation......................................................................................... 344.1.6.2. Übergang zum diskreten Fall ................................................................................... 354.1.6.3. Fouriertransformation bei Bildern ............................................................................. 354.1.6.4. Die schnelle Fouriertransformation .......................................................................... 364.1.7. Bewegungsunschärfe..................................................................................................... 374.1.8. Benutzeroberfläche ........................................................................................................ 384.1.9. Bestimmung des MD:CD Verhältnisse........................................................................... 424.1.10. Laboraufbau ................................................................................................................... 434.1.11. Offline Messverfahren Fibreshape ................................................................................. 44

4.2. Offline- Messverfahren (STFI)........................................................................................ 464.2.1. Stereophotogrammetrie.................................................................................................. 464.2.2. Bestimmung des mechanischen MD:CD Verhältnisses ................................................ 49

4.3. Modellentwicklung (BIK)................................................................................................. 504.3.1. Metamodelle ................................................................................................................... 504.3.2. Response-Surface-Modelle............................................................................................ 504.3.3. Neuronale Netze ............................................................................................................ 524.3.4. Screening ....................................................................................................................... 534.3.5. Desirability-Funktionen................................................................................................... 53


5. Experimentelle Untersuchungen und Diskussion .................................................... 57

5.1. Versuchsplan.................................................................................................................. 57

5.2. Laboruntersuchungen FIBRE......................................................................................... 585.2.1. Technikumsuntersuchungen .......................................................................................... 625.2.2. Vergleich der Prüfmethoden für die Orientierungsmessung.......................................... 66

5.3. Technikumsuntersuchungen STFI ................................................................................. 685.3.1. Offline- Untersuchungen ................................................................................................ 695.3.2. Kardierverfahren............................................................................................................. 695.3.3. Aerodynamisches Verfahren.......................................................................................... 715.3.4. Einfluss des Wasserdruckes .......................................................................................... 715.3.5. Einfluss der Krempeleinstellung..................................................................................... 745.3.6. Einfluss der Anblasluftmenge......................................................................................... 76

5.4. Online-Untersuchungen STFI ........................................................................................ 785.4.1. Online-Ergebnisse.......................................................................................................... 805.4.2. STFI Offline-Auswertung ................................................................................................ 845.4.3. Modellierung des Anlagenverhaltens ............................................................................. 85

5.5. Technikumsuntersuchungen Fleissner .......................................................................... 915.5.1. Online-Ergebnisse.......................................................................................................... 935.5.2 Offline-Ergebnisse.......................................................................................................... 965.5.3. Modellierung des Anlagenverhaltens ........................................................................... 1035.5.4. Analyse der Orientierungsverteilung ............................................................................ 108

5.6. Technikumsuntersuchungen Trützschler ..................................................................... 1145.6.1. Ergebnisse.................................................................................................................... 116

5.7. Produktionsbegleitende Untersuchungen NAFGO ...................................................... 1175.7.1. Ergebnisse.................................................................................................................... 120

5.8. Zusammenfassung....................................................................................................... 123

6. Ausblick....................................................................................................................... 124

7. Zusammenfassung..................................................................................................... 125

7.1. Technisch wissenschaftliche Bewertung ..................................................................... 125

7.2. Wirtschaftliche Bedeutung............................................................................................ 126

8. Danksagung................................................................................................................ 127

9. Literaturverzeichnis ................................................................................................... 128


1. Einleitung und Ziel der Arbeit

Die Vliesherstellung für z.B. die Hygiene-, Bau- oder Automobilindustrie ist ein textiler Industriebereich mit einem kontinuierlichen Wachstum von ca. 10% p.a., der 5% vom Anteil der ansonsten stagnierenden klassischen Textilproduktion erreicht. Darauf spezialisierte Maschinenbauunternehmen aus Deutschland nehmen bei der Herstel-lung der erforderlichen Anlagen heute technologisch eine weltweit führende Rolle ein.

Für die Eigenschaften Festigkeit, Dehnung und Arbeitsvermögen von Vliesen und daraus hergestellten Produkten ist die Faserorientierung und ihre Verteilung von ausschlaggebender Bedeutung. Die Einhaltung einer reproduzierbaren und homoge-nen Faserorientierung über die Materialbreite und über die Produktionszeit wird damit zum entscheidenden Qualitätsmerkmal. Trotz dieser Bedeutung ist deren kontinuier-liche Messbarkeit und eine darauf aufbauende Regelung heute noch nicht Stand der Technik. Infolgedessen ist ein starkes Interesse der Vliesstoffindustrie und der Tex-tilmaschinenbauer an der Entwicklung einer einsetzbaren Online-Faserorientierungsmessung gegeben.

Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung einer Online-Messtechnik auf der Basis einer digitalen Bildverarbeitungsanlage, mit der die Faserorientierung im lau-fenden Vliesherstellungsprozess gemessen, dokumentiert und beurteilt werden kann. Das Verfahren sollte für alle gängigen Vliesherstellungsverfahren und Fasertypen entwickelt und an einer kommerziellen Vliesherstellungsanlage implementiert wer-den. Darüber hinaus wurde ein Verfahren entwickelt, dass es ermöglicht, die bei der experimentellen Untersuchung gefundenen Zusammenhänge zwischen Anlagepara-metern und der daraus resultierenden Faserorientierung klarer zu identifizieren.

Die Ergebnisse der Messungen sollten verwendet werden, um Einflüsse auf die Fa-serorientierung zu erkennen. Mittelfristig könne sie eingesetzt werden, um den Vlies-herstellungsprozess aufgrund der ermittelten Daten direkt regeln zu können. Durchdie Implementierung einer Signifikanzanalyse konnte die Gewichtung der anlagenab-hängigen Einflussfaktoren in Bezug auf die Faserorientierung des Zwischenproduk-tes besser bestimmt werden. Der Ansatz ermöglicht es, Stellbereiche mit sehr gro-ßem Einfluss auf die Faserorientierung ebenso wie Parameterzonen mit niedriger Signifikanz zu identifizieren. Dies führt zukünftig zu einer erheblichen Reduzierung des Arbeitsaufwands bei der Anpassung einer Anlage zur Florherstellung an gefor-derte Eigenschaften bezüglich der Faserverteilung. Unter Hinweis auf den Antrag wird in Kapitel 3 näher auf das Projektziel eingegangen.


2. Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstel-lung

Es werden zwar Verfahren für die Bestimmung der Faserorientierung auch schon heute kommerziell angeboten, bisher sind jedoch einerseits deutliche Mängel bei der Aussagekraft der Ergebnisse gegeben, andererseits ist die Übertragung auf den laufenden Vliesherstellungsprozess nicht zufriedenstellend gelungen. So können z.B. mit einem von Huang und Bresee entwickelten System nur dünne Faserflore gemes-sen werden. Zentraler Aspekt dieses Projektes ist die Übertragung der bildanalyti-schen Bestimmung der Faserorientierungsverteilung auf den Vliesherstellungspro-zess. Das System soll dabei universell, d.h. unabhängig vom Vlieslegungsprozess eingesetzt werden können. Dies ermöglicht es, Zusammenhänge zwischen den An-lagenparametern bei der Vliesherstellung und der Faserorientierung im unverfestig-ten Vlies zu identifizieren. Darauf aufbauend kann dann die Signifikanz der Faserori-entierung für die mechanischen Eigenschaften des verfestigten Vliesstoffs analysiert werden. Dies Ermöglicht eine vereinfachte Identifikation der für den Prozess relevan-ten Einflussmöglichkeiten bei der Regelung und Konfiguration der Anlage. Ange-strebte Produkteigenschaften können so mit reduziertem Testaufwand erreicht wer-den.

Zur Erläuterung der Problemstellung wird in diesem Kapitel zunächst auf die Vlies-stoffherstellung und auf die Bedeutung der Faserorientierung eingegangen, an-schließend erfolgt die Betrachtung der Bildanalyse, der bestehenden Online-Messtechniken im Textilbereich sowie die bisherigen Möglichkeiten zur Messung der Faserorientierung. Abschließend wird die Übertragung des Systems in ein Meta-Modell unter Verwendung der Signifikanzanalyse dargestellt.

2.1. Vliesstoffe Die Vliesherstellung ist ein textiler Industriebereich mit einem kontinuierlichen Wachstum von ca. 10% p.a. im Vergleich zur stagnierenden klassischen Textilpro-duktion. An der Vliesstoffproduktion und an der Herstellung der zur Vliesstoffherstel-lung nötigen Textilmaschinen sind deutsche Hersteller maßgeblich beteiligt. Deutsch-land ist das größte Vliesstoff produzierende Land Europas und ebenfalls der größte Markt für Vliesstoffe [Alb2000]. Hieraus ergeben sich bedeutende wirtschaftliche Möglichkeiten für den Textilmaschinenbau und die Textilindustrie.

Tabelle 2-1: Vliesstoffproduktion in Europa [EDANA 2007]

Jahr 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006Vliesstoffpro-duktion in 1000 t

759 836 910 1026 1116 1203 1288 1336 1403 1494

Die Verwendung der Vliesstoffe erfolgt in sehr verschiedenen Bereichen wie z.B. Hygieneartikel, Bedachtung / Hoch- und Tiefbau, Wischtücher, Haushalt und Bett- und Tischwäsche, Flüssigkeitsfiltration, Medizin/Chirurgie, Einlagestoffe, weiterhin


z.B. als Faserverstärkung in Faserverbundwerkstoffen. Verarbeitet wird ein breites Spektrum an Faserarten, zu denen Chemiefasern aus verschiedenen synthetischen und natürlichen Polymeren, weiterhin auch Naturfasern sowie andere industriell her-gestellte Fasern zählen. Die allgemeine Einschätzung lässt einen weiteren Anstieg des Vliesstoffeinsatzes erwarten, wobei Massenaux zur Sicherung der Chancen für die Vliesstoffindustrie die Erfordernis zielgerichteter Forschungs- und Entwicklungs-arbeiten betont [Massenaux in Alb2000].

Herstellungsverfahren für Vliesstoffe lassen sich in Trockenverfahren, Nassverfahren und Extrusionsverfahren unterteilen. Das Ziel des Projektes ist nicht an einzelne Vliesherstellungsprozesse gebunden, sondern es wird eine Umsetzung der Faserori-entierungsmessung in einem breiten Bereich der Vliesherstellung angestrebt. Die Rohstoffaufbereitung vor der Vliesbildung ist für die Faserorientierungsanalyse von nachgeordneter Bedeutung, da die eigentliche Vliesbildung den größten Anteil an der Ausbildung der Faserorientierung zeigt. Andererseits erfolgt in den auf die Rohstoff-aufbereitung und Vliesbildung folgenden Verarbeitungsschritten, allen voran die Vliesverfestigung, oft eine Änderung der Faserorientierung verstärkt in die sehr kom-plex zu analysierende Vliesdickenrichtung. Aus diesem Grund wurde der Schwer-punkt der Betrachtung auf die Vliesbildung gelegt.

Zu den Trockenverfahren der Vliesherstellung zählen das Kardierverfahren und das aerodynamische Verfahren. Direkt anschließende Prozessschritte sind z.B. die Vlies-legung aus einzelnen Faserfloren und die Vliesstreckung. Nassverfahren werden für kurze Fasern und Zellstoff angewendet. Aufgrund des im Vergleich zu den Trocken-verfahren und den Spinnvliesverfahren geringen und weiterhin sinkenden Produkti-onsanteils (1998: 6,9% [Alb2000]) wird dieses Verfahren nicht weiter betrachtet. Zu den Extrusionsverfahren zur Vliesherstellung gehören die Fadenformung zu Fila-mentspinnvliessstoffen, die Faserformung zu Feinfaserspinnvliesstoffen und die Folienformung zu Folienfaservliesstoffen. Feinfaserspinnvliesstoffe weisen i.d.R. Faserfeinheiten unter 0,5 dtex auf - das bedeutet für Online-Messungen an diesem Material eine zusätzliche Schwierigkeit gegenüber Vliesstoffen mit gröberen Fasern.

2.2. Faserorientierung im Vliesstoff Bei der Herstellung von Vliesstoffen und ihrer Weiterverarbeitung sind strukturelle Eigenschaften von ausschlaggebender Bedeutung. Insbesondere die Faserorientie-rung und ihre Verteilung ist bedeutend für die Eigenschaften des Produkts. Sie kenn-zeichnet wichtige strukturelle Eigenschaften von Vliesstoffen und deren Baugliedern (z.B. Faserflore) [Pour1996b, Bar1998]. Direkt beeinflusst werden vor allem die Ei-genschaften Festigkeit, Dehnung und Arbeitsvermögen der Stoffe, aber auch weitere produktspezifische Eigenschaften. In einigen Fällen werden die Produkteigenschaf-ten direkt von der Faserorientierung bestimmt [Kle2001].

Entscheidend für die Produktqualität ist die Einhaltung einer reproduzierbaren, gleichbleibenden Faserorientierungsverteilung über die Materialbreite und über die


Produktionszeit, um auch die spezifischen Produkteigenschaften einhalten zu kön-nen.Eine entsprechende Überwachung muss online erfolgen.

Beim Kardierprozess wird die Faserorientierung hauptsächlich durch die Krempel bestimmt. Beeinflusst wird die Faserorientierung hier durch z.B. die Anzahl der Arbei-ter-Wender-Paare und die Geschwindigkeit der verschiedenen Kardierwalzen bzw. das Verhältnis der Geschwindigkeiten zueinander. Weiterhin können Vliesstreckpro-zesse, Stauch- oder Kreppprozesse nachgeschaltet oder in die Maschinen integriert werden. Für eine gewünschte Faserorientierung im Vlies können dementsprechend verschiedene Maschinenkonfigurationen und -einstellungen verwendet werden.

In anderen Prozessen sind andere Einstellmöglichkeiten gegeben, um die Faserori-entierung zu beeinflussen. Bei aerodynamischen Verfahren können z.B. zusätzlich durch die Strömungsverhältnisse beeinflusst werden. Lin berichtet von einem variier-ten Luftlegeprozess mit veränderter Faserorientierung und damit geänderten mecha-nischen Eigenschaften in Längs- und Querrichtung [Lin2001]. Jeon stellt eine Metho-de zur Berechnung der Faserorientierungsverteilung bei der Herstellung von Fila-mentspinnvliesstoffen dar. Dabei erläutert er die verschiedenen Einflussmöglichkei-ten auf die Orientierung [Jeo2001]. Bresee stellt den komplexen Prozess des Faser-anflugs und der Faserformung beim Melt-Blowing-Verfahren dar, der zu Faseranhäu-fungen, Verschlingungen und Faserorientierungswechseln zwischen Längs- und Querrichtung führt [Bre2001].

Zur Betrachtung der Auswirkungen der Faserorientierung auf die mechanischen Vlieseigenschaften stellen verschiedene Autoren theoretische Modelle bzw. Vorge-hensweisen zur Berechnung der Deformation von Faseranhäufungen bzw. Vliesstof-fen unter mechanischer Beanspruchung dar. Die Faserorientierung ist dabei neben den Fasereigenschaften die bestimmende Einflussgröße [Kom1991] [And1995] [Lia1997] [Ada1998] [Ter2003]. Betrachtet werden z.B. Zugeigenschaften, Biegeei-genschaften, Kompressionsverhalten und Drapierbarkeit. Neben der Orientierung selbst ist auch die Faserkräuselung von Bedeutung [Scha2002]. Thorr hat die Ände-rung der Faserorientierung und das sich damit verändernde Festigkeitsverhalten während eines Zugversuchs ermittelt [Tho1999].

Neben den direkten mechanischen Eigenschaften werden auch weitere Vliesstoff-eigenschaften durch die Faserorientierungsverteilung bestimmt. Mao erläutert den Zusammenhang zwischen Faserorientierung und Permeabilität des Vlieses [Mao2000a/b]. Im ITWM gehen bildanalytisch bestimmte Kenngrößen in Vlies-Mikrostrukturmodelle ein, woraus anschließend makroskopische Materialkennwerte wie der Strömungswiderstand oder das akustische Verhalten ermittelt werden kön-nen [ITWM2003].

Die Faserorientierung wird maßgeblich durch den Vlieslegeprozess bestimmt. Aber auch auf den Legeprozess folgende Verfestigungsschritte beeinflussen die Faserori-entierung. Kim stellt den Einfluss der Faserorientierung sowie der Prozessparameter


auf die Eigenschaften bei Thermobond-Vliesstoffen dar [Kim2001]. Das AiF-Projekt 12461 BG/5 zeigt die Abhängigkeit der Eigenschaften von Thermobond-Vliesstoffen in Abhängigkeit von der Gravurgeometrie und den Prozessparametern [STFI2003]. Im Bericht wird der Einfluss der Faserorientierung auf die Eigenschaften der Vliese betont und die Notwendigkeit genannt, die Faserorientierung bei der Vliesstoffabbil-dung in der Berechnung zu berücksichtigen. Bais-Singh stellt eine Theorie zur Be-rechnung des Zugverhaltens von verfestigten Spinnvliesen dar und erläutert, dass bei asymmetrischen Strukturen die Faserorientierung berücksichtigt werden muss [Bai1995]. Lee untersuchte den Einfluss der Faserorientierung bei vernadelten Vlies-stoffen [Lee2000].

Auch bei der Garnherstellung ist die Faserorientierung beim Kardieren von Bedeu-tung. Sie bestimmt die Eigenschaften des aus dem Kardenflor hergestellten Garns. Nähere Zusammenhänge können jedoch erst bestimmt werden, wenn die Orientie-rung im Kardenflor ermittelt werden kann, bevor es zum Kardenband zusammenge-fasst wird.

Zusammenfassend ist bei Vliesstoffen zwar der Einfluss der Faserorientierungsver-teilung auf die Produkteigenschaften oft bekannt, in vielen Prozessen sind die Beein-flussungsmöglichkeiten der Faserorientierung sowie die Art des Einflusses verschie-dener Steuerungsmöglichkeiten auf die Orientierung nur unzureichend bekannt. Eine Online-Messung der Faserorientierung ermöglicht hier die Erkennung von Zusam-menhängen zwischen Maschineneinstellungen und erreichter Faserorientierung.


2.3. Bildanalyse Unter dem Begriff Digitale Bildanalyse wird im Allgemeinen die automatisierte Ge-winnung von visuellen Informationen aus digitalen Bildern verstanden. Hierzu bedarf es einer speziell an das Problem angepassten Software in Kombination mit einer geeigneten Hardware als Bildquelle. Je nach Anforderung kommen als Bildquellen CCD-Kameras oder Zeilenkameras in Betracht. Die Software dient zur Bildaufberei-tung, Segmentierung und Interpretation der Bilder.

Bei Laborbildanalyseverfahren kommt der Probenvorbereitung eine zentrale Bedeu-tung zu. Dazu ist die Beleuchtung ein wichtiger Aspekt. Jedes Problem, das mit Hilfe von bildanalytischen Systemen gelöst werden soll, bedarf in jedem Fall der Konzepti-on optimal einsetzbarer Aufnahmeanordnungen. Dies betrifft insbesondere die Un-tersuchung von entsprechender Kamera- und Beleuchtungstechnik [IPK1999]. Im Laborbetrieb stellt die Scannertechnik eine sinnvolle Möglichkeit zur Bildaufnahme zur Roh- und Werkstoffcharakterisierung unter optimierten Lichtbedingungen dar, mit der Ausleuchtungsprobleme und Auflösungsprobleme minimiert werden können [Schm1998, IST2001]. In einem im Faserinstitut Bremen laufenden AiF-Projekt zur Bestimmung der Faserorientierungsverteilung als Labormethode wird deshalb die Scannertechnik verwendet [AiF 13298].

Bei Online-Messungen stellt sich eine Vielzahl zusätzlicher Probleme bzw. Einflüsse, die verhindern, dass Labormessmethoden direkt auf den Produktionsprozess über-tragen werden können. Dazu gehören:

Die Beleuchtung muss so gewählt werden, dass sie dem Produktionsprozess optimal entspricht. Zentral ist hier eine konstante, gleichmäßige Ausleuchtung trotz variabler Außenlichtverhältnisse.

Der Einsatz von Scannertechnologie ist nicht möglich, es bleibt jedoch die Wahl zwischen CCD- und Zeilenkameras.

Eine Probenvorbereitung kann nicht erfolgen. Stattdessen müssen Prozess-stellen gefunden werden, in denen das zu betrachtende Material möglichst op-timal vorliegt.

Bewegungen des Materials in Arbeitsrichtungen müssen durch entsprechend kurze Aufnahmezeiten ausgeglichen werden.

Eine hohe Erfassungsrate des Materials ist nur mit entsprechend schneller Bildverarbeitung möglich.

Bewegungen/Vibrationen des Materials in Dickenrichtung erfordern eine er-höhte Schärfentiefe des Systems.

Der Prozess darf durch die Messung nicht beeinflusst werden. Das Kamerasystem muss z.B. Schmutz, Staub und Temperatureinflüsssen

standhalten. Trotz störender Umgebungsbedingungen und möglicher Verschmutzungen

müssen die Randbedingungen für die Messungen und damit die Messergeb-nisse konstant gehalten werden können (automatische Kalibrierung, Selbstrei-nigungsmöglichkeit).


Für 100%-Kontrollen ist die Bildaufnahme ohne Unterbrechungen sowie eine Echtzeit-Bildanalyse erforderlich.

Zusätzlich sind aufgrund der Laufzeit der Systeme Standzeiten und Kosten der Komponenten zu berücksichtigen.

2.4. Online-Messtechnik in der Textilindustrie

Eine umfassende Darstellung bestehender Online-Messmethoden in der Textilindust-rie findet sich im AiF-Abschlussbericht AiF11676 [FIB2000] des Faserinstituts Bre-men. Die derzeitige Entwicklung geht in Richtung Online-Messung, um eine Prozess-regelung und Prozessoptimierung erreichen zu können. Eine direkte Verwertung der Ergebnisse in einen Online-Regelkreis für die Verarbeitungsmaschinen ist dabei vor einer reinen Messung von Kennwerten zu bevorzugen.

Stand der Technik ist die Online-Überwachung der Rohstoffe auf Fremdstoffe. Die Überwachung kann mit abbildenden oder nicht abbildenden Systemen erfolgen. Weiterhin werden in vielen Textilmaschinen Sensoren zur Online-Messung und zur Regelung in Echtzeit eingesetzt. Ein Beispiel ist die Online-Messung der Bandmasse hinter der Karde oder Strecke zur Regelung des zugeführten Materials. Ein bildanaly-tisches Verfahren ist das Gerät "Nepcontrol" der Fa. Trützschler, mit dem Schmutz und Nissen im Faserflor direkt hinter der Karde ermittelt werden. Eindeutiger als in der Online-Rohstoffprüfung haben sich Online-Messmöglichkeiten in der Qualitäts-überwachung der textilen Halbzeuge und Produkte durchgesetzt. Zu nennen sind z.B. die Bestimmung der Garnfeinheit, Garngleichmäßigkeit, Garnhaarigkeit, Dick- und Dünnstellen und Störpartikel.

Verfügbare Messsysteme im Vliesherstellungsprozess werden im Allgemeinen zur Überwachung von Produktmerkmalen eingesetzt. Geprüft wird z.B. die Vliesmasse und ihre Gleichmäßigkeit mit verschiedenen Sensorsystemen, zu denen auch CCD-Kamerasysteme zählen [u.a. Che2001]. Andere Messungen betreffen Oberflächenin-spektionen von Vliesstoffen. Mit einem Bildanalysesystem unter Verwendung von Zeilenkameras können z.B. Dünnstellen, Dickstellen, Flecken, Falten, Streifen, Be-schichtungsfehler, Löcher, Insekten, Formationsfehler bei einer 100%-Erfassung mit bis zu 300 m/min erfasst werden [ISRA2003].

Mit einem Online-Qualitätskontrollsystem können die Qualitätskennwerte in verschie-dener Form über der Maschinenbreite dargestellt werden [Schm1997].

2.5. Messung der Faserorientierung

Zur manuellen Bestimmung der Faserorientierungsverteilung ist es erforderlich, bei-spielsweise anhand von Fotos der Vliesoberfläche einzelne Fasern zu identifizieren und deren Orientierung zu messen. Alternativ können markierte Fasern in den Pro-duktionsprozess eingebracht und anschließend verfolgt werden. Neben diesen auf-wändigen und kostenintensiven Methoden, die in der Praxis wohl nur in Ausnahme-


fällen zum Einsatz gelangen, gibt es indirekte Methoden zur Ermittlung der Orientie-rungsverteilung beispielsweise durch die Analyse der Streuung von Licht beim Durchgang durch das textile Produkt. Ein in der Praxis häufig eingesetztes Verfahren ist ein Festigkeitstest, der, wie Xu u.a. berichten, als Zero Span Tensile Test be-zeichnet wird [Xu1997]. Dazu werden aus dem zu prüfenden Vlies Streifen mit unter-schiedlicher Richtung geschnitten und die Festigkeit in Schnittrichtung bestimmt. Die Festigkeit des Textils ist in erster Näherung umgekehrt proportional zur Abweichung der Faserorientierung von der Zugrichtung.

Mit dem Einsatz der digitalen Bildanalyse lassen sich Verfahren entwickeln, die kos-tengünstiger aussagekräftige Orientierungsverteilung ermitteln können. Die erforder-liche Hardware und die grundlegenden Algorithmen für die Bildvorverarbeitung und die Segmentierung der Fasern unterscheiden sich dabei nicht von denen anderer bildanalytischer Aufgabenstellungen, beispielsweise der Bestimmung der Faserlän-genverteilung [Fib1997, Fisch1999, Ret2000]. Allerdings sind die genannten bildana-lytischen Prozessschritte kritisch im Hinblick auf das Ergebnis der Bildanalyse und bieten zahlreiche Ansatzmöglichkeiten zur Optimierung.

Für die Bestimmung der Verteilungsfunktion werden in der Literatur vier unterschied-liche Verfahren dargestellt: Direkte Faserverfolgung (Direct Tracking) 2-dimensionale Fouriertransformation (2D-FFT) Richtungsfeldanalyse (Flow Field Analysis) Hough-Transformation

Pourdeyhimi u.a. stellen diese Verfahren im Vergleich miteinander dar. Grundlage ihrer Untersuchungen sind simulierte Bilder. Die Evaluierung erfolgt durch simulierte Bilder. Ausschließlich sinusförmige Kräuselungen werden berücksichtigt, Verklum-pungen werden nicht berücksichtigt, der Faserdurchmesser der einzelnen Bilder ist konstant. 1999 erfolgt die Übertragung der Messung auf reale Vliesstoffe. Hier stellt Pourdeyhimi noch einmal deutlich die Bedeutung der Beleuchtung für die Messung heraus, die ausreichend Kontrast bieten muss, um als Basis für die Messung zu dienen. Der Messaufbau ist im Durchlicht gestaltet [Pour - 1996 bis 2002]. Eine weitere bedeutende Serie zum Einsatz der Bildanalyse für die Vliescharakterisierung kommt von Huang und Bresee, die die Bildanalyse zur Bestimmung von Vliesfehlern, der Faserorientierungsverteilung, der Vliesgleichmäßigkeit und des Faserdurchmes-sers eingesetzt haben [Hua1993 bis 1994]. Yan und Bresee stellen auf diesen Grundlagen ein Labor-Bildanalysesystem zur Detektion von Vliesstrukturen mit ins-gesamt sechs verschiedenen Modulen vor [Yan1999].

Die direkte Faserverfolgung ist das bildanalytische Gegenstück zu der oben geschil-derten manuellen Methode. Ausgangspunkt für dieses Verfahren sind binäre Bilder, die Fasern sind dabei auf ihr Skelett reduziert. Unter anderem nach Demant et al.werden mit einem geeigneten Linienverfolgungsalgorithmus die Fasern identifiziert und vermessen [Dem1998] [Gon1996]. Störungen durch fehlerhafte Bildpunkte oder


Uneindeutigkeiten wirken sich nur geringfügig auf das Ergebnis aus, wenn die Fasern mit den jeweiligen Teilfaserlängen gewichtet werden. Nach Pourdeyhimi liefert dieses Verfahren genaue und zuverlässige Ergebnisse, unabhängig von der Vliesstruktur [Pour1996b]. Es können nach Bräunl jedoch bei der Skelettierung dickerer Fasern Artefakte entstehen, die aufgrund ihrer scheinbaren Isotropie zu einer Verbreiterung der ermittelten Orientierungsverteilung führen [Brä1995]. Gong beschreibt die ermit-telte Faserorientierungsverteilung mit einer trigonometrischen Funktion [Gon1996].

In einer Struktur mit gegebener Orientierung treten in Richtung der Orientierung besonders wenig Hell-Dunkel-Übergänge auf, orthogonal dazu besonders viele. Mit der Fouriertransformation in Gestalt der diskreten FFT wird das räumliche Bild (Orts-raum) in ein Frequenzbild umgewandelt, wobei ein steilerer Helligkeitsübergang zu einer höheren Amplitude des Frequenzbildes führt. Das Frequenzbild steht im Zu-sammenhang mit der ortsräumlichen Orientierung des Ausgangsbildes, so dass die Orientierungsverteilung aus dem Frequenzbild abgeleitet werden kann. Die Fourier-Transformation setzt das Vorliegen periodischer Bilder voraus, was jedoch nur in den seltensten Fällen zutrifft. Daher werden durch die Diskontinuitäten an den Bildrän-dern falsche Spektralanteile erzeugt. Dieser Effekt kann durch die Anwendung von Fensterfunktionen reduziert werden [Schr1990], jedoch sind nach Purdeyhimi die ermittelten Verteilungen trotz Korrektur zu breit [Pour1997a].

Die Richtungsfeldanalyse ist eine Technik, bei der die Orientierung lokaler Texturen mit Kanten- oder Gradientenoperatoren ermittelt wird. Grundlage ist die Annahme, dass Kanten in einem Bild Repräsentanten der Orientierung eines Teilbildes sind. Zu ihrer Anwendung wird das Ausgangsbild in eine Serie von Teilbildern zerlegt, deren Orientierung durch Faltung mit einem Satz richtungsabhängiger Operatoren (Sobel, Gauss und andere) bestimmt wird. Da die Operatoren verhältnismäßig klein gewählt werden können (3x3 bis 7x7 Bildpunkte), ist dieses Verfahren schnell. Gradienten-operatoren reagieren empfindlich auf Rauschanteile im Bild, deswegen müssen die Bilder vor der Analyse gefiltert werden, um Rauschen zu beseitigen. Nach Pourdey-himi ist die Richtungsfeldanalyse geeignet, um die Orientierungsfunktion zu ermitteln, jedoch ist die Aussagekraft geringer als die der vorher dargestellten Methoden [Pour1997b, Bar1998].

Die Hough-Transformation ist nach Jähne in der Bildanalyse ein etabliertes Verfah-ren zur Liniendetektion [Jäh1989]. Xu u.a. stellen jedoch in ihren Arbeiten dar, wie sich dieses Verfahren effizient auch zur Messung der Orientierungsverteilung einset-zen lässt. Danach bietet die Hough-Transformation ein genaues und zuverlässiges Verfahren, das unempfindlich gegen Rauschen ist und den Beitrag krauser Fasern zur Faserorientierung automatisch mit berücksichtigt [Xu1997]. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit denen anderer Verfahren. Pourdeyhimi erläutert, dass die Ergebnis-se ähnlich wie der Fourier-Transformation sind. Die Auswahl der Filter beeinflusst die Ergebnisse jedoch deutlich [Pour2002]. Die Fourier-Transformation ist schneller, die Hough-Transformation erlaubt jedoch eine direkte Orientierungsangabe aus den Ergebnissen ohne weitere Berechnungen [Gha2002].


Eine andere Methode der Ermittlung der Faserorientierung stellt die Beugung eines Laserstrahls durch das Vlies dar [Veer1996] [Zhou2003] [Paz1995]. Pazolt überprüfte diese Methode auf ihre Online-Einsetzbarkeit. Ergebnis ist eine Beugungsellipse, deren Achsenverhältnis mit dem Vlieshöchstzugkraftverhältnis (längs/quer) korreliert. Das Verfahren ist im Bereich von 20 bis 120 g/m² einsetzbar, da einerseits ausrei-chend beugende Strukturen vorhanden sein müssen, andererseits eine zu starke Schwächung des Laserstrahls auftritt.

Für die Ermittlung der Orientierung sind grundsätzlich zwei Ansätze zu unterschei-den: makrostrukturelle und mikrostrukturelle Verfahren. Wenn die bildanalytische Auflösung nicht ausreicht, um einzelne Faser zu erkennen, ist gleichwohl eine Textur zu erkennen, die richtungsspezifische Informationen enthält. Zu dieser makrostruktu-rellen Untersuchung wird ein bildanalytisches Verfahren verwandt, das als Grauwert-übergangsanalyse bezeichnet wird. Die Funktion f(i, j, d, a) gibt die relative Häufigkeit an, mit der zwei Pixel mit den Grauwerten i und j im Abstand d in Richtung a im Bild auftreten. Mit dieser Definition lassen sich richtungsabhängige (beispielsweise für 0°, 45°, 90° und 135°) Grauwertübergangs-Matrizen (Co-occurrence-Matrizen) berech-nen, aus denen dann weitere statistische Parameter ermittelt werden. In diesem Zusammenhang besonders interessant sind die Energie, die Entropie und die Träg-heit, die wie folgt definiert sind [Hab1988]

Energie = 2),,,(

i j Sdajif

Entropie = S

adjifS

adjifi j

),,,(log),,,(

Trägheit = i j S

adjifji ),,,(2 ,

dabei ist i j

adjifS ),,,( .

Die Energie charakterisiert die Homogenität der untersuchten Struktur, je höher die Energie, desto höher die Homogenität der Textur. Die Entropie charakterisiert die Ungeordnetheit, je höher die Entropie, desto ungeordneter ist das untersuchte Bild. Die Trägheit beschreibt lokale Änderungen, wenn das Bild viele unterschiedliche Grauwerte aufweist oder die Grauwertunterschiede benachbarter Pixel hoch sind, ist auch die Trägheit hoch [Tho1999]. Höher aufgelöste Bilder des zu untersuchenden Materials gestatten den Übergang zur mikrostrukturellen, das heißt einzelfaserge-stützten Analyse.

Bisher wurde nicht eindeutig auf die dritte Dimension der Vliesstoffe eingegangen. Einerseits können Fasern eine Orientierung auch in Vliesdickenrichtung aufweisen,


gerade bei der mechanischen Verfestigung ist dieser Effekt gewünscht. Die dreidi-mensionale Faserorientierungsverteilung kann mit keiner der beschriebenen Metho-den gemessen werden. Krucinska gibt jedoch eine Tensordarstellung als Möglichkeit zur Beschreibung dieser Orientierung an [Kru2000]. Die dritte Dimension wird im Projekt nicht weiter betrachtet. Weiterhin kann die zweidimensionale Orientierung in verschiedenen Teilschichten eines Vlieses unterschiedlich sein. Ein Beispiel ist die Krempeltechnik, bei der die Fasern in Abhängigkeit von ihrer Lage in der Garnitur ausgerichtet werden. Bei Messungen an der Vliesoberfläche wird nur die oberste Schicht des Vlieses vermessen, so dass sich eine gemessene Vliesorientierungsver-teilung ergeben kann, die nicht dem gesamten Vlies entspricht. Bei Durchlicht-Messungen jedoch wird die Orientierungsverteilung über der gesamten Vliesdicke berücksichtigt.

2.6. Ermittlung der mechanischen Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Vliesstoffen können experimentell ermittelt werden. Signifikante Größen wie die Höchstzugkraft, die Höchstzugkraftdehnung oder das Arbeitsvermögen von Vliesstoffen können durch geeignete Messverfahren ermittelt werden. Der Einfluss der Faserorientierung auf diese richtungsabhängigen Größen kann im Experiment nachgewiesen werden [STFI2003]. Die ermittelten Er-gebnisse hängen von der Summe der anlagenspezifischen Prozessparameter ab. Dies beeinträchtigt die Umsetzung der Ergebnisse auf andere Anlagen und Prozes-se.

2.7. Versuchsplanung und Signifikanzanalyse

Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Anlagen und Prozesskonfigurati-onen zu ermöglichen, müssen die relevanten Prozessgrößen eindeutig identifiziert werden. Aus diesem Grund müssen die verschiedenen einflussnehmenden Faktoren gemeinsam auf ihr Verhalten hin untersucht werden. Dies kann mit der verschiede-nen Methoden, wie zum Beispiel dem „Design of Experiments“ durchgeführt werden [Pfei1993].

Um den anfallenden, Messaufwand zu minimieren, wird ein sogenannter Screening-Plan für mehrstufige Faktoren angesetzt. Dieser Plan dient vor allem für die folgende Signifikanz-Analyse der wichtigsten Einflussfaktoren. Die Auswertung der Signifi-kanz- oder auch Varianz-Analyse identifiziert die für das mechanische Verhalten maßgeblichen Faktoren. Eine weitere Fragestellung ist die Wechselwirkung zwischen den Prozessstufen in der Weiterverarbeitung und der Faserorientierung. Die Identifi-zierung der signifikanten Wechselwirkungen kann durch eine mehrfache Varianzana-lyse erfolgen.


2.8. Meta-Modell

Um die bisher erforderliche Anzahl an Versuchskonfigurationen zu reduzieren, ist die Aufstellung eines Meta-Modells zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens mit den Parametern Faserorientierung und Anlagenkonfiguration eine geeignete Metho-de. Mit diesem Meta-Modell soll es ermöglicht werden, virtuelle Parameterstudien durchzuführen, mit denen dann Model-in-the-Loop-Simulationen ausgeführt werden können.

Meta-Modelle können als weitere Abstraktion eines Modellansatzes verstanden wer-den. Diese Modelle beschreien das Verhalten eines Systems als approximierte Ant-wort einer Ausgangsgröße in Abhängigkeit von einem Satz von Eingangsgrößen. Für eine gegebene Aufgabenstellung kann ein Meta-Modell unter Verwendung von Da-tenpunkten konfiguriert werden um das Verhalten einer Ergebnisgröße als Antwort auf einen Satz von Designparametern zu definieren. In der Regel wird ein Meta-Modell unter Verwendung von Stützpunkten modelliert um die Antwort des Systems auf eine beliebige Kombination der Eingabeparameter zu ermitteln. Es ist daher von großer Bedeutung, die Funktion und Stabilität und Grenzen des Modells unter Ver-wendung von Prüfdaten abzusichern.

Es sind unterschiedliche Ansätze zur Aufstellung von Meta-Modellen bekannt. Eine sehr verbreitete Methode ist die Regressionsanalyse. Die Regressionsanalyse ermit-telt die mit Gewichtungsfaktoren versehenen Linearkombinationen der signifikanten Parameter, die eine den gemessenen Daten angenäherte Funktion dar-stellt.[Dab1998].

Die Regressionsanalyse liefert im Bereich linearer Abhängigkeiten und/oder enger Modellgrenzen gute Ergebnisse. Bei weiten Modellgrenzen und starken Nichtlineari-täten wird im zunehmenden Maße die Anwendung Neuronaler Netzwerke bevorzugt. [Dab 2002] Dieses virtuelle Netzwerk besteht in den meisten Anwendungen aus einer Eingangs-, einer Verarbeitungs- und einer Ausgabeschicht. Die jeweiligen Schichten sind miteinander verbunden. Die Verarbeitungsschicht besteht aus Neuronen, die jeweils durch eine nichtlineare Funktion multipliziert mit einem Gewichtungsfaktor repräsentiert werden.

Durch die Vorgabe von Testdaten, bestehend aus den signifikanten Parametern mit den dazugehörigen Ergebnissen, werden die in der Verarbeitungsschicht anstehen-den Neuronen trainiert. Die Gewichtungsfaktoren werden so angepasst. Dass durch die Eingabe passender Werte, die dazugehörigen Messwerte ausgegeben werden. Problematisch an diesem Verfahren sind jedoch die richtige und genügende Anzahl an Testdaten sowie die mangelnde Modelltransparenz.

Ein weiterer Ansatz ist die „Gaussian Process Prediction Method“. Hier wird die Mo-dellbildung mit Hilfe statischer Methoden durchgeführt. Der große Vorteil dieses Verfahrens ist der angegebene Vertrauensbereich zu den jeweils gelieferten Modell-ergebnissen. Damit ist eine hohe Transparenz in der Anwendung gegeben. Unab-


hängig von dem Ansatz der Modellbildung ist eine abschließende Modellverifikation notwendig.

2.9. Prozessanpassung

Mit dem so gewonnen Modell können dann mittels numerischer Verfahren und unter vorgegeben Randbedingungen, wie z.B. MD/CD-Verhältnisse für ausgewählte me-chanische Eigenschaften, optimierte Prozessparameter bestimmt werden. Durch die Verwendung von Response-Surfaces werden die Ergebnisse einer virtuellen Para-metervariation auf der Oberfläche repräsentiert. Ausgehend von einem Startpunkt kann das Optimum dieser Variation ermittelt werden. Zu berücksichtigen sind dabei lokale Maxima und Minima.


3. Forschungsziel / Lösungsweg

3.1. Forschungsziel

Im Folgenden sind wesentliche Punkte aus dem Forschungsantrag wiedergegeben. Sowohl für die Überwachung, Dokumentation, Steuerung und Regelung der Produk-tion als auch für die Qualitätsüberwachung der hergestellten Vliese und Flore ist es erforderlich, die Faserorientierungsverteilung zu bestimmen. Die Einhaltung einer reproduzierbaren und homogenen Faserorientierung über die Materialbreite und über die Produktionszeit ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal.

Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung einer Online-Messtechnik auf der Basis einer digitalen Bildverarbeitungsanlage, mit der die Faserorientierungsvertei-lung im laufenden Vliesherstellungsprozess gemessen, dokumentiert und beurteilt wird. Das Verfahren soll zunächst prinzipiell für alle gängigen Vliesherstellungsver-fahren (verschiedene Trockenvliesverfahren sowie Extrusionsvliesstoffherstellung) und alle Fasertypen entwickelt werden. Eingeschränkt bleibt das Verfahren auf den Vlieslegeprozess ohne folgende Verfestigungsschritte. Zum Ende des Projektes soll das Verfahren an kommerziellen Vliesherstellungsanlagen implementiert und sein praktischer Einsatz nachgewiesen werden.

Die Ergebnisse der Messungen können verwendet werden, um Einflüsse auf die Faserorientierung zu erkennen. Mittelfristig sollen sie eingesetzt werden können, um den Vliesherstellungsprozess aufgrund der ermittelten Daten direkt regeln zu können.Durch die Implementierung einer Signifikanzanalyse kann die Gewichtung der anla-genabhängigen Einflussfaktoren in Bezug auf die Faserorientierung des Zwischen-produktes besser bestimmt werden. Der Ansatz ermöglicht es, Stellbereiche mit sehr großem Einfluss auf die Faserorientierung ebenso wie Parameterzonen mit niedriger Signifikanz zu identifizieren. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Ar-beitsaufwands bei der Anpassung einer Anlage zur Florherstellung an geforderte Eigenschaften bezüglich der Faserverteilung.

Dies kann mittelfristig zur Entwicklung eines Regelalgorithmus für die Steuerung der relevanten Stellgrößen der in der Florherstellung eingesetzten Anlagen genutzt wer-den. Die Ergebnissee der Faserorientierungsmessung bilden die Eingangsgrößen des Regelkreises. Nach dem Abgleich mit einem vordefinierten Sollwert wird die Stellgröße ermittelt, die an der Produktionsanlage umgesetzt wird.

Analog zu diesem Ansatz erfolgt der Aufbau des Regelkreises für die nachgeschalte-te Vliesverfestigung. Hier bildet das geforderte mechanische Verhalten den Sollwert, der mit den aus der Vliesstoffprüfung gewonnenen Eingangsgrößen verglichen wird. Hier muss entschieden werden, ob der Regelmechanismus ausschließlich auf die


Faserorientierung einwirken soll, oder ob eine Beeinflussung des Verfestigungspro-zess implementiert wird. Innerhalb des Projektes steht eine Breite Palette verschiedener Anlagen zur Vliesver-festigung zur Verfügung, auf denen diese Versuche durchgeführt werden können.

3.1.1. Angestrebte Forschungsergebnisse

Zentraler Aspekt dieses Projektes ist die Entwicklung und Übertragung der bildanaly-tischen Bestimmung der Faserorientierungsverteilung auf den laufenden Vliesherstel-lungsprozess. Das System soll dabei möglichst universell, d.h. unabhängig vom Vlieslegungsverfahren eingesetzt werden können. Ausgehend von dem abgeschlos-senen AiF-Forschungsprojekt AiF 13298 wurde das Verfahren mit der „Direct Tra-cking“ Methode zur Bestimmung der Faserorientierungsverteilung mit der Bildanalyse ausgewählt, um die Online-Messung umzusetzen.

Ergebnis ist ein Messaufbau, der zunächst an Technikumsanlagen aufgebaut und optimiert wird, und der anschließend in kommerziellen Vliesherstellungsanlagen überprüft wird. Bei weiteren Vliesherstellungsmethoden wird die Eignung ebenfalls praktisch nachgewiesen. Angepasst wird dabei die Aufnahmetechnik, die Beleuch-tung, die Bildaufbereitung, die Bildanalyse und die Ergebnisaufbereitung.

Die Messergebnisse des Aufbaus sollen in Qualitätskennzahlen ausgedrückt werden, die direkt mit den Produkteigenschaften zusammenhängen. Die Kennzahlen müssen qualifiziert und verifiziert sein. Die insgesamt ermittelten Kennzahlen bilden die Ein-gangsgröße für die Signifikanzanalyse. Hier wird der Einfluss aller relevanten Pro-zessgrößen auf das Ergebnis betrachtet. Im einfachsten Fall geschieht dies durch die Variation einer einzelnen Prozessgröße während alle anderen Einflussfaktoren un-verändert bleiben. Aus der Veränderung der Faserorientierung lässt sich die Signifi-kanz der Prozessgröße ableiten.

Die geforderte Übertragbarkeit der Ergebnisse auf abweichende Prozesskonfigurati-onen erfordert es, alle relevanten Prozessgrößen eindeutig zu identifizieren. Daraus folgt, dass die verschiedenen einflussnehmenden Faktoren gemeinsam auf ihren Einfluss hin untersucht werden müssen. Dies kann mit der verschiedenen Methoden der Versuchsplanung realisiert werden.

Zur Reduzierung des Messaufwandes wird ein Screening-Plan für mehrstufige Fakto-ren aufgestellt. Dieser Plan dient zur Signifikanz-Analyse der wichtigsten Einflussfak-toren. Die maßgebenden Faktoren werden durch die Auswertung der Signifikanz- oder auch Varianz-Analyse identifiziert. Die mögliche Wechselwirkung zwischen den einzelnen Prozessstufen wird durch eine mehrfache Varianzanalyse ermittelt.

In der Planung des zukünftigen Einsatzes vorzusehen ist die Messung der Faserori-entierung sowohl über die Materialbreite als auch über die Produktionszeit. Ziel ist


die Überwachung der gesamten Vliesherstellung, wobei eine 100%-Kontrolle des Materials mit den heute gegebenen technischen Möglichkeiten jedoch nicht erreich-bar ist.

Die Variabilität des Messverfahrens für verschiedene Vliesherstellungsprozesse wird über Auflicht-Messungen sichergestellt. Weiterhin wird bei geeigneten Vliesdicken und Messstellen im Prozess die Durchlichtmessung zur Berücksichtigung verschie-dener Faserorientierungen in der Materialdicke einbezogen.

3.1.2. Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

In dem beantragten Projekt sollen Methoden der Bildanalyse zur Messung der Fa-serorientierung für die Online-Messung der Faserorientierung eingesetzt werden. Die Verteilung der Faserorientierung spielt eine wichtige Rolle für die mechanischen und weitere Eigenschaften der Vliesstoffe.

Durch die Online-Überwachung können: Prozesseinflüsse auf die Faserorientierung ermittelt werden. Abweichungen von der geforderten Orientierung detektiert und durch die Pro-

zesssteuerung oder -regelung ausgeglichen werden. Durch die Sicherstellung der Faserorientierung können Produktmängel ver-

mieden werden.


3.2. Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

3.2.1. Lösungsanteil des Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) und des Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. (STFI)

Die Kompetenz des STFI liegt im Bereich der wissenschaftlichen Betrachtung der Vliesstoffherstellung. Ein Forschungsbereich des Faserinstituts Bremen ist die Mess-technik. Hier liegt eine bedeutende Kompetenz in der Bildanalyse im Faserbereich. Die hier gewonnenen Erkenntnisse und Algorithmen werden im beantragten Projekt auf die Online-Messung im Vliesherstellungsprozess übertragen. Die Geräte zur Bildanalyse werden, soweit möglich, ebenfalls für das Projekt eingesetzt.

Zur Bildaufnahme wird eine CCD-Kamera eingesetzt. Zur Beleuchtung werden ver-schiedene Lichtquellen verwendet. Vorzugsweise wird die Blitzlichttechnik eingesetzt, um mit den kurzen Leuchtzeiten Bildaufnahmen bei hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Zur Bildanalyse (Segmentierung und Analyse) werden Algorithmen aus dem abgeschlossenen AiF-Projekt AiF 13298 verwendet und angepasst. Eine An-passung ist aufgrund der veränderten Bildaufnahmen mit deutlich verringerter Bild-qualität unvermeidlich. Bei der Auswahl berücksichtigt werden die Ergebnisse der im genannten Projekt durchgeführten Referenzmessungen: a) Festigkeitsmessungen an den untersuchten Mustern, b) Ergebnisse aus der Analyse simulierter Vliesbilder. Weiterhin wird der Berechnungsaufwand für den einzusetzenden PC berücksichtigt.

Weitere erforderliche Referenzmessungen werden entweder über simulierte Faser-orientierungsverteilungen oder über manuelle Verfolgung einzelner markierter Fasern bei Vliesproben durchgeführt. Gerade für die Qualifizierung der Messergebnisse sind diese Referenzmessungen unvermeidlich. Weiterhin geklärt werden muss u.a. der Einfluss der Länge der untersuchten Teilabschnitte auf das Orientierungsmesser-gebnis. Dazu findet die im STFI entwickelte Methode der Stereophotogrammetrie im Projekt eingesetzt.

Gerade für die Qualifizierung der Messergebnisse sind diese Referenzmessungen unvermeidlich. Weiterhin geklärt werden muss u.a. der Einfluss der Länge der unter-suchten Teilabschnitte auf das Orientierungsmessergebnis.

Zur Messung der Faserorientierung werden sowohl die Auflicht- als auch die Durch-lichttechnik zur Bildaufnahme verwendet. Die Auflichttechnik ist einfach in verschie-dene Produktionsprozesse integrierbar, ergibt jedoch nur Aussagen über die Vlies-oberfläche. Die Durchlichttechnik benötigt ein durchleuchtbares Vlies. Weiterhin muss eine Prozessstelle gegeben sein, an der das Vlies durchleuchtet werden kann.

Zunächst wird die Messvorrichtung im Labor aufgebaut. Untersucht werden in Tech-nika oder Industriebetrieben hergestellte Vliesmuster.


Die inhaltliche Bearbeitung des Projektes erfolgt parallel auf verschiedenen Wegen:

A) Laboruntersuchungen - offline An einer diversen Vliesmusterzahl werden Bildaufnahmen und Bildanalyse offline im Labor durchgeführt. Ermittelt werden soll die Einsatzmöglichkeit des Systems für verschiedene Vliesherstellungsprozesse und unterschiedliche eingesetzte Faserarten bzw. Faserqualitäten. Auch Fasermischungen werden dabei berücksichtigt. Bei ein-zelnen Vliesherstellungsprozessen werden Muster mit gezielt veränderter Faserori-entierungsverteilung vermessen, um Aussagen über erreichbare Messbarkeit verän-derter Faserorientierungen zu evaluieren.

B) Laboruntersuchungen an einem LaborvliesherstellungsprozessDer erste Schritt zur Online-Messung erfolgt an einer Laborkrempel, die für dieses Projekt so umgerüstet wird, dass eine maximal mögliche Variation der Faserorientie-rung z.B. über die Variation der Tambour- und Abzugswalzengeschwindigkeit erreicht wird. An diesem Gerät werden verschiedene Faserarten bei verschiedenen Prozess-einstellungen verarbeitet und das entstehende Vlies online vermessen. In diesem Stadium der Bearbeitung ist die örtliche Nähe zwischen Institut und Messlabor un-verzichtbar, da viele Optimierungsschritte vorzusehen sind. Weiterhin können in Industriebetrieben hergestellte Vliese über ein Transportband bewegt und so die Messung einer im Vliesherstellungsprozess bewegten Ware nachgestellt werden.

C) Übertragung der Bildanalyse auf den Technikumsmaßstab bei vorhandener Bild-aufnahmetechnikBei Trützschler werden mit dem vorhandenen Bildaufnahmesystem Bilder vom Kar-denvlies bei gezielt variierten Prozesseinstellungen aufgenommen und dem Faserin-stitut zur Analyse zur Verfügung gestellt. Diese Bilder werden im FIBRE analysiert.

D) Übertragung der Bildaufnahme und Bildanalyse auf das Technikum des STFI Im STFI werden Faservlies aus verschiedenen Faserarten sowie variierten Linienge-schwindigkeiten hergestellt. Nach der Krempel und nach dem Leger werden über die AnlagenbreiteFlor- bzw. Vliesproben entnommen und zur offline Bestimmung der Faserorientierung im STFI e.V. bzw. Faserinstitut Bremen verwendet.

Nach der Installation der ersten Online- Messtechnik an der Technikumsanlage des STFI e.V. werden Orientierungsmessungen Online durchgeführt. Zunächst erfolgt in Versuchen eine Optimierung der Bildanalyseeinrichtung. Nach Durchführung erfor-derlicher Anpassungen werden systematische Versuche gefahren und mit der Bild-analytik vermessen. Die Ergebnisse werden mit den Resultaten parallel durchgeführ-ter Offline-Bestimmungen verglichen.


E) Übertragung der Bildaufnahme und Bildanalyse auf den Technikumsmaßstab bei IndustriepartnernBei einigen Industriepartnern werden Versuche im Technikum mit der im Technikum des STFI optimierten Bildanalyse durchgeführt. Dazu wird der Bildaufnahmeaufbaudort installiert und Messungen bei variierten Prozesseinstellungen und mit verschie-denen Materialien durchgeführt. Zunächst werden die Bilder nur aufgenommen und zeitlich abgetrennt analysiert, später erfolgt Bildaufnahme und Bildanalyse parallel. Ausgewählt werden hier Herstellungsprozesse, bei denen die Laborversuche positive Ergebnisse zeigen.

F) Übertragung der Bildaufnahme und Bildanalyse auf eine laufende Produktion für erste Herstellungsprozesse Der so in Labor und Technikum erprobte Aufbau wird in einen laufenden Industrie-prozess integriert und mit ihm Messungen durchgeführt. Vorgesehen ist dieser Schritt zunächst bei der Firma NAFGO, Neerstedt, die Bastfasern mit einem Krem-pelprozess verarbeiten.

Aspekte, die mit den o.g. Lösungsschritten untersucht werden, sind u.a.: Findung optimaler Messstellen in den Verarbeitungsprozessen Bildaufnahme- und Beleuchtungsaufbau Einfluss der Verarbeitungsgeschwindigkeit auf die Messbarkeit, maximale

Prozessgeschwindigkeit Verminderung der Bildaufnahmegüte durch Vibrationen bzw. Bewegungen in

Tiefenrichtung Ermittlung möglicher Störeinflüsse Konstanz der Messergebnisse, Kalibrierungsmöglichkeiten, Verschmutzungs-

anfälligkeit


3.2.2. Lösungsanteil des Bremer Instituts für Konstruktionstechnik (BIK)

Das Bremer Institut für Konstruktionstechnik erarbeitet und implementiert die Werk-zeuge zur Identifikation des Einfluss der verschiedenen Prozessgrößen auf die Ver-teilung der Faserorientierung im nicht verfestigten Vlies. Aufbauend auf eine optimier-te Versuchsplanung wird die Signifikanz der einzelnen Größen identifiziert.

Darüber hinaus wird ein System entwickelt, das es ermöglicht, die bei der experimen-tellen Untersuchung gefundenen Zusammenhänge zwischen den veränderlichen Einflussgrößen und dem daraus resultierenden Ergebnis leichter auf andere Anlagen zu übertragen. Im gegebenen Anwendungsfall wird der Einfluss der Anlagenparame-ter bei der Vliesherstellung auf die Faserorientierung identifiziert. Aufbauend auf diese Daten wird ein Regelkreis abgebildet, der es ermöglicht, die Wahl der erforder-lichen Anlagenparameter zum Erreichen einer bestimmten Faserorientierung einzu-grenzen. Durch die Eingrenzung der relevanten Stellgrößen ermöglicht dieses Meta-Modell in der Praxis ein schnelleres Erreichen geforderter Betriebszustände.

Die Umsetzung dieses Modellansatz auf den folgenden Verarbeitungsschritt, die Verfestigung des Vliesstoffes, erfolgt in vergleichbarer Weise. Die Realisierung des Projektziels erfolg in den folgenden Arbeitspaketen:

A) Versuchsplanung Laborversuche Unter dem Aspekt der nachgeschalteten Signifikanzanalyse kommt der Auswahl der für die Versuche relevanten Faktoren eine große Bedeutung zu. Gleiches gilt für die Abschätzung der möglichen Wechselwirkungen, die erforderlich ist, um bei einer Begrenzung der Versuchsanzahl ein Maximum an relevanten Daten zu gewinnen.

B) Signifikanzanalyse für die FaserorientierungDie in den Laborversuche gewonnen Daten werden in der Signifikanzanalyse für den Aufbau des Meta-Modells aufbereitet. Die Signifikanzanalyse ermöglicht die Gewich-tung der anlagenabhängigen Einflussfaktoren in Bezug auf die Faserorientierung des unverfestigten Vlies. Der Ansatz ermöglicht es, Stellbereiche mit sehr großem Ein-fluss auf die Faserorientierung ebenso zu identifizieren wie Parameterzonen mit niedrigem Einfluss.

C) Konzeption des Meta-Modells für die FaserorientierungFür die Realisation eines Meta-Modells stehen eine Anzahl verschiedener Techniken zur Verfügung. Neben der linearen Regression, die zur Bestimmung von Response-Surfaces eingesetzt wird kann eine nichtlineare Regression in Form von Neuronalen Netzwerken oder eine Gausch´sche Prozessvorhersage-Methode angewendet wer-den.Die Eignung der jeweiligen Methode ist unter anderem abhängig von der Linearität der Basisdaten und den Modellgrenzen. Die Auswahl der geeigneten Methode ist somit von der Art der experimentell ermittelten Daten abhängig und im Vorfeld nicht


abschließend zu klären. Testläufe der verschiedenen Modellansätze sind vor der eigentlichen Modellbildung nicht zu vermeiden.

D) Umsetzung des Meta-Modells für die Faserorientierung Der anschließende Aufbau des Modells erfolgt unter Verwendung der in der Signifi-kanzanalyse gewonnenen Einflussfaktoren. Die experimentell ermittelten Daten wer-den zur Abbildung eines virtuellen Versuchaufbaus eingesetzt. Hier ist es ist von entscheidender Bedeutung, den Umfang der zur Konditionierung genutzten Daten richtig zu bemessen um ein „Over-fitting“ des Modells zu Vermeiden. Dies wird durch einen Referenzdatensatz abgesichert. Dieses Feld von im Laborbetrieb gewonnenen Eingangs- und Ergebnisdaten wird nicht zur Definition der Modellparameter herange-zogen und kann so anschließend genutzt werden, das korrekte Verhalten des Mo-dells zu überprüfen

E) Versuchsplanung für die Technikums- und Industrieversuche Die Planung der Versuche im Technikum und auf Industrieanlagen erfolgt nach dem unter A) beschriebenen Ansatz. Die im ersten Versuchsdurchlauf gewonnen Er-kenntnisse können hier für eine optimierte Planung verwendet werden. Dies ist erfor-derlich, da die Technikums- und Industrieanlagen eine größere Anzahl freier Parame-ter abbilden, die berücksichtigt werden müssen ohne den erforderlichen Versuchs-umfang zu stark anwachsen zu lassen.

F) Signifikanzanalyse für die Vliesstoffeigenschaften Der folgende Schritt der Prozesskette, die Verfestigung des Vliesstoffs, wird durch einen Modellansatz abgebildet, der der Vorgehensweise bei der Modellbildung der Faserorientierung gleicht. Hier wird der Einfluss der Eingangsdaten auf die resultie-renden mechanischen Eigenschaften des verfestigten Vliesstoffs untersucht. In ers-ter Linie sind dies die Höchstzugkraft und die Höchstzugkraftdehnung des Materials. Von herausgehobenem Interesse ist hier insbesondere die Richtungsabhängigkeit der Kennwerte. Die Signifikanzanalyse wird eingesetzt zur Identifikation von Lö-sungsansätzen genutzt, die es ermöglichen sollen, ein angestrebtes MD/CD-Verhältnis der mechanischen Eigenschaften besser zu erreichen.

G) und H) Konzeption und Umsetzung des Meta-Modells für die Vliesstoffeigenschaf-tenAnalog zur Vorgehensweise für die Faserorientierung wird hier ein Metamodell auf-gebaut, das für ausgewählte Verfestigungsverfahren die Zusammenhänge in Ein-flussmöglichkeiten für die mechanischen Vliesstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der Faserorientierung und den Verarbeitungsparametern in Berechnungssystem abbildet.Die Anwendung dieses Modells soll es ermöglichen, eine Regelung der Verfesti-gungsparameter für verschiedene Anlagen abzuleiten. Ausgehend von einem Ver-gleich zwischen den geforderten und gegenwärtigen Vliesstoffeigenschaften, werden Vorschläge zur Konfiguration der in Frage kommenden Stellgrößen bestimmt. Durch


eine iterative Nutzung kann so die verbleibende Differenz zwischen geforderten und erreichten Eigenschaften reduziert werden.

Aspekte, die mit den o.g. Lösungsschritten untersucht werden, sind u.a.: Signifikanz der Anlagenparameter in Bezug auf die Faserorientierung Beeinflussbarkeit der Anlagenparameter Regelkriterien für relevante Anlagenparameter Identifikation von sensiblen Prozessgrößen


4. Angewandte Verfahren und Methoden

4.1. Online und Labormethoden (FIBRE)

4.1.1. Bildanalytischer Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau wurde aus den folgenden Komponenten aufgebaut.

Kamera Framegrabberkarte Ringblitz Blitzsteuerung Rechner Software

4.1.1.1. Versuchsaufbau mit Blitzsteuerung

Kernstück des Aufbaus ist die CCD-Kamera mit einem geregelten Diodenringblitz. Mit der Blitzsteuerung können sowohl die Blitzdauer als auch die Blitzintensität ein-gestellt werden. Diese Voreinstellungen waren manuell an dem Blitzsteuergerät vorzunehmen. Eine Fernsteuerung über den PC war mit der gewählten Einrichtung nicht möglich. Mit einer Zusatzschaltung über die parallele Schnittstelle wurde das Blitzsteuergerät angesprochen, der damit den Blitz auslöste.

4.1.1.2. Versuchsaufbau mit Verschlusszeitenregelung

Bei extrem kurzen Belichtungszeiten nimmt die Beleuchtungsintensität der Leuchtdi-oden ab, so dass qualitativ geeignete Aufnahmen gerade unter dem Einfluss von Fremd- oder Tageslicht schwer zu realisieren sind. Hierzu wurde ein zweiter Ver-suchsaufbau mit einer Verschlusszeitenreglung aufgebaut. Die Komponenten ent-sprechen im Wesentlichen denen des ersten Aufbaus. Die Blitzsteuerung entfällt, die Beleuchtungsintensität wird manuell über das Versorgungsnetzteil geregelt. Um eine weiter Steigerung der Lichtausbeute zu erzielen, wurde aus Eigenmitteln eine Ring-leuchte mit weißen Leuchtdioden angefertigt.

4.1.2. Entwicklung und Design der Bildanalysesoftware


Für viele bildanalytisch gestützte Prüfverfahren ist es angemessen, in relative kurzer Zeit zahlreiche digitale Aufnahmen des Prüfmaterials bzw. –gegenstands anzuferti-gen und die zeitaufwändige Auswertung im Stapelbetrieb beispielsweise über Nacht vorzunehmen, um am nächsten Tag die Resultate zu erhalten. Für die Online-Prüfung ist dieses Vorgehen jedoch völlig inadäquat. Hier werden Ergebnisse in Echtzeit erwartet, um etwa auf unerwünschte Veränderung der Produktparameter mit einer Regulierung der Prozessparameter zu reagieren.

Der Begriff „Echtzeit“ ist im diesem Zusammenhang großzügig auszulegen. Aufgrund des Standes der Technik ist mit Latenzzeiten von etlichen Sekunden bis hin zu Minu-ten zu rechnen. In Anbetracht des Fehlens einer Alternative erscheint dies tolerabel, weist jedoch auch darauf hin, dass die Performance (vor allem die Ausführungsge-schwindigkeit) der Hard- und Software bedeutsam ist.

Dabei sind zwei Aspekte hervorzuheben:

- Die Auflösung des Bildsensors Die gewählte Auflösung stellt immer einen Kompromiss zwischen der Feinheit der notwendigen Detailauflösung und der Verarbeitungsgeschwindigkeit dar. Zum Beispiel ist für die Bestimmung des Faserquerschnitts zu gewährleisten, dass hinreichend viele Pixel einen Faserquerschnitt abdecken, eine Pixelgrö-ße von 1 μm. Dabei würde ein Sensor mit einer Auflösung von 1000 x 1000 Pixeln gerade 1 mm2 erfassen. Um den Verlauf von Fasern zu erfassen, reicht jedoch eine weit geringere Auflösung, weil Fasern auch dann detektiert wer-den, wenn der Faserquerschnitt im Subpixelbereich ist, etwa 40 μm erscheint ein angemessener Wert zu sein. Bei der angenommenem Auflösung des Sen-sors wird damit ein Ausschnitt von 1600 mm² pro Bild erfasst, was eine hinrei-chend große Stichprobe darstellt.

- Die Ausführungsgeschwindigkeit des Prozessors Die Taktfrequenz von Prozessoren ist ein wesentliches Maß der erzielbaren Ausführungsgeschwindigkeit. In erster Nährung gilt, dass eine Verdoppelung der Taktfrequenz eine Verdoppelung der Rechengeschwindigkeit bzw. eine Halbierung der Latenzzeit bewirkt. Die immensen Leistungssteigerungen von PCs in den letzten Jahren gingen immer einher mit der Steigerung der Takt-frequenz von wenigen MHz bei den ersten PCs bis zu einigen GHz bei den heutigen Standardgeräten. Diese Entwicklung stößt jedoch an physikalische Grenzen und wird sich so nicht fortsetzen. Deswegen gehen alle Hersteller von Prozessorchips dazu über, mehrere Prozessoren auf einem Chip zu integ-rieren. „Dual Core“-Rechner stellen bereits den Standard dar, Hi-end-Rechner sind mit „Quad Core“-Prozessoren ausgestattet und im Workstation-Bereich sind bereits acht oder mehr CPUs integriert.Die Steigerung der Taktfrequenz kommt allen Algorithmen zugute. Bei der Er-höhung der Prozessoranzahl müssen bei der Implementierung der Software


explizit Vorkehrungen getroffen werden, um die Hardware-Möglichkeiten aus-zuschöpfen.

4.1.3. Messen der Orientierung mit direkter Faserverfolgung

Die in der Literatur als „Direct Tracking“ bezeichnete Methode der direkten Faserver-folgung setzt ein segmentiertes und skelettiertes Eingangsbild voraus. Zum Detektie-ren von Fasern werden ausgehend von zwei beliebigen, benachbarten Konturpunk-ten alle Nachbarn, die sich innerhalb eines Toleranzbereiches um die gegenwärtige Orientierung befinden, als Kandidaten betrachtet. Ein Kandidat wird nur dann zu als Konturpunkt identifiziert, wenn die entstehende Kontur einem bestimmten Kriterium genügt, beispielsweise müssen alle Konturpunkte auf einer Geraden liegen. Die identifizierten Kantenpunkte werden markiert und bei der weiteren Untersuchung nicht mehr berücksichtigt. Konturen, die eine bestimmte Mindestlänge (beispielswei-se 4 Pixel) nicht überschreiten, werden als Rauschen betrachtet und ignoriert.

In [pour96] wird in einer vergleichenden Untersuchung die direkte Faserverfolgung als optimal für die Orientierungsbestimmung benannt. Allerdings hängt die Qualität der Ergebnisse entscheidend von der Qualität des Bildes, d.h. von der Qualität der Segmentierung und Skelettierung ab. Informationen des Originalbildes, die bei der Schwellwertbildung nicht erfasst werden, wie beispielsweise schwächer ausgeprägte Konturpunkte, gehen verloren. Dies ist zu vermeiden, indem die mit dem oben ge-schilderten Verfahren gewonnenen Informationen mit Informationen des Ausgangs-bildes verknüpft und so alle relevanten Konturpunkte erfasst werden.


Die modifizierte direkte Faserverfolgung lässt sich summarisch wie folgt darstellen:

- Partielle Ableitungen nach x und y berechnen - Betrag und Richtung der Gradienten berechnen - Schwellwertbildung des Betragsbildes - Skelettierung - Objektidentifikation und Vermessung

Die Abbildung 4-1 zeigt das Verfahren im Überblick, Details des verwendeten Verfah-rens werden im Folgenden beschrieben.

4.1.3.1. Partielle Ableitungen von Bildern

Eine bedeutsame Klasse von Bildverarbeitungsoperationen wird als „lokale Operato-ren“ bezeichnet. Dabei werden die Grauwerte aller Pixel aufgrund der Grauwerte ihrer lokalen Umgebung modifiziert. Die Wirkung des Operators wird durch einen gewöhnlich quadratische Matrix, den „Kernel“ des Operators, definiert. Typische Matrixgrößen n sind 3, 5 oder 7, aber auch Größen bis 25 werden in der Literatur beschrieben. Die Größe der Matrix beschreibt den Einflussbereich des Operators. Die Matrixelemente bilden Gewichte, mit denen die Pixel des Ausgangsbildes ge-wichtet werden. Mathematisch gesehen, handelt es sich dabei um eine Faltung der Bildfunktion G=g(x, y) mit der Kernelfunktion K=k(i, j), als Formel:

2n

2n

i

2n

2n

j

)2n

j,2n

i(k)jy,ix(g)y,x(kg .

Einfache Kernel, die die partielle Ableitung in x- und y-Richtung annähern, sind in Tabelle 4-1 dargestellt. Die Anwendung dieses Operators ersetzt jeden Bildpunkt durch die Differenz der Grauwerte seiner beiden Nachbarn in x- bzw. y-Richtung. Diese Operatoren reagieren jedoch auch auf einzelne gestörte Pixel empfindlich, weniger rauschempfindlich sind die in Tabelle 4-2 dargestellten Sobeloperatoren.

Tabelle 4-1: Kernel für Differenzoperatoren Tabelle 4-2: Sobeloperatoren

0 0 0 0 -1 0 -1 0 1 -1 -2 -1 -1 0 1 0 0 0 -2 0 2 0 0 0 0 0 0 0 1 0 -1 0 1 1 2 1


Ausgangsbild

Sobel dX Sobel dX

DifferenzBild X Differenzbild Y

dY/dX dX²+dY²

Grad.richtung Grad.betrag

Skelettierung

Skelett

Kantensegmentierung

Orientierungs-verteilung

diferentielle / integraleOrientierung

Abbildung 4-1: Messung der Orientierungsverteilung mit modifizierter direkter Faser-verfolgung


4.1.4. Gradienten von Bildern

Für eine zweidimensionale Funktion g(x, y) ist der Gradient definiert durch g(x, y)=gx(x, y)+jgy(x, y).

Dabei sind )y,x(gx

)y,x(gx und )y,x(gy

)y,x(gy die partiellen Ableitungen von

g(x, y) in die beiden Richtungen x und y. Bei diskreten zweidimensionalen Funktio-nen, also bei digitalen Bildern lassen sich diese Ableitungen annähern durch [jäh78]:

)y,1x(g)y,1x(g)y,x(gx und )1y,x(g)1y,x(ggy .

Der Gradient an einem Punk (x, y) gibt Richtung und Betrag der stärksten Grauwert-änderung in diesem Punkt an. Für die Richtung ( g(x, y)) gilt

)y,x(f

)y,x(farctan()y,x(

x

y und der Betrag ist gegeben durch

)y,x(g)y,x(g)y,x(g 2y

2x .

Line Profile

Distance (Pixel)

Intensity

0 10 200

100

200

Line Profile

Distance (Pixel)

Intensity

0 10 200

100

200

Abbildung 4-2: Profil des Gradientenbe-trages in Normalen-richtung einer drei Pixel breiten Faser

Abbildung 4-3: Profil nach der morpholo-gischen Schließen-Operation


Line Profile

Distance (Pixel)

Intensity

0 10 200

100

200

Abbildung 4-4: Profil nach der Skelettie-rung

a) b) c) d) Abbildung 4-5: Ausgangsbild (a), Gradientenbetrag (b), geschlossen (c), Skelett (d)

Der Betrag des Gradienten kann zur Detektion von Kanten benutzt werden. Bildpunk-te, die zu einer Kante gehören, weisen hohe Beträge des Gradienten auf, wobei die Gradientenrichtung orthogonal zur Kantenrichtung weist. Fasern in digitalen Bildern erscheinen als wenige Pixel breite Doppelkanten. Wie Abbildung 4-2 und 4-5b zei-gen, ist der Gradientenbetrag am linken und am rechten Faserrand maximal. Der daraus resultierende exakte Faserverlauf muss erst noch rekonstruiert werden. Dazu werden mit einer morphologischen Schließen-Operation die Zwischenräume zwi-schen den Faserkanten gefüllt und die so erhaltenen Objekte skelettiert. Abbildung 4-3 bis 4-5 veranschaulicht diesen Prozess.

4.1.5. Skelettierung

Ziel der Skelettierung ist, aus einem Binärbild ein Netz dünner Linien zu erzeugen, das als formbeschreibendes Gerüst des Ursprungsbildes betrachtet werden kann. Die Linien verlaufen ungefähr in der Mitte der Objekte, die sie repräsentieren. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in mehreren Iterationen überflüssige Bildpunkte entfernt. Überflüssig sind solche Punkte, die keine Endpunkte sind und deren Tilgung die Konnektivität, d. h. die Anzahl zusammenhängender Segmente in einem den Punkt umgebenden 3x3 Pixel großen Fenster nicht verändert.


Es gibt kein formales Kriterium für die Beurteilung der Güte eines Skelettierungsver-fahrens, jedoch lassen sich die Anforderungen an einen solchen Algorithmus folgen-dermaßen formulieren:

- Das Skelett soll aus Linien mit einer Breite eines Pixels bestehen. - Die Topologie des Originalbildes, d.h. die Anzahl der zusammenhängen

Bildsegmente, muss invariant sein. - Die Skelettlinien verlaufen in der Mitte der Objekte. - Nach einer bestimmten Anzahl von Iterationen muss das Ergebnis invariant

bleiben (Konvergenz). - Dicke und zerklüftete Objekte sollen nicht zu viele irrelevante Skelettäste

erzeugen (Rauschunempfindlichkeit).

In einem optimierten Algorithmus besteht jede Iteration aus vier Subzyklen. In jedem Subzyklus werden Punkte am oberen, unteren, rechten und linken Objektrand über-prüft und gegebenenfalls getilgt. Die Bedingungen für die Tilgung eines Punktes werden als 3x3-Masken angegeben und sind in Tabelle 4.3 dargestellt; für jede Rich-tung sind zwei Bedingungen vorhanden. Mit „X“ markierte Positionen sind für die Entscheidung unerheblich.

Tabelle 4-3: Bedingungen für die Tilgung eines Punktes Tabelle 4-4: Indizes der Nachbarn von g

Wenn die 8-Nachbarschaft eines Pixels g wie in Tabelle 4.4 dargestellt indiziert wird, lässt sich die Nachbarschaft eines Pixels kodieren durch die 8-stellige Binärzahl G(7) G(6) … G(0) mit dem Dezimalwert

7

0i

i2)i(GZ .

Nach der gleichen Vorgabe können die Bedingungen und die nichtrelevanten Pixel kodiert werden, so dass sich der Aufwand für die Entscheidung, ob ein Punkt getilgt wird, darauf beschränkt, für den Punkt den Kode für die Nachbarschaft zu berech-nen, mit einer UND-Verknüpfung mit dem Kode für die nichtrelevanten Pixel diese auszublenden und das Ergebnis mit den beiden Kodes des jeweiligen Subzyklusses zu vergleichen.

Oben Unten Rechts Links 0 0 0 1 1 X 0 X 1 X X 0 X 1 X X 1 X 0 1 1 1 1 0 X 1 1 0 0 0 0 X X 1 X 0 X 0 0 X 1 X 0 0 X X 1 X 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 X 1 X 0 0 X X 1 X X 0 0

3 2 1 4 g 0 5 6 7


4.1.5.1. Objekterkennung und –vermessung

Ausgangspunkt der Identifikation einer einzelnen Faser oder eines Faserfragments sind zwei beliebige benachbarte Punkte des skelettierten Bildes. Einzelne Kontur-punkte oder Konturpunktpaare ohne Nachbarn werden als Rauschen betrachtet und gelöscht. Ausgehend von der durch die bereits identifizierten Punkte vorgegebenen Richtung wird der nächste mögliche Konturpunkt betrachtet, der genau dann der Kontur hinzugefügt wird, wenn entweder wenn der Punkt zum Skelett gehört (her-kömmliche direkte Verfolgung) oder wenn der Punkt im Gradientenbetragsbild in Gradientenrichtung ein lokales Maximum darstellt. Mit dieser Modifikation ist es mög-lich, auch Konturpunkte mit schwach ausgeprägtem aber gleichwohl sich von der Umgebung abhebenden Gradienten zu berücksichtigen. Zur Ermittlung der differen-tiellen Orientierung muss bei der Konturbildung als weiteres Kriterium die Linearität der erweiterten Kontur geprüft werden. Die Steigung des so ermittelten Konturseg-ments ist dann orthogonal zu der differentiellen Orientierung an der betrachteten Stelle.

Bei der Ermittlung der integralen Orientierung erfolgt die Überprüfung des Gera-denkriteriums nicht. Alle zusammenhängen Konturpunkte werden zu einer Linie ver-bunden, deren Anfangs- und Endpunkte die Orientierung bestimmen.

4.1.5.2 Probleme der Direkten Faserverfolgung

Bei der direkten Faserverfolgung zeigt sich ein Digitalisierungproblem, das auftritt, wenn die im ersten Absatz dargestellte Mindestlänge zu gering gewählt wird. Mit einem beispielsweise nur drei Pixel langem Fasersegment kann man lediglich in jedem Quadranten lediglich vier Orientierungen unterscheiden, wie Tabelle 4.5 zeigt.

Tabelle 4-5: Mit einem drei Pixel langem Fasersegment darstellbare Orientierung

dx dy dy/dx ° 2 0 0 0 2 1 0,5 27 2 2 1 45 1 2 2 63 0 2 90


4.1.6. Messen der Orientierungsverteilung mit der Fouriertransformation

4.1.6.1. Die Fouriertransformation

Grauwert-Bilder bestehen aus wiederholten Übergängen von hell nach dunkel und umgekehrt. Von Interesse ist die Häufigkeit des Auftretens dieser Übergänge, also die räumliche Frequenz. Diese Information liefert die zweidimensionale Fouriertrans-formation. Eine Fouriertransformation bildet die Grauwerte eines Bildes mit ihrer räumlichen Orientierung auf die komplexe Ebene ab, wobei die Realanteile die Inten-sität der Frequenz und die Imaginäranteile die Intensität der Phasenlage anzeigen, die im Falle der Fouriertransformation von Bildern auch als Häufigkeit der jeweiligen Frequenz in x- bzw. y-Richtung aufgefasst werden kann. Das Powerspektrum (s. u.) kann visualisiert werden, wie Abb. 4-61 zeigt. Die räumlichen Frequenzen in einem Bild eines Vlieses stehen in Zusammenhang mit der Orientierung der Fasern im Bild.

Abbildung 4-6: Sinuskurven und zugehörige Powerspektren der FFT f(x)=sin(x), f(x)=2*sin(x), f(x)=3*sin(x) und f(x)=0,2sin(x). Aus der FFT abgeleitete Orientierungswinkel sind ±45°, ±37°, ±19° und ±80°.

F(x), :f ist eine reelle Funktion. Die fouriertransformierte Funktion ist gegeben durch

dxe)x(f)u(F u2j mit 1j . (1)

Ist F(u) gegeben, ergibt die Anwendung der inversen Fouriertransformation wieder f(x) durch

1 Powerspektren sind im Allgemeinen dünn besetzt, d.h. überwiegend schwarz und werden daher aus ökologi-schen Gründen invertiert dargestellt.


due)u(F)x(f ux2j (2)

Die Gleichungen, die als Fouriertransformationspaar bezeichnet werden, existieren nur, wenn f(x) stetig und integrierbar und F(u) integrierbar ist.

F(u) ist im allgemeinen komplex, d.h. F(u)=R(u)+jI(u) und

22 )u(I)u(R)u(F . 2)u(F)u(P wird als Powerspektrum von f(x) bezeichnet.

4.1.6.2. Übergang zum diskreten Fall

Eine stetige Funktion f(x) wird diskretisiert durch eine Sequenz

x)1N(x(f),...,x2x(f),xx(f),x(f 0000 , d. h. durch N

Funktionswerte im Abstand x beginnend bei 0x .

Das Fouriertransformationspaar für den diskreten Fall geht über nach

1N

0n

Nux2j

1N

0n

Nux2j

e)u(F)x(f

und

e)x(fN1

)u(F

4.1.6.3. Fouriertransformation bei Bildern

Ein Grauwertbild mit N x M Bildpunkten kann aufgefasst werden als Funktion f(m, n),

1G,...,01N,...,0x1M,...,0:f .

In diesem Fall lautet die Transformationsgleichung

1M

0m

1N

0n

rje)n,m(fNM

1)l,k(F mit )

Nln

Mkm

(2r .

Ersetzen des Exponentialterms durch die Eulersche Formel ergibt


1M

0m

1N

0n))rsin(j)r)(cos(n,m(f

NM1

)l,k(F .

Das Ergebnis F stellt also die Entwicklung des Originalbildes nach räumlichen „Schwingungsanteilen“ verschiedener Frequenzen in x und y –Richtung, also in zwei Dimensionen dar. Das Bild ist symmetrisch zum Bildmittelpunkt, der zentrale Wert Repräsentiert die Nullfrequenz. Wenn im Ausgangsbild Grauwertübergänge in hori-zontaler Richtung auftreten, erscheinen in dem transformierten Bild vertikale Elemen-te und umgekehrt. Abb. NN zeigt zwei Linien mit den Richtungen 45° und -80°. Das Powerspektrum weist zwei maximale Orientierungen bei -45° und 10° auf, die Orien-tierung ist also um 90° versetzt.

Um aus dem Powerspektrum die Orientierungsverteilung zu ermitteln, werden die lokalen Maxima in einer bestimmten Umgebung identifiziert, die mit ihrem Grauwert zur Orientierungsverteilung beitragen.

4.1.6.4. Die schnelle Fouriertransformation

Die zweidimensionale Fouriertransformation besitzt zwei Eigenschaften, die den Ansatz für ein effizientes Berechnungsverfahren darstellen. Sie ist separierbar, d.h. sie lässt sich auf Hintereinanderausführung eindimensionaler Transformationen zu-rückführen, indem zunächst die Spalten und die Ergebnisse dann zeilenweise trans-formiert werden. Formal:

1M

0m

1N

0n

Mkm2j

Nln2j

e)e)n,m(fN1

(M1

)l,k(F oder

1N

0n

1M

0m

Nln2j

Mkm2j

e)e)n,m(fM1

(N1

)l,k(F .

Zum anderen kann die eindimensionale Fouriertransformation eines Vektors der Länge N rekursiv auf zwei Transformationen von Vektoren der Länge N/2 zurückge-führt werden. Die verschiedenen Implementierungen werden als schnelle diskrete Fouriertransformation (FFT) bezeichnet.

Die schnelle Fouriertransformation setzt Bildgrößen voraus, die Potenzen von 2 sind. Das ist häufig nicht gegeben. Die bei vielen Bildanalysesystemen übliche Lösung des Problems besteht in der Anhebung der Bildbreite und –höhe auf die nächstgrößere Potenz von zwei und das Auffüllen der zusätzlichen Pixel mit 0. Dieses Vorgehen erzeugt jedoch Artefakte, die für die Orientierungsmessung unerwünscht sind. Alter-nativ dazu können die Bilder auf die benötigte Größe gestaucht oder gedehnt wer-den. Wenn dabei unterschiedliche horizontale und vertikale Skalierungsfaktoren


benutzt werden, muss die Orientierungsverteilung später entsprechend korrigiert werden. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, nur einen Bildausschnitt geeigneter Größe zu betrachten, beispielsweise bei einer Aufnahme mit 1040 x 1392 Pixeln ist die geignete Ausschnittsgröße 1024 x 1024 Pixel. Dabei wird ein gewisser Anteil des aufgenommenen Materials (Beispiel: 28% der Fläche) nicht berücksichtigt, ein Um-stand, der bei geeigneter Planung und Durchführung der Messungen in Kauf ge-nommen werden kann. Den Ablauf dieser Messung zeigt Abb.4-7.

Bild

FFT forward mit Fensterfunktion

BildFFT

lokale Maxima in einer kxk-Umgebung

Orientierungsver-teilung

0

2

4

6

8

10

12

Abbildung 4-7: Der Ablauf der Orientierungsmessung mit der FFT

4.1.7. Bewegungsunschärfe

Wie beschrieben wurde, kann das entwickelte Bildanalyse-System anhand der Bildin-formationen eines Fasersegmentes dessen Orientierung ermitteln. Eine Bewegung-sunschärfe ist in geringem Maße tolerierbar, sofern die Informationen über den Fa-serverlauf nicht generell verloren gehen. Dies trifft in erster Linie für Bildinformationen zu, die ohne den Einsatz eines Blitzes gewonnen werden. Aufnahmen mit kurzen Belichtungszeiten schaffen hier Abhilfe bis zu einem Grad, wo Bewegungen das Bild


derart unscharf abbilden, bis keine einzelnen Fasersegmente mehr aus den Bildin-formationen extrahiert werden können.

Die eingesetzte Matrixkamera gibt die Bildinformationen nicht Pixel- oder Zeilenweise an den Framegrabber weiter. Die Informationen der Bildmatrix werden gleichzeitig übergeben. Dies bedeutet, dass bei einer beliebigen Bewegung des Objektes, hier durch die Abzugsgeschwindigkeit des Flores verursacht, keine Verzerrungen, Stau-chungen oder Krümmungen der Bildaufnahmen auftreten. Anders verhält es sich mit der Bewegungsunschärfe. Diese tritt bereits bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 25 m/min auf. Bei der vorgegebenen Einstellung des Objektives und dessen Abstand zum Objekt erscheint ein Bildpixel bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 25 m/min und einer Verschlusszeit von 1/14000 sec in der Abzugsrichtung auf zwei Bildpunk-ten hintereinander. Diese formelle Bewegungsunschärfe ist für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar.

Ist das Abbild nach menschlichen ermessen als scharf anzusehen, werden auch bei der Ermittlung der Faserorientierung keine signifikanten Fehler auftreten. Ein Grenz-wert für die Analyse der Orientierung ist dann erreicht, wenn die Konturen der Fasern derart verwischen, dass keine Gradientenbildung mehr vorgenommen werden kann.

4.1.8. Benutzeroberfläche

Das entwickelte Programm liefert als Ergebnis die Häufigkeit der Orientierung zwi-schen -90 und +90 Grad in Abstufungen von jeweils einem Grad (Tabelle 4-6). Als Kennzahlen werden hieraus die Standardabweichung als Maß für die Gleichmäßig-keit der Verteilung und der mittlere Winkel berechnet. In Sonderfällen, bei sehr star-ken Variationen, werden auch bimodale Kennwerte, also zwei mittlere Winkel be-rechnet und die jeweiligen Standardabweichungen angegeben. Die Anzahl der unter-suchten Fasersegmente sowie die durchschnittliche Länge in Pixeln wird angezeigt (Tabelle 4-7).


Tabelle 4-6 Häufigkeitsverteilungen der Orientierung in 1 Grad Schritten (Auszug)

-80 44,7 -79 444,6 -78 28,6 -77 137,3 -76 548,4 -75 79,8 -74 308,9 -73 106,6 -72 687,2 -71 21,2 -70 100

Tabelle 4-7: Ergebnis Darstellung mit Anzahl berücksichtigter Fasersegmente Mittelwert und Standardabweichung

Fasersegmente: 2457 (7,4 Pixel) Unimodale Kennwerte Mw: -4,93 Stabw: 37,4

Multimodale Kennwerte Mw: -7,21 Stabw.: 25,28 Mw: 84,53 Stabw.: 17,14

Die Ergebnisdarstellung erfolgt in einem Häufigkeitsdiagramm mit wahlweise linearer oder zirkularer Abbildung (Abbildungen 4-8, 4-9).


Abbildung 4-8: Darstellung der Orientierungsverteilung

Abbildung 4-9: Darstellung der Orientierungsverteilung zirkular

In Abbildung 4-10 ist die Menüoberfläche der Orientierungsmessoftware abgebildet. Wesentlicher Wert wurde auf die einfache Bedienbarkeit des Programms gelegt. Mit lediglich zwei Buttons für Einstellungen und Optionen kann der Nutzer das Programm seinen Bedürfnissen oder den örtlichen- und lichttechnischen Gegebenheiten anpas-sen.

Die Menüoberfläche ist geviertelt und zeigt links oben das aktuellen Kamerabild. Dies wird unabhängig von dem Berechnungsstatus in Echtzeit dargestellt. Der Nutzer hat somit die Möglichkeit, jederzeit die Bildqualität hinsichtlich Ausleuchtung und Einstel-lungen von Blende und Schärfe zu überwachen.


Im rechten oberen Teil wird das Summenhäufigkeitsdiagramm der Orientierungsver-teilung der letzten durchgeführten Messung dargestellt. Der linke, unter Teil des Bildschirms zeigt den zeitlichen Verlauf der berechneten Kennzahlen für den mittle-ren Winkel, die Standardabweichung und das MD:CD-Verhältnis. Rechts unten be-findet sicht die einfache Bedienung des Programms.

Abbildung 4-10: Oberfläche der Online Orientierungs- Software


4.1.9. Bestimmung des MD:CD Verhältnisse

Die Vliesstoffe werden in Anlehnung an die EDANA-Normen auf folgende Eigen-schaften hin untersucht:

Flächengewicht in g/cm² MD Kraft in N/50 mm (abweichend in N/tex) WSP 110.4 entspr. ISO 9073 CD Kraft in N/50 mm (abweichend in N/tex) MD Dehnung in % CD Dehnung in %

Zudem werden die mechanischen Eigenschaften von Vliesen durch das Verhältnis der Festigkeiten von Längs- und Querrichtung, dem MD:CD Verhältnis bestimmt. Um einen besseren Vergleich der ermittelten Faserorientierungen mit mechanischen Kennwerten zur erhalten, wurde ein Verfahren entwickelt, in dem aus der Faserorien-tierung mit einer theoretischen Betrachtung das Verhältnis von MD und CD berech-net werden kann. Grundlage bildet die Annahme, dass Fasern, die in 0 Grad Rich-tung ausgerichtet sind, auch wesentlich zur Zugfestigkeit in dieser „Main Direction“ beitragen. Umgekehrt werden Fasern, die in 90 Grad ausgerichtet sind, auch wesent-lich zur Zugfestigkeit in der „Cross Direction“ beitragen (Abb. 4-11). Die sich aus der Orientierungsverteilung ergebenden Vektoren werden in die 0 und 90 Grad Kompo-nenten zerlegt und die Einzelkomponenten addiert und abschließend ins Verhältnis gesetzt.

0˚ G

rad

=MD

90˚ Grad =CD

Abbildung 4-11 Vektorielle Zerlegung der Anteile aus der Orientierungsverteilung


Die Berechnung des MD:CD Verhältnisses aus der Faserorientierung bietet nicht nur den Vorteil einer Onlinebestimmung, sondern es können damit auch Kennwerte von Faserfloren generiert werden, deren MD:CD Verhältnis in mechanischen Untersu-chungen aufgrund der geringen Haftung des zu testenden Materials nicht ermittelt werden können. Alternativ kann hier nur der Parallelisierungsgrad mit dem aufwändi-gen Lindslay-Test bestimmt werden.

4.1.10. Laboraufbau

Für die Laboruntersuchungen wurde eine Laborkrempel bereitgestellt. Die Laboran-lage ist so gestaltet, dass keinerlei Eingriffe in die Drehzahlen von Tambour und Arbeiter und Wender möglich sind. Auch die Geschwindigkeitsverhältnisse unterein-ander sind durch Kettentrieb und Zahnradübersetzungen nicht veränderbar. Die Anlage wurde mit zwei unabhängig regelbaren Stauchwalzen und einem Abzugs-band erweitert (Abb. 4-12, 4-13)

Abbildung 4-12: Laborkrempel ohne Stauchwalzen, Tuch und Schutzabdeckung


Abbildung 4-13: Modul zum Anbau an die Krempel mit 2. Stauchwalze, Abnehmerwalze und Tuch ohne Schutzabdeckung (die 1. Stauchwalze wird in die Krempel eingebaut)

Die abgebildete Laborkrempel ist lediglich mit einer Bandzuführung ausgestattet. Eine Speisung ist nicht vorhanden. Um jedoch für Versuche konstante Bedingungen zu schaffen, wurde die im Folgenden beschriebene Verfahrensweise zur Speisung der Karde gewählt. Bei einer mittleren Einstellung der Krempel wurden die in Flo-ckenform zur Verfügung stehenden Fasern einmal verkrempelt. Das Produkt wurde in speziellen Kästen aufbewahrt und für die nachfolgenden Versuchsreihen erneut vorgelegt. Vorteil dieser Herangehensweise ist die konstante Vorlage und das Flä-chengewicht, das bei einer gleich bleibenden Einzugsgeschwindigkeit zu der ge-wünschten Homogenität in der Materialzufuhr beiträgt.

In Versuchsreihen wurden der optimale Arbeitsbereich für die Produktion gleichmä-ßiger Vliese und die größtmöglichen Abweichungen ermittelt. Es wurden Versuche ohne Stauchwalzen unter Verwendung unterschiedlicher Materialien durchgeführt, um die Materialeinflüsse auf das Faserflor zu untersuchen.

4.1.11. Offline Messverfahren Fibreshape

Neben der im Projekt entwickelten Onlineprüfmethode und der vorgesehenen und im nachfolgenden Kapitel vorgestellten Reverenzmethode der Stereophotogrammetrie wurde als weiteres Reverenzprüfverfahren ein am Markt eingeführtes Instrument für die Untersuchung der Faserfeinheit und –länge herangezogen. Das Fibreshape der Fa. Inovative Sintering Technologies IST, CH war ursprünglich für die Korngrößen-messung an Industriediamanten entwickelt worden. Neben den Fasereigenschaften


Feinheit, Länge und Kräuselung ist es durch ein Zusatzmodul in der Lage die Faser-orientierung einzelner Fasern zu bestimmen. Das Verfahren ist nicht in der Lage einzelne Fasern in einem Vlies mit vielen Kreuzungspunkten zu verfolgen und daher nicht für die direkte Onlinemessung geeignet. Es ist ein rechnergestütztes Laborver-fahren, das die auszuwertenden Bildinformationen über einen Flachbett- oder Dia-scanner erhält. Der einfach aufgebaute Prüfablauf ist in der Abbildung 4-14 darge-stellt.

Abbildung 4-14: Einfache Menüsteuerung des FIBRESHAPE Messsystems

In gemeinsamen Aktivitäten mit dem Faserinstitut Bremen wurde dieses System für die Qualitätskontrolle an Fasern und Faserprodukten erweitert. Zunächst primär für die Längen und Feinheitsbestimmung an Fasern, wurden des Weiteren auch Kräuse-lungseigenschaften und die Orientierung der Fasern mit dieser Software bestimmt. In dem Vergleichstest zwischen den Faserorientierungsmessverfahren werden die gleichen Bildinformationen ausgewertet. Die bei den Stereophotogrammetrischen Untersuchungen angefertigten Aufnahmen, wurden ebenfalls der Onlinemethode und der Fibreshape Methode zur Auswertung vorgelegt.


4.2. Offline- Messverfahren (STFI)

Zur Verifikation der Online-Methode wird die Faserorientierung im Flor bzw. im Vlies-stoff mit einer Offline-Methode überprüft. Diese beruht auf dem Stereophotogram-metrieprinzip und wurde im Sächsischen Textilforschungsinstitut in Chemnitz entwi-ckelt.

4.2.1. Stereophotogrammetrie

Den gebräuchlichen Strukturuntersuchungsverfahren ist gemeinsam, dass die Flä-chengebilde mechanisch oder optisch zerlegt und aus den Schnitten Parameter berechnet werden. Eine räumliche Rekonstruktion der Struktur aus den Daten ist rechnerisch aufwendig. Für den Verlauf der Fasern zwischen den Schnittebenen müssen Annahmen zur Interpolation getroffen werden.

Im Folgenden wird ein Verfahren mit direkter räumlicher Erfassung der Faserverläufe beschrieben, das auf Basis der Stereophotogrammetrie entwickelt wurde.

Stereomessbilder eines Objekts sind 2 Aufnahmen von den Kamerastandpunkten O1 und O2 aus, die im Abstand der stereoskopischen Basis bx voneinander aufgenom-men worden sind. Abbildung 4-15 zeigt ein Schema der Aufnahmegeometrie im sogenannten Normalfall der Stereophotogrammetrie, einem Spezialfall der gegensei-tigen Orientierung beider Aufnahmen eines Messbildpaares, bei dem die Aufnahme-achsen parallel zueinander und normal zur Basis ausgerichtet sind. Die Differenz x´-x“ des Abbildungsortes eines Punktes P in den beiden Bildern ist dessen Parallaxe px‘, aus der die Tiefeninformation gewonnen wird. Die Kammerkonstante ck (Bildwei-te) der Aufnahmekamera wird zwecks Vereinfachung der Auswertung für beide Auf-nahmen konstant gehalten.

Voraussetzungen für eine hohe Genauigkeit der Messung sind u.a. Kameras mit großem Aufnahmeformat, um Zwischenvergrößerungen vor der Auswertung zu ver-meiden, Objektive mit geringer Verzeichnung und Film- oder Plattenmaterialien, deren Schichten sich unter der Entwicklung nicht verziehen (Abb. 4-16).


Abbildung 4-15: Aufnahmegeometrie im Normalfall der Stere-ophotogrammetrie

Abbildung 4-16: Aufnahmekamera

Textiltechnologische Voraussetzung für die photogrammetrische Strukturerfassung ist, dass während der Vliesherstellung den weißen Fasern 0,5% bis 3% dunkel ge-färbte Fasern beigegeben werden. Die weißen Fasern müssen ausschließlich aus einem Faserstoff bestehen. Vor der Aufnahme wird die entnommene Messprobe mit einer Flüssigkeit getränkt, die den Brechungsindex der weißen Fasern besitzt. In diesem Präparat sind nur noch die dunklen Fasern sichtbar. Eine speziell angefertig-te Probenhalterung ermöglicht Durchlichtbeleuchtung der Präparate und Verschie-bung um den Betrag der stereoskopischen Basis b zwischen der ersten und der zweiten Aufnahme (Genauigkeit der Verschiebung 0,1mm). Die Messbilder wurden auf Plattenmaterial mit einer Großformatkamera aufgenommen. Da die Bildebene der Kamera genau parallel zur Ebene der Messprobenunterlage justiert werden muss, wurden ein Nivellierstativkopf und auf dem Probenträger aufsetzbare Libellen erfor-derlich. Außerdem muss die Verschiebungsrichtung genau parallel zu den längeren Bildkanten justiert werden. Diese Anordnung ist zur Gewährleistung der Messgenau-igkeit von Aufnahme zu Aufnahme absolut zu erhalten. Auch die Verzeichnung des Objektivs musste als Fehlerquelle ausgeschaltet werden. Das eingesetzte Objektiv wurde auf Verzeichnung bei dem Abbildungsmaßstab 4,5:1 getestet. Es ergab sich ein maximaler Lagefehler von 10μm in der auswertbaren Bildfläche von 90mm x 90mm. Bei 8mm Verschiebung waren in einem Bildpaar somit 20mm x 20mm Pro-benausschnitt auswertbar.

Die Auswertung erfolgt an einem Stereokomparator (siehe Abbildung 4-17), auf des-sen Bildträgern die beiden Messbilder eines Paares entsprechend der gegenseitigen Orientierung ausgerichtet werden. Danach ist ein räumliches Modell der Messprobe sichtbar, in dem der Verlauf der dunkel gefärbten Fasern mit einer Messmarke ver-folgt wird. Dabei werden Koordinaten und Parallaxen im Bildmaßstab registriert.


Abbildung 4-17: Prüfstand „Stereokomparator“

Die Raumkoordinaten der erfassten Punkte werden unter den o.g. Voraussetzungen nach folgenden Beziehungen berechnet:

X = l . x‘ mb Z = l . z‘ mb

ck . mb . lpx‘ Y = b + lpx‘ mb

In den Gleichungen ist l der Brechungsindex der Immersion und mb die Bildmaß-stabszahl. Die Kammerkonstante ck ist eine fest einstellbare Bildweite der Kamera, deren Länge in Maß und Toleranz bestimmt wurde.

Um strukturbeschreibende Parameter aus den Raumkoordinaten ableiten zu können, müssen die Punkte in festgelegter Reihenfolge erfasst und den einzelnen Fasern zugeordnet werden. Abbildung 4-18 zeigt den Ausschnitt einer Faserkurve und ver-deutlicht die an die Koordinatenberechnung anschließende Auswertung.


Abbildung 4-18: Auswertungsmethode der Faserorientierung

Auf der Faserkurve wird eine im Zusammenhang mit der Ausgangskräuselung der Faser stehende Länge l abgetragen und an deren Ende ein Raumpunkt berechnet. Die Vektoren zwischen diesen Punkten werden bezüglich jeder der 3 Richtungen einer Statistik unterzogen. Aus den Häufigkeitsverteilungen werden Vorzugsrichtun-gen der Faserabschnitte in der Messprobe erkennbar. Die Quotienten l/Pi,j werden als Wellung definiert. Das Auswerteprogramm ermöglicht die automatische Vervielfa-chung der Vorgabelänge l, um bei unbekannter Kräuselung der verarbeiteten Fasern Ausgangskräuselung und Einwirkung der Verfestigungstechnologie trennen zu kön-nen. Außerdem ist es möglich, Schichtdicken im Querschnitt zu definieren und die Strukturen innerhalb dieser Schichten oder die Durchdringpunkte von Fasern zu analysieren.

4.2.2. Bestimmung des mechanischen MD:CD Verhältnisses

Zur Charakterisierung der Eigenschaften der verschiedenen durchgeführten Vliesva-rianten bzw. zur Kenntnis der bedeutsamsten Einstellungsparameter, die direkten Einfluss auf die Faserorientierung im Vlies bzw. im Vliesstoff aufweisen, wurden folgende mechanische Prüfgrößen an den Vliesstoffen im STFI ermittelt:

Flächenmasse nach DIN EN ISO 9073-1 Dicke nach DIN EN ISO 9073-2 Kraft-Dehnungs-Verhalten (Zugversuch) nach DIN EN ISO 9073-3


4.3. Modellentwicklung (BIK)

4.3.1. Metamodelle

Metamodelle haben Ähnlichkeit mit mathematischen Modellen, die eingesetzt wer-den, um physikalische Zusammenhänge zu beschreiben. Sie behandeln die Informa-tionen, die während der Modelbildung verwendet und gewonnen werden, und werden daher auch als Informationsmodelle bezeichnet. Während physikbasierte Modelle genutzt werden, um gewonnen Daten zu beschreiben oder zu erklären, dienen Me-tamodelle dazu, das Modell und nicht die Daten abzubilden [dab1998].

Abbildung 4-19: Metamodelle, Aufbau

Ein Ziel dieses Ansatzes ist die schnelle und robuste Bestimmung von Systemgrößen in Abhängigkeit von den bestimmenden Eingangsgrößen. Hierfür werden verschie-dene Werkzeuge wie das Response-Surface-Modelling oder Neuronale Netzwerke eingesetzt.

4.3.2. Response-Surface-Modelle

Response-Surface-Modelle (RSM) approximieren das Verhalten einer Systemgröße in Abhängigkeit von ausgewählten Variablen. Es handelt sich um eine lineare Reg-ression für einen oder mehrere Einflussfaktoren. Diese Variablen sind veränderliche Faktoren, die auf das Systemverhalten Einfluss haben.Das System wird durch ein Polynom abgebildet. Die Gleichung setzt sich zusammen aus der Summe der Produkte aus Einflussgröße und Gewichtungsfaktor. In der Re-gel werden Polynome erster oder zweiter Ordnung verwendet. Die Response-


Surface-Gleichung für ein Modell mit linearen, quadratischen und Thermen für die Abbildung der Wechselwirkung zwischen den Einflussfaktoren entspricht der Form:

mit:R Systemantwort xi Einflussfaktoren bi Koeffizienten der Faktoren bij Koeffizienten der Faktorwechselwirkungen n Anzahl der Variablen

Abbildung 4-20: Response-Surface für ein Modell mit zwei Einflussfaktoren

Die Auswertung von Response-Surface-Modellen ermöglicht die verbesserte Definiti-on von Betriebspunkten im Parameterraum durch mehrere Ansätze:

Identifikation von Maxima oder Minima Analyse der lokalen Gradienten

Die Identifikation von Extremwerten innerhalb des Parameterraums unterstützt die Identifikation der bestmöglichen Faktorkombinationen für ein System. Dies ist in der Regel ein globales Maximum oder Minimum der Zielgröße im nutzbaren Bereich der Einflussfaktoren. Hierfür müssen die prozessbedingten Grenzen der Einflussgrößen berücksichtigt werden. Die Analyse der lokalen Gradienten ermöglicht die Definition von robusten Betriebs-punkten. In Bereichen mit kleinen Gradienten in der Funktion der Systemantwort haben Schwankungen in der Größe der Einflussfaktoren geringere Auswirkung auf die Zielgröße als in Bereichen mit großem Gradient.

1

1 11

2

10

n

ijiij

n

ji

n

iiii

n

iii xxbxbxbbR


Durch die Auswertung der lokalen Gradienten kann zusätzlich ein effektiver Mecha-nismus zum Erreichen eines modifizierten Wertes für die Zielgröße abgeleitet werden [atk1998].

4.3.3. Neuronale Netze

Neuronale Netze können als Alternative zu Response-Surface-Modellen genutzt werden, um das Metamodell eines Systems zu beschreiben. Ein Neuronales Netz ist ein Berechnungssystem, dass in seiner Struktur an die Funktionsweise des Gehirns angelehnt ist.Neuronale Netze bestehen aus einer großen Anzahl einfacher Verarbeitungseinhei-ten (künstliche Neuronen) die miteinander verbunden sind. Die Ausprägung der je-weiligen Verbindung ist die Gewichtung, die in der Lernphase des Systems ange-passt wird.Die Grundkomponente des Netzes, das Neuron, ist in der folgenden Abbildung dar-gestellt. Die Eingangsgrößen (xi) werden mit der Gewichtung (w i) bewertet. Die Summe der gewichteten Eingänge (y) fungiert als Eingangsgröße in die Transfer-funktion (f) [rip1998]

Abbildung 4-21: Künstliches Neuron

Für jedes Neuron des Netzes wird die gewichtete Summe der Eingänge als Ein-gangsgröße für die skalare Transferfunktion genutzt.

wxwxy

wwwwwxxxx

n

iii

n

n

0

210

21

,...,,,,...,,,1

mit:x Vektor der Eingänge w Vektor der Gewichtung

Die einzelnen künstlichen Neuronen werden in Schichten zusammengefasst. Das entstehende Netzwerk kann jede Funktion mit beliebiger Genauigkeit annähern. Voraussetzung ist die Existenz einer ausreichenden Anzahl von künstlichen Neuro-nen.


Abbildung 4-22: Neuronales Netzwerk (Feed-Forward / Backpropagation )

Die Gewichtungen der einzelnen Verbindungen werden in der Lernphase des Netz-werks definiert [bis1995].

4.3.4. Screening

Die Qualität des Modells hängt stark von der richtigen Auswahl der Einflussfaktoren für das Modell ab. Die richtige Auswahl aller für die Zielgröße signifikanten Einfluss-größen entscheidet über die Übertragbarkeit der gefundenen Zusammenhänge im beobachteten Prozess. Dies können neben den beeinflussbaren Prozessgrößen (Anlage, Material) auch Umwelteinflüsse sein, die nicht direkt gesteuert werden kön-nen. Wechselwirkungen mehrerer Prozessgrößen können großen Einfluss auf ein System haben und müssen daher bereits im Screening berücksichtigt werden. Bei der Nutzung teilfaktorieller Versuchspläne werden Einflussfaktoren mit Wechselwir-kungseffekten überlagert, was zu Fehlinterpretationen führen kann. Die Auswahl kann durch eine Signifikanzanalyse unterstützt werden. Zusätzlich wird für die Vorauswahl auf vorhandenes Expertenwissen zurückgegriffen. Versuchspläne für das Screening nähern das Systemverhalten mit linearen Funktio-nen an. Die Einflussfaktoren werden auf zwei Stufen (-1, 1) variiert.

Abbildung 4-23: Screening für zwei Einflussfaktoren

4.3.5. Desirability-Funktionen

Die optische Analyse der Faserorientierung liefert eine Häufigkeitsverteilung. Die Klassen entsprechen den Orientierungswinkeln. Zur Ermittlung des daraus resultie-renden MD/CD-Verhältnis muss eine gewichtete Bewertung vorgenommen werden. Durch diese Bewertung wird der Beitrag der Orientierungsklasse zur MD- bzw. der


CD-Festigeit berücksichtigt. Für ein linear-elastisches Gesamtsystem entspricht die Bewertung dem Ausdruck:

)sin(

)cos(

/

1

1

ii

n

icd

ii

n

imd

cd

md

rk

rk

kkCDMD

mit:ri rel. Häufigkeit der Elemente in der Orientierungskasse

i Orientierungswinkel der Klasse n Klassenanzahl

Die Annahme eines linear-elastischen Systemverhaltens kann aufgrund von zwei Aspekten nicht aufrechterhalten werden:

geometrische Nichtlinearität nichtlineares Werkstoffverhalten

Aufgrund der für Vliesstoffe typischen großen Verformungen ändert sich der Orientie-rungswinkel einer Komponente während der Verformung des Gesamtsystems in erheblichem Maß.

Abbildung 4-24: Einfluss der nichtlinearen Geo-metrie, Elementorientierung 0°

Abbildung 4-25: Einfluss der nichtlinearen Geo-metrie, Elementorientierung 75°

Bei Differenzen zwischen Belastungsrichtung und ursprünglicher Elementausrichtung (Abbildung 4-25) wird der Effekt der nichtlinearen Geometrie deutlich. Zusätzlich weisen die Fasern ein nichtlineares Kraft-Dehnungs-Verhalten auf, welches zu weite-ren nichtlinearen Effekten führt. Diesen Effekten muss durch einen Gewichtungsfak-tor Rechnung getragen werden. Die oben gezeigte Formulierung erhält dann die Form:


)sin(

)cos(

/

,1

1,

iiicd

n

icd

ii

n

iimdmd

cd

md

rck

rck

kkCDMD

mit:cmd,i MD-Gewichtungsfaktor für die entsprechende Orientierungskasse ccd,i CD-Gewichtungsfaktor für die entsprechende Orientierungskasse

Für die Berücksichtigung der Gewichtungsfaktoren kann die Erwünschtheitsfunktion eingesetzt werden. Diese Funktion überträgt die physikalische Größe in einen Wert, der die Erwünschtheit für das Erreichen einer Ziels angibt. Die folgende Abbildung stellt eine Erwünschtheitsfunktion für ein Maximierungsproblem dar [kle2003, der1980].

Abbildung 4-26: Erwünschtheitsfunktion (Desirability)

Neben der Maximierung kann die Funktion auch für die Minimierung oder für ein lokales Optimum formuliert werden. Die untenstehende Abbildung zeigt die Kombina-tion der geometrischen Komponente (oberste Zeile) mit der Gewichtung zur Gesamt-bewertung für die Orientierungsklassen.


Abbildung 4-27: Gewichtungsfunktion für Orientierungsklassen


5. Experimentelle Untersuchungen und Diskussion

5.1. Versuchsplan

Die im einzelnen durchgeführten Versuche sind in der nachfolgenden Tabelle wie-dergegeben. Hierin sind die verwendeten Anlagen, Materialien und Auswertemetho-den dargestellt. Die im FIBRE entwickelte Messmethode kam sowohl online zur Ü-berprüfung unverfestigter Faserflore in laufenden Prozessen als auch offline zur Untersuchung von verfestigten Vliesmaterialien zum Einsatz (in der Tabelle mit FIBRE Online und Offline gekennzeichnet). STFI Offline bezeichnet die Methode der Stereophotogrammetrie und mechanisch steht für Zugprüfungen zur Ermittlung des MD:CD-Verhältnisses. Das FIBRESHAPE ist eine Bildanalytische Labormethode.

Herkunft Anlage Materialien Messmethoden

PES

Bau

mw

olle

Lyoc

el

Ken

af

PLA

Han

f

FIB

RE

Onl

ine

FIB

RE

Offl

ine

STF

I Offl

ine

Mec

hani

sch

FIBR

ESH

APE

FIBRE Krempel X X X X X X X STFI Karde X X X X STFI Aerodynamisch X X X X STFI Krempel X X X X Fleissner Krempel X X X X X X Trützschler Karde X X NAFGO Krempel X X


5.2. Laboruntersuchungen FIBRE

Die Kameratechnik und die Beleuchtungstechnik waren hinsichtlich der geforderten Anwendungen zur Analyse von Krempel- oder Kardenfloren abzustimmen. Die ur-sprünglich geplanten Untersuchungen mit einem Durchlichtverfahren wurden aus den folgenden Gründen nicht weiter verfolgt:

Durchlichtverfahren lassen sich sehr gut im Labormaßstab realisieren. In der Regel sollte die Bildnahme gegen einen ebenen Untergrund erfolgen, um keine Verzehrun-gen der Bildebene hervorzurufen. Im Projekt wurden gute Ergebnisse dadurch er-zielt, dass die Kamera den Flor über einem ebenen Transportband ablichtet.

Die in der industriellen Produktion verwendeten und üblichen Florgewichte sind im Allgemeinen so gering, dass mit der durch die verwendete Kameratechnik zur Verfü-gung stehende Tiefenschärfe von bis zu 6mm die verwendeten Flore über die ge-samte Höhe untersucht werden konnten. Da in diesem Stadium noch keine Verfesti-gung vorliegt und die Fasern locker aufeinander geschichtet sind, können somit die Faserorientierungen sehr gut analysiert werden. Wie in den nachfolgenden Abbildun-gen zu erkennen ist, liegt zwischen den Kreuzungspunkten einzelner Fasern eine ausreichend große Wegstrecke, so dass hier zuverlässig die Orientierung dieser Segmente ermittelt werden kann (Abb. 5-1, 5-2).

Abbildung 5-1: Ansicht eines Faserflors mit CCD- Kamera fotografiert


Abbildung 5-2: Ansicht eines verfestigten Vlieses im Rasterelektronenmikroskop

In Laboruntersuchungen wurden zunächst grundsätzlich die Eigenschaften des Sys-tems Kamera, Software, Beleuchtung und Blitz untersucht. Je nach Faserfeinheit müssen die Abbildungen derart aufgelöst werden, dass die einzelnen Fasern gut verfolgt werden können. Um die Auflösung der Kamera zu verändern, wurden mit verschieden dicken Zwischenringen experimentiert, die je nach Anwendungsfall den Abstand des Objektivs zur CCD-Matrix der Kamera vergrößern. Hier wurden die möglichen Bildausschnitte, die Abstände des Objektivs zur Objektoberfläche und der Bereich der Tiefenschärfe bei unterschiedlichen Blendeneinstellungen und Entfer-nungseinstellung ermittelt (siehe Tabellen 5-1 und 5-2).

Bei der Anwendung der Zwischenringe ergibt sich eine Randverzerrung, die sowohl die Abbildung einzelner Fasern als auch die Orientierungsmessung beeinflusst. Es wurde daher überprüft, inwieweit die Analyse eines zentrierten Bildausschnittes die Bestimmung der Orientierungsverteilung beeinträchtigen würde. Hierzu wurden die Quadranten des Bildes einzeln analysiert und mit den Bildinformationen des Ge-samtabbildes verglichen (Abbildung 5-3, Tabelle 5-3). Die Abweichungen der gemes-senen Einzelwerte und des Gesamtwertes sind als geringfügig zu betrachten. Abwei-chungen der Messwerte sind in erster Linie von Inhomogenitäten im Faserflor beein-flusst. Dies ist mit einer entsprechend hohen Anzahl an Messungen zu kompensie-ren. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurde daher mit verkleinerten Bildaus-schnitten gearbeitet.


Tabelle 5-1: Gemessene Objektivwerte bei Verwendung eines 5 mm Zwischenrings

L = 0,3 F = 5,6 L = 1 F = 5,6 L = F = 5,6

Tatsächliche Entfernung in mm

67,0 92,0 108,0

Bildausschnitt in mm X-Richtung

42,5 53,5 61,5

Bildausschnitt in mm Y-Richtung

31,0 39,5 45,5

Tiefenschärfebereich in mm 2 4 5

Tabelle 5-2: Gemessene Objektivwerte bei Verwendung eines 1,5 mm Zwischenrings

L = 0,3 F = 5,6 L = 1 F = 5,6

Tatsächliche Entfernung in mm

143,0 285,0

Bildausschnitt in mm X-Richtung

78,0 142,0

Bildausschnitt in mm Y-Richtung

57,5 105,0

Tiefenschärfebereich in mm 3 6


Abbildung 5-3: Häufigkeit der Orientierungsverteilung im Gesamtbild oben und in vier Teilabschnitten unten

Tabelle 5-3: Gegenüberstellung der Kennwerte

Auflösung Winkel Stabw 1200*1600 -0,04 35,71 600*800 A -2,35 36,38 600*800 B 0,69 35,24 600*800 C 0,41 35,85 600*800 D 0,62 35,37

AD5-M-3-Auf l.-1200-1600 Kopie.BMP

°806040200-20-40-60-80

%

13121110

9876543210

AD5-M-3-Auf l.-600-800 A.BMP

°806040200-20-40-60-80

%

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

AD5-M-3-Auf l.-600-800 B.BMP

°806040200-20-40-60-80

%

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

AD5-M-3-Auf l.-600-800 C.BMP

°806040200-20-40-60-80

%

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

AD5-M-3-Auf l.-600-800 D.BMP

°806040200-20-40-60-80

%

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0


0

2

4

6

8

10

12

14

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Winkel [°]

Häu

figke

it [%

]

0

180

90

270

In vorausgegangenen Untersuchungen wurde das Messsystem mit synthetisch er-zeugten Faserverläufen verifiziert. Im Folgenden sollte überprüft werden, wie das Messsystem auf Winkelabweichungen realer Vorlagen reagiert. Zu diesem Zweck wurde das reale Objekt um jeweils 90 Grad gedreht. Es zeigte sich, dass die ermittel-ten Informationen für die 0 Grad und 180 Grad Ausrichtungen sowie für die 90 Grad und 270 Grad Ausrichtungen im Wesentlichen übereinstimmen (Abbildung 5-4). Die im Häufigkeitsdiagramm angezeigten Maximalwerte bei 0 Grad und 90 Grad weisen jedoch nicht die gleichen Beträge auf. Es kommt nicht zu der erwarteten, exakten Phasenverschiebung. Dies wird auf die rechteckigen Bildausschnitte zurückgeführt, die um 90° gedreht nicht die identischen Bildinformationen aufweisen.

Abbildung 5-4: Auswertung einer realen Probe bei unterschiedlichen Winkeln

5.2.1. Technikumsuntersuchungen

Die Laborkrempel wurde zunächst auf ihre Krempeleigenschaften hin untersucht. Ziel war es einen, optimale Arbeitspunkt zu finden, in dem die Krempel ein homogenes und voluminöses Vlies produziert, welches dann wiederum den eigentlichen Versu-chen als Vorlage dient. Bei den Untersuchungen stellte sich heraus, dass der Ar-beitsbereich in dem die Krempel ein Vlies produzieren konnte sehr stark einge-schränkt war.


Zunächst wurden Flore aus unterschiedlichen Fasermaterialien und Fasermischun-gen ohne die Verwendung der Stauchwalzen hergestellt. Die berechneten optischen MD:CD Werte weisen recht unterschiedliche Werte auf (Abbildung 5-5). Hier wird insbesondere die Abhängigkeit der Fasereigenschaften wie Faserlänge, Faserfein-heit, Steifigkeit und Kräuselung auf das Krempelergebnis deutlich. Die Garnitur ist mit ihrer Zahnteilung, -form und Anzahl ist für bestimmte Fasertypen abgestimmt. Wer-den andere Fasern verarbeitet, ändern sich auch die Floreigenschaften. Dies ist auch ein Hinweis, dass bei einer verschlissenen Garnitur sich ebenfalls die Floreigenschaf-ten hinsichtlich ihrer Orientierung verändern.

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Lyocell-PLA Baumwolle-PLA

Baumwolle Lyocell Kenaf-PLA PLA Kenaf

Abbildung 5-5: Faserorientierungen im Flor bei unterschiedlichen Materialien (Krempel ohne Stauchwalzen)

Bei konstanter Tambourgeschwindigkeit wurde die 1. Stauchwalze auf eine hohe Geschwindigkeit von 6 m/min eingestellt. Mit der Zunahme der Umfangsgeschwin-digkeit der 2. Stauchwalze nimmt auch deren Stauchwirkung zu. Eine Stauchung des Flors bis zu einem MD:CD Verhältnis von 1 konnte nicht erreicht werden. Es kann von einem linearen Zusammenhang von Walzengeschwindigkeit und Umorientierung der Fasern im Flor ausgegangen werden (Abbildungen 5-6, 5-7)

Bei der Variation der Umfangsgeschwindigkeit der 1. Stauchwalze zwischen 3 m/min und 6 m/min ergibt sich für das MD:CD Verhältnis im Faserflor ein nichtlinearer Zu-sammenhang. Die beste Stauchwirkung, d.h. das niedrigste MD:CD Verhältnis wir bei 4 m/min erreicht. Bei weiterer Geschwindigkeitsreduzierung der 1. Stauchwalze auf 3 m/min steigt das MD:CD Verhältnis wieder, da aber eine sehr niedrige Ge-schwindigkeitsdifferenz zwischen der 1. und der 2. Stauchwalze besteht, ist auch die


Übergabe der Fasern eingeschränkt. Der hier produzierte Flor ist daher sehr un-gleichmäßig, mit ausgeprägten Dick- und Dünnstellen.

Das Zusammenspiel von 1. und 2. Stauchwalze ist in Abbildung 5-8 als Balkendia-gramm dargestellt.Die Funktionalität des Stauchprozesses ist nur gegeben, wenn die Stauchwalze eine niedrigere Umfangsgeschwindigkeit als die vorhergehende Walze aufweist. Da in der Laborkrempel die Tambourgeschwindigkeit nicht geändert werden konnte, ist der Arbeitsbereich der Krempel daher sehr stark eingeschränkt.

Tambour und 1. Stauchwalze konstant

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

1 2 3 4 5 6

Geschwindigkeit 2. Stauchwalze [m/min]

MD

:CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ng

Abbildung 5-6: Einfluss der 2. Stauchwalze auf das MD:CD Verhältnis


Tambour und 2. Stauchwalze konstant

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2 3 4 5 6 7

Geschwindigkeit 1. Stauchwalze [m/min]

MD

:CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ng

Abbildung 5-7: Einfluss der 1. Stauchwalze auf das MD:CD Verhältnis

34

6

2

3

51,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

MD

:CD

aus

Fas

eror

ient

ieru

ng

1. Stauchwalze [m/min]

2. Stauchwalze [m/min]

Abbildung 5-8 : Einflüsse der 1. und 2. Stauchwalze auf das MD:CD Verhältnis


5.2.2. Vergleich der Prüfmethoden für die Orientierungsmessung

Das in diesem Vorhaben entwickelte Orientierungsmessverfahren war zu validieren. Ursprünglich sollt hierzu das Verfahren der Stereophotogrammetrie als Standardme-thode herangezogen werden. Als weitere Vergleichsmethode wurde das Fibreshape hinzugezogen. Um einen direkten Vergleich zu gestatten, wurden die identischen Bildaufnahmen die in der Stereophotogrammetrie generiert wurden der Stereopho-togrammetrie und dem Onlinemesssystem Offline zur Auswertung vorgelegt (Abbil-dung 5-9). Die Aufnahmen wurden stichprobenartig aus den ersten 27 Versuchen, die im Fleissner Technikum durchgeführt wurden, entnommen. Als ein weitere Ver-gleichsgröße standen die für alle Versuchsreihen ermittelten mechanischen MD:CD Verhältniszahlen zur Verfügung.

Abbildung 5-9. Beispiel einer bereinigten Aufnahme aus der Stereophotogrammetrie . Nur die Beimengung schwarzer Fasern ist sichtbar

In der folgenden Abbildung werden die mit den drei zur Verfügung stehenden Orien-tierungsmessverfahren ermittelten und umgerechneten Größen des MD:CD Verhält-nisses mit den mechanischen Kennwerten korreliert. Grundsätzlich zeigt die Gegen-überstellung einen einheitlichen Trend und eine Übereinstimmung des mechanischen MD:CD und des MD:CD aus der Orientierungsmessungen. Aus den Gradenglei-chungen ergeben sich Steigungen zwischen 0,6 und 1,1 und Achsenverschiebungen zwischen 0,7 und 1,7.


Der direkte Vergleich der Daten aus der Stereophotogrammetrie zeigt eine schlechte Übereinstimmung der Ergebnisse aus der ermittelten Kennwerten mit den der me-chanischen Kennwerten mit einem R² von 0,11. Die Ursache liegt in der manuellen Verfolgung der Fasern. Einzelne Fasern können zwar über die Knotenpunkte hinweg mit einer guten Auflösung verfolgt werden, aber es wird dabei nur eine kleine und subjektive Auswahl an Fasern getroffen. Demgegenüber werden bei dem Online-Verfahren und dem Offline Verfahren FIBRESAPE sämtliche Fasern bzw. Faserseg-mente analysierte und in die Auswertung eingebracht. Das Online-Verfahren weist eine Steigung von 0,8, einen Offset von 1,2 und ein R² von 0,56 auf. Eine noch bes-sere Übereinstimmung der Kennwerte im Vergleich zu dem mechanischen MD:CD Verhältnis weist das FIBRESHAPE Verfahren auf. Hier ist eine Steigung von annäh-rend 1, ein Offset von 0,6 und ein R² von 0,68 erzielt worden. Die geringe Steigung von 0,8 die durch das Onlinemesssystem ermittelt wurde ist durch die Streuungen der Messwerte, auch die der mechanischen MD:CD-Kennwerte zu erklären. Hier liegen ebenfalls messtechnischen Schwankungen vor.

y = 0,9309x + 1,3284R2 = 0,109

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7 8

MD:CD aus Zugversuchen

MD

:CD

aus

Fas

eror

ient

ieru

ng

Abbildung 5-10. Gegenüberstellung des MD:CD aus der Stereophotogrammetrie mit den MD:CD Verhältnissen aus mechanischen Untersuchungen


y = 0,805x + 1,2598R2 = 0,5636

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7


MD

:CD

aus

Fas

eror

ient

ieru

ng

Abbildung 5-11: Gegenüberstellung des MD:CD aus der FIBRE mit den MD:CD Verhält-nissen aus mechanischen Untersuchungen

y = 1,0158x + 0,5743R2 = 0,6865

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6 7


MD

:CD

aus

Fas

eror

ient

ieru

ng

Abbildung 5-12: Gegenüberstellung des MD:CD aus dem FIBRESHAPE mit den MD:CD Verhältnissen aus mechanischen Untersuchungen

5.3. Technikumsuntersuchungen STFI

Für die Durchführung in diesem und in den nachfolgenden Kapiteln 5.4 und 5.5 be-schriebenen Versuche zur Faserorientierungsmessung wurden folgende Polyester-Fasern zur Herstellung von Faservliesen bzw. Faservliesstoffe ausgewählt und ein-gesetzt.


Tabelle 5-4: Eingesetzte Fasermaterialien

Schwarz (Referenz-Fasern) dtex/mm

Kräuselung-Bogenzahl[cm-1]

Entkräuse-lung[%]

Kräuselung-Beständigkeit[%]

PES-F 1,7/60 10,07 16,28 56,93 PES-F 3,3/40 8,94 20,84 63,42

WeißPES-F 1,7/60 13,15 22,47 41,78 PES-F 6,7/51 16,23 28,80 42,69

5.3.1. Offline- Untersuchungen

Im STFI wurden Faservliese bzw. Faservliesstoffe nach dem Kardierverfahren und nach dem aerodynamischen Verfahren gebildet bzw. hergestellt. Dabei wurden ma-schinenspezifische Eingangsgrößen in die Betrachtungen einbezogen wie z.B. die Tambourgeschwindigkeit, der Wasserdruck und die Anblasluftmenge. Es wurden nach der Krempel, nach der Nadelmaschine und nach der Wasserstrahl-anlage über die Anlagenbreite Flor- bzw. Vliesstoffproben entnommen und zur offli-ne- Bestimmung der Faserorientierung nach der Stereophotogrammerie-Methode im STFI e.V. bzw. nach der Bildverarbeitungsmethode im Faserinstitut Bremen verwen-det.

Die im STFI e.V. zu bestimmende Faserorientierung im Flor bzw. im Vliesstoff wird durch eine Winkelverteilung charakterisiert, die dadurch ermittelt wird, dass der Ver-lauf der schwarzen Referenzfasern mit einem Vektor der Länge L0 verfolgt wird. Der Winkel der Resultierenden zwischen den Vektoren zur Arbeitsrichtung charakte-risiert die Faserorientierung.

5.3.2. Kardierverfahren

Die ersten Untersuchungen zur offline-Messung der Faserorientierung nach dem Kardierverfahren mittels der stereophotogrammetrischen Methode liefern die Ergeb-nisse, die in Abbildung 5-13 zu sehen sind, wobei die Winkelverteilungen der Polyes-ter-Referenzfasern im Flor nach der Krempel und in den vernadelten quergelegten Vliesen dargestellt sind.

Entsprechend der Anlagenspezifikation ist es zu erwarten, dass die Faserorientie-rung im Flor in Längsrichtung erscheint. Nach dem Legen und der Nadelmaschine sollte die Faserlage im Vliesstoff mehr auf die Querrichtung zeigen. Diese Erwartun-gen sind durch die offline ermittelten Ergebnisse bewiesen.


Abbildung 5-13: Offline gemessene Faserorientierung im Flor bzw. im Vliesstoff

In Abbildung 5-14 und Abbildung 5-15 sind die Ergebnisse der offline gemessene Faserorientierung im Flor bzw. im Nadelvliesstoff über die Anlagenbreite dargestellt, wobei die Buchstaben R, M und L Recht, Mitte und Links bedeuten. Das „F“ bzw. „V“ sollen auf die Begriffe „Flor“ bzw. „Vliesstoff“ hinweisen.

Neben der Bekräftigung der oben genannten Erwartungen wurde festgestellt, dass die Faserorientierung über die Anlagenbreite im Flor bzw. im Vliesstoff schwankt, was auf die Anlageeinstellungen, -Konfiguration und auf möglich eingetretene Stör-faktoren zurückzuführen ist.

Abbildung 5-14: Offline gemessene Faserorientierung im Flor über die Anlagenbreite und nach dem Kardierverfahren


Abbildung 5-15: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff über die Anlagenbreite und nach dem Kardierverfahren

5.3.3. Aerodynamisches Verfahren

Die aerodynamische Vliesbildung ist generell ein trockenes Verfahren zur Bildung eines Vlieses aus Stapelfasern. Die geforderten Eigenschaften des Vlieses, z.B. Gleichmäßigkeit und die Masse des Vlieses, werden in hohen Maße von der Qualität der Öffnung beeinflusst.

Ein Idealbild der aerodynamischen Vliesbildung ist die Herstellung eines Vlieses, das in Längs- und Querrichtung gleiche Eigenschaften bezüglich Faserorientierung, Elas-tizität und Festigkeit hat.

Unter die für offline-Bestimmung der Faserorientierung geplanten Untersuchungen wurden Zielversuche zur Erkennung der Einflüsse von der Tambourgeschwindigkeit, dem Wasserdruck und der Anblasluftmenge auf die Orientierung der Fasern über die Anlagenbreite im Flor bzw. im Vliesstoff durchgeführt.

5.3.4. Einfluss des Wasserdruckes

Abbildung 5-16 zeigt die offline gemessene Faserorientierung im Flor bzw. im was-sergestrahlten Vliesstoff nach dem aerodynamischen Verfahren. Dabei wurden die Tambourgeschwindigkeit und die Anblasluftmenge konstant eingestellt. Bei den er-mittelten Anteilen P der Fasern mit dem Winkel bis zu 90° ist zu erkennen, dass sich im Flor eine gute Verteilung der Fasern in Wirrlage ergeben hat. Dies stimmt überein mit der erwarteten Faserorientierung, die aus einem aerodynamischen Verfahren gebildeten Flor bzw. Vlies.


Abbildung 5-16: Offline gemessene Faserorientierung im Flor nach dem aerodynamischen Vlies-bildungsverfahren

Bei der Wasserstrahlverfestigung werden generell die Fasern durch die Strahlreihen parallelisiert und vorzugsweise in Längsrichtung umorientiert. In den untersuchten Bereichen wurde mit steigendem Druck eine deutliche Änderung der Vliesstofffestig-keiten in Längs- und Querrichtung bewiesen und damit eine Veränderung des MD-CD-Verhältnis erreicht (siehe Abbildung 5-17 und Abbildung 5-18).

Dieses Effekt wurde mit den bei diesen Untersuchungen eingestellten Wasserdrücke zwar nachgewiesen aber ist nicht immer erreichbar, weil anderen Einflussfaktoren wie z.B. Faserart (Feinheit, Kräuselung...), Art der Vliesbildung und Verfestigungspa-rameter entscheidende Wirkung auf die Festigkeitseigenschaften haben.

In der Abbildung 5-17 ist die offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei verschiedenen Wasserstrahldrücken dargestellt. Es ist festzustellen, dass sich die Anteile P der Fasern zwischen 0° und 30° bei den Wasserstrahldrücken 80 bar bzw. 100 bar eindeutig zugenommen haben im Vergleich mit denen bei 60 bar. Demge-genüber haben sich die Anteile P der Fasern zwischen 60° und 90° bei 80 bar bzw. 100 bar im Vergleich mit denen bei 60 bar verringert. Dies weist auf eine längsorien-tierte Faserlage und damit eine Steigerung der Zugkräfte hin.


Abbildung 5-17: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei unterschiedlichen Wasser-strahldrücke nach dem aerodynamischen Vliesbildungsverfahren

Auf der Abbildung 5-18 sind die Werte der Höchstzugkräfte des Vliesstoffes in Längs- und Querrichtung und die daraus berechneten MD:CD-Mittelwerte bei verschiedenen Wasserstrahldrücken und über die Anlagenbreite zusammengestellt. Die grüne Line weist auf einen MD:CD-Wert gleich „1“ hin, was auf ein typisch nach aerodynami-schen Verfahren gebildetes Vlies hinweist.

Abbildung 5-18: Einfluss des Wasserdruckes über die Anlagenbreite auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Mittelwerte des MD-CD-Verhältnises über die Anlagenbreite bei 60 bar bzw. 100 bar stark schwanken, während es bei 80 bar an-nähernd stabil bleibt. Bei der Steigerung der Wasserdruckes nimmt das MD:CD-Verhältnis zu und nähert sich dem Wert 1 an.


5.3.5. Einfluss der Krempeleinstellung

Die zweite Einflussgröße „Tambourgeschwindigkeit“ wurde bei den geplanten Versu-chen überprüft. Dabei wurde die Geschwindigkeit des Tambours im Verhältnis zur Basiseinstellung um 15 % erhöht bzw. reduziert.

Abbildung 5-19 zeigt die Offline ermittelten Winkelverteilungen der Anteile P der Fasern im Flor bei den verschiedenen Tamboureinstellungen und einer konstanten Anblasluftmenge bzw. einem unveränderlichen Wasserdruck.Bei der Basiseinstellung „AD1“ ist eine Wirrlage der Fasern zu erkennen. Durch eine Verstellung der Tambourgeschwindigkeit um 15% hat sich die Faserorientierung etwas auf die Längsrichtung verändert.

Abbildung 5-19: Offline gemessene Faserorientierung im Flor bei unterschiedlichen Tambourge-schwindigkeiten nach dem aerodynamischen Verfahren

In der Abbildung 5-20 ist die entsprechend zu Abbildung 5-19 offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff dargestellt.

Durch die Wasserstrahlverfestigung wurde die bei der Basiseinstellung „AD1“ erfass-te Wirrlage der Fasern im Flor in einen längsorientierten Vliesstoff umgeformt. Bei der Erhöhung bzw. Reduzierung der Tambourgeschwindigkeit „AD2“ bzw. „AD3“ wurde eine Veränderung der längsorientierten Fasern im Flor in einer Wirrlage der Fasern (Isotropie) im Vliesstoff festgestellt.


Abbildung 5-20: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei unterschiedlichen Tam-bourgeschwindigkeiten nach dem aerodynamischen Verfahren

In der Abbildung 5-21 ist der Einfluss der Krempeleinstellung auf das Verhältnis MD:CD des Vliesstoffes dargestellt. Dabei ist es zu erkennen, dass bei einer Redu-zierung der Tambourgeschwindigkeit um 15% der Basiseinstellung der beste Mittel-wert des MD:CD-Verhältnises ermittelt wurde. Dies beträgt 0,96 und zeigt sich vor allem in den geringen Schwankungen über die Materialbreite.

Abbildung 5-21: Einfluss der Krempeleinstellung über die Anlagenbreite auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten


5.3.6. Einfluss der Anblasluftmenge

Nach dem Öffnungsprozess beim aerodynamischen Vliesbildungsverfahren werden die Fasern von der Tambourwalze mit Hilfe der Fliehkraft und eines laminaren Luft-stroms abgelöst. Diese werden sogleich zu einem mit Unterdruck beaufschlagten Siebband transportiert, dort wird die Vliesbildung stattfinden.Die Anblasluftmenge wurde mittels einer, im Luftkanal befindlichen, Klappe auf drei Positionen (fast zu ca. „0%“ Luft, in der Mitte „50%“ und 75% ) eingestellt.

In Abbildung 5-22 sind die offline ermittelten Faserorientierungsverteilungen im Flor bei den unterschiedlichen Anblasluftmengen und bei einer konstanten Tambourge-schwindigkeit abgebildet. Im Vergleich zur Basiseinstellung „AD1, Anblasluftmenge 50%“, die mit einer Wirrlage der Fasern zu erkennen ist, zeigen AD4 bzw. AD5 eine leichte Veränderung der Faserorientierung in Längsrichtung.

Abbildung 5-22: Offline gemessene Faserorientierung im Flor bei unterschiedlichen Anblasluft-mengen nach dem aerodynamischen Verfahren

Abbildung 5-23 zeigt die entsprechend zu Abbildung 5-22 offline gemessenen Faser-orientierung im Vliesstoff. Durch die Wasserstrahlverfestigung wurde die bei der Basiseinstellung „AD1“ ermit-telte Wirrlage der Fasern im Flor in ein längsorientierten Vliesstoff umgeformt. Bei der Erhöhung der Anblasluftmenge „AD5“ wurde eine Veränderung der längsorien-tierten Fasern im Flor in einer Wirrlage der Fasern im Vliesstoff festgestellt. Bei der Reduzierung der Anblasluftmenge „AD4“ wurden die gleichen Tendenzen der Faser-orientierung im Flor festgestellt.


Abbildung 5-23: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei unterschiedlichen Anblas-luftmengen nach dem aerodynamischen Verfahren

In Abbildung 5-24 ist der Einfluss der Anblasluftmenge auf das Verhältnis MD:CD des Vliesstoffes über die Anlagenbreite abgebildet. Dabei ist es zu erkennen, dass bei einer Erhöhung der Anblasluftmenge um 25%Punkte der Basiseinstellung der beste Mittelwert des MD:CD-Verhältnises ermittelt wurde. Dies beträgt 0,91 und zeigt sich vor allem in den geringen Schwankungen über die Materialbreite.

Abbildung 5-24: Einfluss der Anblasluftmenge über die Anlagenbreite auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten


5.4. Online-Untersuchungen STFI

Für die Optimierung der zur Online-Ermittlung der Faserorientierung im Vliesstoffher-stellungsprozess entwickelten Messeinrichtung wurden Testuntersuchungen im Technikum des Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. durchgeführt. Dabei wurde die Online Messeinrichtung nach der Krempel installiert (Abbildung 5-25).

Abbildung 5-25 Kammeraufbau in der STFI-Krempel


Eine Mischung von Polyesterfasern 1,7 dtex/ 38mm (99%) und 1,7 dtex/ 60 mm Referenz-Schwarzfasern (1%) wurde für die Herstellung des Vliesstoffes eingesetzt.

Das Vliesstoffsgewicht von ca. 140 g/m² wurde mit einem Kreuzleger aus 8 Florlagen gebildet. Eine Legebreite von ca. 1560 mm und eine „Lagenschlusseinstellung“ wur-den eingestellt. Bei den Versuchen wurden diese Vliese von oben durch 2 Nadelbretter (Nadelanzahl ca. 9000/Satz auf 1 m Arbeitsbreite) mit einer Einstichtiefe von 10 mm und einer Einstichdichte von ca. 125 Stiche/cm² verfestigt. Diese Einstellparameter wurden während der Untersuchungen konstant gehalten.

Die Vielzahl an Einflussgrößen, die sich aus der Variation der technischen Einstellpa-rameter der Produktionslinie ergeben, führte dazu, dass ein Versuchsprogramm erstellt werden musste, um die Versuchsanzahl auf vernünftige Größenordnungen zu reduzieren. Danach erfolgte die Durchführung der Messreihen unter Variation der folgenden Parameter:

die Umfangsgeschwindigkeit der Haupttrommel (541, 676 und 846 m/min) die Umfangsgeschwindigkeit der Arbeiter (29, 34 und 39 m/min) die Umfangsgeschwindigkeit des Abnehmers (15, 19 und 23 m/min)

Die Positionen der variierten Walzen sind in der schematischen Abbildung 5-26 rot dargestellt.

Abbildung 5-26: In der STFI-Krempel variierte Elemente (rot dargestellt)


Die Geschwindigkeit der Anlage wurde nach der Linienkapazität und fehlerfreien Produktions-Kriterien im Bereich von 4,5 m/min bis 45 m/min variiert.

Die mit der Messeinrichtung online erfassten Daten wurden zuerst auf einem Compu-ter gespeichert und dann ausgewertet.Es wurde auch für die Offline-Messungen Proben zur Bestimmung der Faserorientie-rung bzw. der textilphysikalischen Vliesstoffeigenschaften entnommen.

Von den Online- und Offline-Auswertungen wurden die statistischen Werte wie Mit-telwert, Variationskoeffizienten, Standardabweichung und obere und untere Grenz-werte der Faserorientierung ermittelt und verglichen.

5.4.1. Online-Ergebnisse

Die Online ermittelten MD:CD Verhältnisse des unverfestigten Faserflors variieren in einem schmalen Bereich von 1,7 bis 1,9. Durch die gleichfalls auftretenden Streuun-gen der Messwerte ist keine deutlicher Zusammenhang oder Korrelation mit den eingestellten Maschinenparametern herzustellen.

Die Wechselwirkung von Tambour und Arbeiter lassen keine Aussagen zu dem An-lagenverhalten zu. Die Streuungen der Messwerte sind hoch, eine Korrelation ist nicht gegeben (Abbildung 5-27).

Ein Einfluss der Tambourgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Abnehmergeschwin-digkeiten ist erkennbar. Die Steigungen sind sehr gering, und fällt bei der niedrigen Abnehmergeschwindigkeit von 15 m/min negativ aus. Bei den Abnehmergeschwin-digkeiten 19 m/min und 23 m/min sind die Steigungen positiv. Bei der höchsten und niedrigsten Abnehmergeschwindigkeit sind Korrelationen mit Werten zwischen 0,35 und 0,5 gegeben (Abbildung 5-28).

Ein Einfluss der Arbeiterwalzen auf die Orientierung bzw. das MD:CD-Verhältnis im Flor ist bei verschiedenen Tambour- und Abnehmergeschwindigkeiten überhaupt nicht auszumachen (Abbildung 5-29 und Abbildung 5-30).

Der Einfluss der Abnehmerwalze zeigt sowohl bei Variation des Tambours als auch der Arbeiterwalzen einen Zusammenhang 2ter Ordnung. Wie schon beschrieben, so ist auch in diesen Darstellungen kein eindeutiger Zuordnung von Tambour und Arbei-ter erkennbar (Abbildung 5-31 und Abbildung 5-32).


Tambour

y = -7E-05x + 1,8539R2 = 0,0116

y = 4E-05x + 1,7957R2 = 0,0092

y = 7E-05x + 1,79R2 = 0,0149

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

500 550 600 650 700 750 800 850 900

Tambourgeschwindigkeit [m/min]

MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Arbeiter 29m/minArbeiter 34m/minArbeiter 39m/min

Abbildung 5-27: MD:CD in Abhängigkeit von Tambour- und Arbeitergeschwindigkeit

Tamboury = 7E-05x + 1,8451

R2 = 0,2081

y = 9E-05x + 1,7822R2 = 0,5496

y = -0,0001x + 1,8122R2 = 0,3426

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

500 550 600 650 700 750 800 850 900

Tambourgeschwindigkeit [m/min]

MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Abnehmer 15m/minAbnehmer 19m/minAbnehmer 23/min

Abbildung 5-28: MD:CD in Abhängigkeit von Tambour- und Abnehmergeschwindigkeit


Arbeiter

y = -0,0033x + 1,9408R2 = 0,0296

y = -0,0006x + 1,8392R2 = 0,0015

y = -0,0012x + 1,8663R2 = 0,0081

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

27 29 31 33 35 37 39

Arbeitergeschwindigkeit [m/min]

MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Tambour 846m/minTambour 677m/minTambour 541m/min

Abbildung 5-29: MD:CD in Abhängigkeit von Arbeiter- und Tambourgeschwindigkeit

Arbeiter

y = -0,0022x + 1,9698R2 = 0,1762

y = -0,0002x + 1,8529R2 = 0,0023

y = 0,0005x + 1,7226R2 = 0,0073

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

27 29 31 33 35 37 39


MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Abnehmer 15m/minAbnehmer 19m/minAbnehmer 23/min

Abbildung 5-30: MD:CD in Abhängigkeit von Arbeiter- und Abnehmergeschwindigkeit


Abnehmer

y = -0,0062x2 + 0,2554x - 0,7349R2 = 0,9076

y = -0,0079x2 + 0,3198x - 1,3076R2 = 0,9545

y = -0,0061x2 + 0,2488x - 0,6271R2 = 0,958

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Abnehmergeschwindigkeit [m/min]

MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Arbeiter 29m/minArbeiter 34m/minArbeiter 39m/min

Abbildung 5-31: MD:CD in Abhängigkeit von Abnehmer- und Arbeitergeschwindigkeit

Abnehmer

y = -0,0076x2 + 0,3115x - 1,2776R2 = 0,9636

y = -0,006x2 + 0,2432x - 0,5667R2 = 0,9076

y = -0,0068x2 + 0,2744x - 0,875R2 = 0,9515

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

1,95

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24


MD/

CD a

us F

aser

orie

ntie

rung

Tambour 846m/minTambour 677m/minTambour 541m/min

Abbildung 5-32: MD:CD in Abhängigkeit von Abnehmer- und Tambourgeschwindigkeit


5.4.2. STFI Offline-Auswertung

Die Abbildung 5-33 und Abbildung 5-34 zeigen eine Zusammenstellung der offline Untersuchungsergebnisse der Winkelverteilungen mittels des stereophotogrammetri-schen Verfahrens und die entsprechenden berechneten MD:CD-Werte bei einer Variation der Tambour- und der Arbeitergeschwindigkeit bei konstanten Abnehmer-geschwindigkeit von 19 m/min bzw. einer Variation der Tambour- und Abnehmerge-schwindigkeit und bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 34 m/min.

In der Abbildung 5-35 und Abbildung 5-36 sind die entsprechend zu der Abbildung5-33 und der Abbildung 5-34 Mittelwerte der Höchstzugkräfte in Längs- bzw. Quer-richtung und die berechneten MD:CD-Werte abgebildet.

Abbildung 5-33: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei der Variation der Tam-bour- und Arbeitergeschwindigkeit und bei einer Abnehmergeschwindigkeit von 19 m/min

Abbildung 5-34: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei der Variation der Tambour- und Abnehmergeschwindigkeit und bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 34 m/min


Abbildung 5-35: Einfluss der Tambour- und Arbeitergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Abnehmergeschwindigkeit von 19 m/min

Abbildung 5-36: Einfluss der Tambour- und Abnehmergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 34 m/min

Wie schon beschrieben wurde, ist zu erwarten, dass die Faserorientierung im Vlies-stoff mehr auf die Querrichtung zeigt. Diese Erwartungen sind durch die oben ermit-telten Offline-Ergebnisse sehr gut bewiesen. Dabei eine Zunahme der Anteile P in [%] der Fasern, die zwischen 60° und 90° ermittelt wurden und auf einen querorien-tierten Vliesstoff hinweisen, entspricht auch einer Abnahme der MD:CD-Werte.

5.4.3. Modellierung des Anlagenverhaltens

In der Modellbildung wird ein statistisches Modell generiert, das eine Produkteigen-schaft, in diesem Fall das CD/MD-Verhältnis für die Höchstzugkraft des hergestellten Vliesstoffs, als Funktion der Anlagenparameter beschreibt. Das Verhältnis der Zug-


kräfte im Vlies wurde für diese Betrachtungsweise umgekehrt um größere und damit deutlicher hervortretende Kennwerte zu erhalten. Für die Beschreibung der Einflussgrößen wird ein Response-Surface-Modell mit quadratischen Ansatzfunktionen aufgebaut. Dies setzt die Untersuchung der ausge-wählten Faktoren auf drei Stufen voraus. Zielgröße für das Modell ist das CD/MD-Verhältnis der Höchstzugkraft, das für die einzelnen Versuche textilphysikalisch er-mittelt wurde.Es wurden die folgenden Faktoren mit den in der Tabelle dargestellten Stufen defi-niert.

Tabelle 5-5: Faktoren und Faktorstufen

Stufe -1 Stufe 0 Stufe +1 Tambour [m/min] 540 677 846 Arbeiter [m/min] 29,0 34,0 39,0 Abnehmer [m/min] 15,4 19,3 23,2

Um den Einfluss von Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Faktoren zu be-rücksichtigen ist ein vollfaktorieller Versuchsplan erforderlich. Dies führt zu einer Gesamtanzahl von 27 Faktorstufenkombinationen

2733npn j

mit: n, Versuchsanzahl p, Faktorstufen j, Faktoren

Bei teilfaktoriellen Versuchsplänen werden die Effekte von Faktoren durch die Fak-torwechselwirkungen in einem Versuch überlagert. Dies führt zu einer Reduzierung der Versuchsanzahl. Im Ergebnis kann dann aber nicht zwischen dem Einfluss ein-zelner Faktoren und den Faktorwechselwirkungen unterschieden werden, was zu Fehlinterpretationen führt. Die in der Abbildung dargestellten statistischen Größen beruhen auf der Auswertung von 10 Datensätzen pro Versuchskonfiguration. Aufgrund der teilweise großen Spannweite des Vertrauensbereichs wird hier zusätzlich der Median mit angegeben. Dieser Wert ist unempfindlich gegen Ausreißer und daher eine robuste Größe zur Bewertung von Versuchsergebnissen. An diese Daten wurden die Parameter des Polynoms zur Beschreibung der Respon-se Surface angepasst.


Abbildung 5-37: CD/MD, Mittelwerte mit Grenzen des 95%-Vertrauensbereichs, Median, 25%-Quartille und 75%-Quartille

Die Güte des angepassten Modells kann durch den Vergleich der Versuchsergebnis-se mit den entsprechenden Werten der Zielgröße aus dem Modell erfolgen. Im Actu-al-by-Predicted-Diagramm werden die im Modell ermittelten Werte der Zielgröße (Abszisse) gegen die Eingangsdaten der Zielgröße (Ordinate) aufgetragen. Je höher das Bestimmtheitsmaß (R2) der Regression ist, desto dichter liegen die Punkte an der Diagonalen.

Abbildung 5-38: Actual-by-Predicted-Diagramm für das Regressionsmodell


Das Bestimmtheitsmaß der Regression liegt bei 0,7. Dieser niedrige Wert kann durch die Streuung der Eingangsdaten erklärt werden. Der globale Mittelwert (blau) schnei-det die beiden Grenzkurven des 95%-Vertrauensbereichs. Dies ist der Indikator für die Signifikanz des Modells. Alle Faktoren mit Einfluss auf die Zielgröße sind im Mo-dell erfasst. Das Pareto-Diagramm stellt die approximierten Koeffizienten der Faktoren, in der Reihenfolge ihrer Gewichte, dar.

Abbildung 5-39: Pareto-Diagramm der approximierten Koeffizienten

Den größten Einfluss hat die Tambourgeschwindigkeit. Die Koeffizienten für die quadratischen und linearen Faktoren haben den größten Betrag. Die Wechselwir-kung mit der Abnehmergeschwindigkeit sowie der lineare Faktor des Abnehmers folgen auf Rang drei und vier. Die Wechselwirkung zwischen Tambourgeschwindig-keit und Arbeitergeschwindigkeit hat im Regressionsmodell den geringsten Einfluss. Abbildung 5-40 zeigt den Einfluss der Faktoren auf die Zielgröße.

Abbildung 5-40: Einfluss der Faktoren auf die Zielgröße

Die Wechselwirkungseffekte haben Einfluss auf den Verlauf der Faktoreffekte bei der Veränderung anderer Faktoren. Diese Effekte können im Wechselwirkungsdiagramm abgelesen werden. Liegt keine Wechselwirkung vor, so wird die Effekt-Kennlinie


parallel verschoben. Beim Einwirken einer Wechselwirkung wird zusätzlich die Stei-gung der Faktorkennlinie verändert.

Abbildung 5-41: Einfluss der Faktor-Wechselwirkungen auf die Zielgröße

Hier wird der Einfluss der Wechselwirkung zwischen Tambourgeschwindigkeit und Abnehmergeschwindigkeit deutlich, der auch im Pareto-Diagramm erkennbar ist. Unter Verwendung der Koeffizienten für die Faktoren und die Faktorwechselwirkun-gen kann das Kennfeld der Anlage bestimmt werden. In diesem Kennfeld wird die Zielgröße (CD/MD) als Funktion der drei Einflussfaktoren Tambourgeschwindigkeit, Abeitergeschwindigkeit und Abnehmergeschwindigkeit dargestellt. Der Faktor mit der geringsten Signifikanz, die Geschwindigkeit des Arbei-ters wird auf dem mittleren Wert festgehalten.


Abbildung 5-42: Response-Surface: Einfluss von Tambour- und Abnehmer-Geschwindigkeit auf das CD/MD-Verhältnis der Höchstzugkraft

Durch den Schnitt durch das Kennfeld in definierten Bereichen kann das Kennfeld als Gruppe von Kennlinien abgebildet werden. Das folgende Diagramm zeigt die Kennli-nie der Tambourgeschwindigkeit für drei verschiedene Abnehmergeschwindigkei-ten(15,4 m/min, 19,3 m/min und 23,3m/min). Die Arbeitergeschwindigkeit wird auf einem Wert von 34,05m/min festgehalten.

Abbildung 5-43: Abgeleitete Kennlinien der Response-Surface


5.5. Technikumsuntersuchungen Fleissner

Zur Online-Ermittlung der Faserorientierung im Vliesstoffherstellungsprozess wurden bei der Fa. Fleissner, Egelsbach, Versuche durchgeführt. Im Technikum wird eine Krempel der Fa. Spinnbau verwendet. Die anschließende Verfestigung erfolgte mit der Fleissner Wasserstrahlverfestigung. Nach anschließender Trocknung wurden die Probematerialien aufgewickelt. Die Online-Messeinrichtung wurde nach der Krempel installiert (siehe nachfolgende Abbildungen). Es wurden Polyester-Fasern (1,7 dtex / 38 mm) für die Herstellung von Faservliesen nach dem Kardierverfahren bzw. Spun-lace-Verfahren ausgewählt und eingesetzt.

Abbildung 5-44: Kameraaufbau über dem Faserflor


Unter industrienahen Bedingungen wurde der Einfluss von maschinenspezifischen Einstellungen der Krempel wie z. B. die Umfangsgeschwindigkeit der Haupttrommel, der Arbeiter, der Wirrwalze und des Abnehmers auf die Faserorientierung untersucht. Dabei wurden die Einstellparameter der Wasserstrahlanlage immer konstant gehal-ten.

Im Technikum der Fa. Fleissner wurden insgesamt zwei Versuche durchgeführt. Neben der Onlineprüfung der Faserflore wurden die wasserstrahlverfestigten Vliese in Offline-Verfahren hinsichtlich ihrer Orientierung, ihres mechanischen MD:CD Kennwertes und der Flächenmasse untersucht. Hierzu wurden von den fertigen Vlie-sen Offline-Aufnahmen angefertigt und anschließend dem Onlinesystem zur Auswer-tung vorgelegt. Bei einigen Versuchseinstellungen wurden direkt Flor-Proben aus dem Prozess entnommen und untersucht.

Die Untersuchungen wurden als vollfaktorieller Versuch gestaltet, bei dem die drei ausgewählten Elemente der Krempel wiederum in drei Variationen gefahren wurden. In der Kombination ergab dies insgesamt 27 einzelne Versuche.

Tabelle 5-6: An der Krempel eingestellte Variationen

Bezeichnung Nummerierung Geschwindigkeit m/min m/min m/min Arbeiter Hauptwalze 17,19,21,23 80 110 140 Wirrwalze oben 24 900 1150 1400 1. Abnehmer oben 25 16 20 24

Abbildung 5-45: Schematischer Aufbau der verwendeten Krempel und die variierten Bau-gruppen


Zur Probenbewertung wurden nach der Krempel Flor- bzw. Vliesstoffproben zur Offline Bestimmung der Faserorientierung im STFI e.V. entnommen.

Unter die für die Messeinrichtung durchgeführten Testuntersuchungen zur Erken-nung und Bestimmung der Faserorientierung im Flor bzw. im Vliesstoff wurden Ziel-versuche zur Bestimmung der Einflüsse von der Anlagegeschwindigkeit auf die Onli-ne-Messwerte geplant. Die Geschwindigkeit der Anlage wurde nach der Linienfähig-keit- (Kapazität) und fehlerfreien Produktions-Kriterien im Bereich von 30 m/min bis 60 m/min variiert.

5.5.1. Online-Ergebnisse

Die Online ermittelten MD:CD Verhältnisse des unverfestigten Faserflors variieren zwischen 1,2 und 2. Ähnlich den Untersuchungen im STFI hat die Variation der Ar-beiterwalze keine messbare Auswirkung auf die Orientierung im Faserflor (Abbildung5-46). Auch ist in dieser Darstellung kein Einfluss der Wirrwalzen erkennbar. Dies wird auch durch die nachfolgenden Offline- Untersuchungen bestätigt.

Bei der Analyse der Wirrwalze (Abbildung 5-47) sind gleichfalls keine Aussagen zur Einflussnahme auf die Faserorientierung abzuleiten.

Den größten Einfluss auf die Faserorientierung und mit dem daraus abgeleiteten MD:CD-Verhältnis im Faserflor hat die Abnehmerwalze. Mit Zunahme der Abneh-mergeschwindigkeit singt das MD:CD-Verhältnis unabhängig von der Arbeiter- und Wirrwalzengeschwindigkeit (Abbildung 5-48 und Abbildung 5-49). Die Werte für R² variieren zwischen 0,3 und 0,6.

Die Walze die innerhalb der Karde nachgeordnet ist, in diesem Fall die Abnehmer-walze prägt die Orientierung im Faserflor. Es wurde nicht geprüft welche anderen Floreigenschaften wesentlich durch die Arbeiter- und Wirrwalzen beeinflusst wurden.


Arbeiter, Hauptwalze

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

70 80 90 100 110 120 130 140 150


MD

/CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ngWirrwalze oben 900 [m/min]Wirrwalze oben 1150 [m/min]Wirrwalze oben 1400 [m/min]

Abbildung 5-46: MD:CD aus Faserorientierung im Verhältnis zur Arbeitergeschwin-digkeit

Wirrwalze

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Wirrwalzengeschwindigkeit [m/min]

MD

/CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ng

Arbeiter, Hauptwalze 80 [m/min]



Abbildung 5-47: MD:CD aus Faserorientierung gegenüber Wirrwalze


1. Abnehmer, oben

y = -0,0459x + 2,4326R2 = 0,4914

y = -0,023x + 1,924R2 = 0,3652

y = -0,0372x + 2,1905R2 = 0,5418

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

14 16 18 20 22 24 26


MD

/CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ngWirrwalze oben 900 [m/min]

Wirrwalze oben 1150 [m/min]

Wirrwalze oben 1400 [m/min]

Abbildung 5-48: MD:CD aus Faserorientierung gegenüber Abnehmer (Wirrwalze)

1. Abnehmer, oben

y = -0,0553x + 2,6248R2 = 0,5939

y = -0,0143x + 1,7238R2 = 0,2271

y = -0,0365x + 2,1986R2 = 0,6169

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

14 16 18 20 22 24 26


MD

/CD

aus

Fa

sero

rient

ieru

ng




Abbildung 5-49: MD:CD aus Faserorientierung gegenüber Abnehmer (Arbeiter)


5.5.2. Offline-Ergebnisse

In Abbildung 5-50 sind die Ergebnisse der offline gemessene Faserorientierung im Flor mittels des stereophotogrammetrischen Verfahrens bei einer kombinierten Wal-zengeschwindigkeitsvariation dargestellt.Es wurde festgestellt, dass sich im Vergleich zu der Basiseinstellung „V1“ bei einer kombinierten Variation der Arbeiterwalzen- bzw. Abnehmerwalzegeschwindigkeiten („V9“, siehe Abbildung 5-50) eine Änderung der Anteile P in [%] der Fasern ergeben hat, was auf eine Zunahme der Faserorientierung in Längsrichtung hinweist. Diese Aussage wurde durch die ermittelten Höchstzugkräfte und den daraus berechneten MD-CD-Werten bekräftigt (siehe Abbildung 5-51).

Abbildung 5-50: Offline gemessene Faserorientierung im Flor nach dem Kardierverfahren

Abbildung 5-51 zeigt die durch die verschiedenen Krempeleinstellvarianten berech-neten Mittelwerte der MD-CD-Verhältnisse der gesamten Versuche. Diese Werte liegen zwischen 1,63 und 6,68 wobei die angezeichnete grüne Linie auf das MD:CD-Wert der Basiseinstellung „V1“ deutet. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass sich gegenüber dem MD:CD-Wert des Basisversuches „V1“ die anderen MD:CD-Werte von den geplanten Versuche signifikant unterscheiden. Demzufolge kann geschluss-folgert werden, dass die Faserorientierung von den Walzengeschwindigkeiten ab-hängig ist.


Abbildung 5-51: Einfluss der Krempeleinstellungen auf die MD:CD-Werte

In der Abbildung 5-52 bis Abbildung 5-54 sind die Mittelwerte der Höchstzugkräfte in Längs- bzw. Querrichtung und die daraus berechneten MD:CD-Werte in Abhängig-keit von der variierten Wirrwalze- und Abnehmergeschwindigkeit bei einer konstanten Arbeitergeschwindigkeit abgebildet. Es ist deutlich zu erkennen, dass im untersuchten Bereich eine kombinierte Einstel-lung der Wirrwalzen- und Abnehmergeschwindigkeit einen wesentlichen Einfluss auf die Höchstzugkräfte, das MD-CD-Verhältnis und damit auf die Orientierung der Fa-sern im Vliesstoff hat. Bei gleichen Verfestigungsparametern und einer konstanten Arbeitergeschwindigkeit wurde festgestellt, dass bei langsamer Wirrwalzen- (900 m/min und teilweise 1150m/min) und Abnehmergeschwindigkeit (16 m/min) bessere Produktfestigkeiten in Längsrichtung erreicht werden. Im Vergleich zur Basiseinstel-lung „V1“ haben die Höchstzugkräfte in Längsrichtung um bis zu 43% zugenommen und die berechneten MD:CD-Werte sind bis zu 68% gestiegen.


Abbildung 5-52: Einfluss der Wirrwalzen- und Abnehmergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 140 m/min

Abbildung 5-53 Einfluss der Wirrwalzen- und Abnehmergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 110 m/min

Zusätzlich ist zu erkennen, dass bei konstanter Arbeiter- und Wirrwalzengeschwin-digkeit, je niedriger die Abnehmergeschwindigkeit ist, desto längsorientierter der Vliesstoff wird, und somit die MD:CD-Werte ansteigen (siehe Abbildung 5-54).


Abbildung 5-54: Einfluss der Wirrwalzen- und Abnehmergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 80 m/min

Die Abbildung 5-55 bis Abbildung 5-57 zeigen die Mittelwerte der Höchstzugkräfte in Längs- bzw. Querrichtung und die daraus berechneten MD:CD-Werte in Abhängig-keit der variierten Arbeiter- und Abnehmergeschwindigkeit bei einer konstanten Wirr-walzengeschwindigkeit.Die oben getroffenen Aussagen wurden bekräftigt. Es ist zu erkennen, dass bei kon-stanter Wirrwalzen- und Abnehmergeschwindigkeit eine Variation der Arbeiterge-schwindigkeit keine signifikanten Änderungen auf das MD-CD-Verhältnis bzw. die Faserorientierung im Vlies bewirkt.

Abbildung 5-55: Einfluss der Arbeiter- und Abnehmergeschwindigkeit auf die Höchstzugkräfte bzw. auf das MD-CD-Verhalten bei einer Wirrwalzengeschwindigkeit von 900 m/min




Abbildung 5-58 zeigt im Überblick die Ergebnisse der offline gemessenen Faserori-entierung im Vliesstoff mittels stereophotogrammetrischen Methode. Zusätzlich sind die MD:CD-Werte dargestellt.Die Ergebnisse beziehen sich auf die bereits beschriebenen Versuchbedingungen. Eindeutig ist zu erkennen, dass sich Unterschiede in den Anteilen P in [%] der Fa-sern bei den variierten Walzengeschwindigkeiten ergeben. Die Anteile P der Winkel-verteilung der Fasern, die bis 30° ausgewertet wurden, liegen zwischen 37% und 68


%. Für die Winkel 30° bis 60° bzw. 60° bis 90° wurden Faseranteile von 15% bis 40% bzw. 11% und 34% ermittelt.

Abbildung 5-58: Zusammenstellung der Offline gemessenen Faserorientierungen und der MD:CD-Werte

Die Abbildung 5-59 und Abbildung 5-60 zeigen eine Zusammenstellung der offline Untersuchungsergebnisse der Winkelverteilungen mittels des stereophotogrammetri-schen Verfahrens und die entsprechenden berechneten MD:CD-Werte bei einer Variation der Wirrwalzen- und der Abnehmergeschwindigkeit bei konstanten Arbei-tergeschwindigkeit von 80 m/min bzw. 110 m/min.Es wurde festgestellt, dass die tendenziellen Verläufe der Anteile P in [%] der Fa-sern, der mittels der offline stereophotogrammetrischen Methode ermittelt wurden, mit den MD-CD-Verläufen übereinstimmen. Eine Zunahme der Anteile P in [%] der Fasern, die bis 30° ermittelt wurden und auf einen längsorientierten Vliesstoff hinwei-sen, entspricht auch einer Steigerung der MD:CD-Werte. Demgegenüber ist eine Abnahme der Anteile P in [%] der Fasern, zwischen 60° und 90°, zu erkennen.


Abbildung 5-59: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei der Variation der Wirrwal-zen- und Abnehmergeschwindigkeit und bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 80 m/min

Abbildung 5-60: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei der Variation der Wirrwal-zen- und Abnehmergeschwindigkeit und bei einer Arbeitergeschwindigkeit von 110 m/min

Die Abbildung 5-61 zeigt eine Zusammenstellung der Untersuchungsergebnisse des stereophotogrammetrischen Verfahrens mit den entsprechenden berechneten MD:CD-Werten bei einer Variation der Arbeiterwalzen- und der Abnehmergeschwin-digkeit bei konstanter Wirrwalzengeschwindigkeit von 1400 m/min. Mit der Untersuchungen wurde bewiesen, dass bei konstanter Wirrwalzen- und Ab-nehmergeschwindigkeit eine Variation der Arbeitergeschwindigkeit keine signifikante Änderungen auf das MD-CD-Verhältnis bzw. die Faserorientierung im Vliesstoff be-wirk (siehe auch Abbildung 5-55 bis Abbildung 5-57). Diese Aussagen werden auch


durch die ermittelten Ergebnisse der stereophotogrammetrischen Messmethode bekräftigt.

Abbildung 5-61: Offline gemessene Faserorientierung im Vliesstoff bei der Variation der Arbeiter- und Abnehmergeschwindigkeit und bei einer Wirrwalzengeschwindigkeit von 1400 m/min

Ausgehend von den Untersuchungsergebnissen bezüglich der Walzengeschwindig-keitsvariationen wurden die Tendenzen der Diagrammverläufe von den textilphysika-lischen Werten der Höchstzugkräfte und der daraus berechneten MD:CD-Werte in den meisten Fällen bestätigt. Es konnte bewiesen werden, dass die Wirrwalzenge-schwindigkeit, kombiniert mit einer Abnehmerwalzengeschwindigkeit, einen Einfluss auf die Faserorientierung im Vliesstoff und damit auf das MD-CD-Verhältnis hat.

Ungeklärt bleibt, in welchen Umfang die Variation der Walzengeschwindigkeiten möglich ist, ohne die Vliesablage wesentlich negativ zu beeinflussen.

5.5.3. Modellierung des Anlagenverhaltens

Die Modellbildung erfolgt hier mit den gleichen Methoden, die für die Modellierung der in Kapitel 5.4.3 beschriebenen Versuche im STFI durchgeführt wurden. Die Ziel-größe ist das MD:CD-Verhältnis der Höchstzugkraft des hergestellten Vliesstoffs. Es werden wiederum nur Parameter der Vliesbildung in Betracht gezogen. Die Anlagen-parameter der Wasserstrahlverfestigung bleiben unverändert. Für die Beschreibung der Einflussgrößen wird ein Response-Surface-Modell mit linearen Ansatzfunktionen aufgebaut. Dadurch wird die Anzahl der Stufen pro Faktor auf zwei reduziert. Diese Reduktion ermöglicht die Untersuchung eines vierten Ein-


flussfaktors bei begrenzter Versuchsanzahl ohne die Überlagerung von Wechselwir-kungen. Zielgröße für das Modell ist das MD/CD-Verhältnis der Höchstzugkraft, das für die einzelnen Versuche textilphysikalisch ermittelt wurde.Es wurden die folgenden Faktoren mit den in der Tabelle dargestellten Stufen defi-niert.

Tabelle 5-7: Faktoren und Faktorstufen

Stufe -1 Stufe +1 Wirrwalze, oben [m/min] 900 1400Verhältnis: 1. Abnehmer, oben [m/min ] zuLiniengeschwindigkeit [m/min]

0,8 1,2

Arbeiter, Hauptwalze [m/min] 80,0 140Liniengeschwindigkeit [m/min] 20 70

Es wird ein vollfaktorieller Versuchsplan umgesetzt. Dies führt zu einer Gesamtan-zahl von 16 Faktorstufenkombinationen

1624npn j

mit: n, Versuchsanzahl p, Faktorstufen j, Faktoren

Um ein Modell mit quadratischen Ansatzfunktionen zu realisieren würde die Anzahl der erforderlichen Versuche auf 81 steigen

8134npn j

Die Nutzung eines teilfaktoriellen Versuchsplans wurde in Erwägung gezogen. Dies würde die Bestimmung der Koeffizienten für quadratische Ansatzfunktionen ermögli-chen. Dies setzt aber eine sichere Abschätzung der Größenordnung der vorhande-nen Faktorwechselwirkungen voraus. Da diese Information nicht zur Verfügung stand, wurde der konservative Ansatz unter Verwendung eines vollfaktoriellen Ver-suchsplans verfolgt. Die in der Abbildung dargestellten statistischen Größen beruhen auf der Auswertung von 10 Datensätzen pro Versuchskonfiguration. An diese Daten wurden die Parame-ter des Polynoms zur Beschreibung der Response-Surface angepasst.


Abbildung 5-62: MD/CD, Mittelwerte mit Grenzen des 95%-Vertrauensbereichs, Median, 25%-Quartille und 75%-Quartille

Die Güte des angepassten Modells kann durch den Vergleich der Versuchsergebnis-se mit den entsprechenden Werten der Zielgröße aus dem Modell erfolgen. Im Actu-al-by-Predicted-Diagramm werden die im Modell ermittelten Werte der Zielgröße (Abszisse) gegen die Eingangsdaten der Zielgröße (Ordinate) aufgetragen. Je höher das Bestimmtheitsmaß (R2) der Regression ist, desto dichter liegen die Punkte an der Diagonalen.

Die erste Bewertung des Modells erfolgt auch hier durch das Actual-by-Predicted-Diagramm. Das Bestimmtheitsmaß der Regression liegt bei 0,98. Der globale Mittel-wert (blau) schneidet die beiden Grenzkurven des 95%-Vertrauensbereichs. Die signifikanten Einflussfaktoren sind im Modell erfasst.


Abbildung 5-63: Actual-by-Predicted-Diagramm für das Regressionsmodell

Das Pareto-Diagramm bildet die approximierten Koeffizienten der Einflussfaktoren in der Reihenfolge ihrer Gewichte ab. Der Haupteinfluss, der Faktor mit dem betrags-mäßig größten Koeffizienten ist das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen 1. Abnehmer und Liniengeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit der Wirrwalze weist den nächst-niedrigeren Einfluss auf das Systemverhalten auf.Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Faktoren ist der dritte Faktor mit signifi-kantem Einfluss. Die weiteren Faktoren sowie Faktorwechselwirkungen sind deutlich schwächer gewichtet. Der große Einfluss der Wechselwirkung zwischen Abnehmergeschwindigkeit und Geschwindigkeit der Wirrwalze verdeutlicht die große Bedeutung, die der Untersu-chung von Wechselwirkungseffekten in komplexen Systemen zukommt. Bei der Anwendung von teilfaktoriellen Versuchsplänen können sich diese Effekte mit den Effekten von Einflussfaktoren vermischen und dadurch zu Fehlinterpretationen füh-ren.

Abbildung 5-64: Pareto-Diagramm der approximierten Koeffizienten


Abbildung 5-65: Einfluss der Faktoren auf die Zielgröße

Im Wechselwirkungsdiagramm wird die Kopplung der Wirwalzengeschwindigkeit mit der Abnehmergeschwindigkeit deutlich. Die Wechselwirkung zwischen Wirrwalzen-geschwindigkeit und der Liniengeschwindigkeit ist ebenfalls deutlich.Die weiteren Wechselwirkungseffekte können vernachlässigt werden.

Abbildung 5-66: Einfluss der Faktor-Wechselwirkungen auf die Zielgröße

Für die Darstellung des Anlagenkennfelds werden die beiden Faktoren mit dem nied-rigsten Einfluss auf die Zielgröße in der Mitte des Wertebereichs festgehalten:

Liniengeschwindigkeit = 45 m/min Arbeiter, Hauptwalze = 110 m/min


Die beiden Faktoren mit hoher Gewichtung werden im Wertebereich variiert. Der aus dem Regressionsmodell bestimmte Wert für das MD/CD-Verhältnis wird über dem Schnittpunkt der beiden Faktoren abgebildet.

Abbildung 5-67: Response-Surface: Einfluss von Wirrwalzengeschwindigkeit und Abneh-mer-Geschwindigkeitsverhältnis auf das MD/CD-Verhältnis der Höchstzug-kraft

Response-Surface-Modelle mit linearen Koeffizienten ohne Wechselwirkung zwi-schen den Faktoren bilden eine ebene Fläche. Die Orientierung der Fläche wird von den Koeffizienten der Einflussfaktoren bestimmt. Die Wechselwirkung zwischen zwei Einflussfaktoren führt zu einer kontinuierlichen Veränderung der Steigung. Dies führt zu einer Verdrillung der Fläche, die in Abbildung 5-67 deutlich erkennbar ist.

5.5.4. Analyse der Orientierungsverteilung

Ziel der Untersuchung war die Identifikation von Zusammenhängen zwischen der Orientierungsverteilung der Fasern und den resultierenden mechanischen Eigen-schaften des Vliesstoffs. Die Orientierungsverteilung wurde an zwei Stellen der Pro-duktionslinie erfasst:

nach der Vliesbildung, im unverfestigten Material im Endprodukt, nach der Verfestigung


Zur Ableitung der richtungsabhängigen Produkteigenschaften auf der Grundlage der Faserorientierung werden verschiedene Erwünschtheitsfunktionen für die Gewich-tung der Häufigkeitsklassen genutzt. Als Eingangsdatensatz wurde die relative Häufigkeit der der Fasern in einer Orientie-rungsklasse genutzt. Die Klassenbreite beträgt 1°. Die folgende Abbildung stellt ei-nen Eingangsdatensatz exemplarisch dar. Es sind deutliche Anhäufungen in den Klassen -90 , 0 und +90 zu erkennen. Die ist auf den Algorithmus der Bildanalysesoftware zurückzuführen. Ein ausgesuchtes Fasersegment wird innerhalb der Gesamtmatrix zunächst bis zum nächsten Punkt verfolgt, der immer in der 0 und +90 Lage anzutreffen ist. Hierdurch kommt es zu einer Überbetonung die bei längern Fasersegmenten abgebaut wird.

Abbildung 5-68: Häufigkeitsverteilung für Faserrichtungen im unverfestigten Vlies

Für die Berechnung des MD/CD-Verhältnisses werden die MD- und CD-Komponenten mit Gewichtungsfaktoren kombiniert. Die folgende Abbildung stellt eine Gewichtungsfunktion mit den bestimmenden Kennwerten vor.


Abbildung 5-69: Gewichtungsfunktionen für den MD-Anteil und den CD-Anteil einer Orien-tierungsklasse

Die Kennwerte der Funktionen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

MD-Komponente CD-Komponente Typ Min Typ Max Start(Transfer) 5° Start(Transfer) 0° Ende(Transfer) 90° Ende(Transfer) 85°

Für jede Gewichtungsfunktion kann ein MD/CD-Verhältnis der Orientierungsvertei-lung ermittelt werden. Die folgende Tabelle stellt die Kennwerte der Gewichtungs-funktion dem ermittelten MD/CD der Orientierungsverteilung gegenüber:

Tabelle 5-8: Parameter der Gewichtungsfunktion und resultierende MD/CD-Kennzahl im unverfestigten Vlies

GF MD-Komponente CD-Komponente MD/CDNr Typ Start(Transfer) Ende(Transfer) Typ Start(Transfer) Ende(Transfer) (optisch) 1 Min 90,0° - Max - 0° 0,944 2 Min 5,0° 5,1° Max 84,9° 85,0° 0,859 3 Min 10,0° 10,1° Max 79,9° 80,0° 0,867 4 Min 15,0° 15,1° Max 74,9° 75,0° 0,855 5 Min 5,0° 90,0° Max 0,0° 85,0° 0,907 6 Min 10,0° 90,0° Max 0,0° 80,0° 0,907 7 Min 15,0° 90,0° Max 0,0° 75,0° 0,908

Die textilphysikalische Prüfung für die entsprechenden Materialproben resultiert in einem MD/CD-Verhältnis von 3,03 im Endprodukt. Es ist kein signifikanter Zusam-menhang zwischen optischer Erfassung und den mechanischen Prüfergebnissen erkennbar.Die große Differenz zwischen optischer und mechanischer Prüfung verdeutlicht den Bedarf nach zusätzlichen Filterkomponenten zur Bewertung der Orientierungsvertei-lung mit dem Ziel, textilphysikalische Größen direkt aus der Orientierungsverteilung ablese zu können.


Abbildung 5-70: Häufigkeitsverteilung für Faserrichtungen im verfestigten Vlies

Der oben beschrieben Analyseansatz wurde analog für die verfestigten Vliese ange-wandt. Abbildung 5-70 zeigt die Orientierungsverteilung für das Endprodukt. Hier ist eine höhere Verteilung in MD-Richtung erkennbar. Aufgrund der Datenerfas-sung tritt bei allen Messungen eine starke Gewichtung der Orientierungsklassen bei 0, 45, und 90 Grad auf. Aufgrund der Symmetrie des Phänomens ist der Effekt auf das MD/CD-Ergebnis gering. In Testrechnungen wurden die Häufigkeitsergebnisse dieser Klassen durch den Mittelwert benachbarter Klassen ersetzt. Die Berechnung auf der Basis dieser korrigierten Werte führt zu identischen Ergebnissen und wurde daher nicht weiter verfolgt.

GF MD-Komponente CD-Komponente MD/CDNr Typ Start(Transfer) Ende(Transfer) Typ Start(Transfer) Ende(Transfer) (optisch) 1 Min 90,0° - Max - 0° 1,205 2 Min 5,0° 5,1° Max 84,9° 85,0° 1,793 3 Min 10,0° 10,1° Max 79,9° 80,0° 1,849 4 Min 15,0° 15,1° Max 74,9° 75,0° 1,786 5 Min 5,0° 90,0° Max 0,0° 85,0° 1,366 6 Min 10,0° 90,0° Max 0,0° 80,0° 1,361 7 Min 15,0° 90,0° Max 0,0° 75,0° 1,358

Die Gewichtungsfunktionen (Variante 2 bis 7) führen insgesamt zu besseren Ergeb-nissen als der ungewichtete Ansatz (Variante 1). Die Gewichtung mit Sprungfunktio-


nen (Variante 2-4) bilden die Zielgröße exakter ab als Funktionen mit rampenförmi-gem Verlauf (Variante 5-7). Für die Gewichtungsfunktionen 1 bis 4 werden die mechanischen Kennwerte den optisch ermittelten Werten gegenübergestellt.

Abbildung 5-71: Vergleich der mechanischen und optischen Prüfmethode, Gewich-tungsfunktion 1

Abbildung 5-72: Vergleich der mechanischen und optischen Prüfmethode, Gewichtungsfunktion 2



Die Korrelation zwischen den beiden Messverfahren kann durch eine zusätzliche Datengewichtung verbessert werden. Hierfür wird ein künstliches Neuronales Netz (KNN) implementiert. Das KNN wird als Feed-Forward-Back-Propagation- Sys-tem trainiert. Auf der Eingangsseite werden die mit der Gewichtungsfunktion GF2 verarbeiteten Daten aufgenommen. Die Ergebnisse der Ausgangsseite werden mit den Ergebnissen der mechanischen Prüfung des MD/CD-Verhältnis für die Höchst-zugkraft verglichen. In der Verarbeitungsebene sind drei Knoten modelliert.


Abbildung 5-75: KNN zur Verarbeitung der Orientierungsdaten

Das Training erfolgt mit optischen und mechanischen Kenndaten aus 20 verschiede-nen Anlagenkonfigurationen. Die Abbildung 5-76 und Abbildung 5-77 verdeutlichen die verbesserte Anpassung an die Zielgröße durch das KNN.Zur Überprüfung des Modells werden 20 Datensätze durch das KNN verarbeitet. Diese Datensätze waren nicht Teil der Trainingsdaten.

Abbildung 5-76: Bewertung der Modellgüte, ohne KNN

Abbildung 5-77: Bewertung der Modellgüte, mit KNN

Abbildung 5-78: Bewertung der Modellgüte, ohne KNN, Residuen

Abbildung 5-79: Bewertung der Modellgüte, mit KNN, Residuen

Durch das künstliche Neuronale netz kann der Fehlerbetrag zwischen den optisch ermittelten Eingangsdaten und den mechanisch geprüften verringert werden.


5.6. Technikumsuntersuchungen Trützschler

Die Übertragung der Bildanalyse auf den Technikumsmaßstab bei einer vorhande-nen Bildaufnahmetechnik wurde bei der Firma Trützschler, Mönchengladbach umge-setzt. In diesem Technikum wurden Reihenuntersuchungen an einer Hoch-leistungskarde durchgeführt. Hierbei wurde das Bandgewicht und die Lieferge-schwindigkeiten der Karde variiert.

Die für die Orientierungsmessung notwendigen Abbildungen des Kardenflors wurden von dem vorhandenen Bildaufnahmesystem Nepcontrol vorgenommen.

Mit dem Nissensensor NEPCONTROL TC-NCT bietet die Fa. Trützschler eine Alter-native zu aufwendigen Laboruntersuchungen. Das TC-NCT überwacht das Karden-vlies während der Produktion. Personalintensive Untersuchungen im Labor sollen dabei entfallen. Die folgenden Punkte werden von der Fa. Trützschler als Argumente für den Einsatz des Nepcontrol genannt:

Permanente Überwachung der Nissenzahl statt Stichproben im Labor Optisches Meßprinzip Aussagekräftige Daten Datenübermittlung an das übergeordnete System Flexibel einsetzbar für Hochleistungskarden

Abbildung 5-80: System Nepcontrol in der Karde (Quelle: Trützschler)

Die bildanalytische Auswertung der gewonnenen Aufnahmen erfolgte offline im Fa-serinstitut mit dem entwickelten Bildanalyseprogramm. Für die Berechnung des theo-retischen MD:CD Verhältnisses in den Floren wurden die Filterung angepasst.

In der fotographischen Abbildung 5-81 bis Abbildung 5-82, die bei den unterschiedli-chen Kardeneinstellungen gemacht wurden, kann vom Betrachter eine deutlich stär-kere Orientierung des Faserflors bei höherer Banddichte festgestellt werden. Dieser optische Eindruck wird auch durch die ermittelten Messergebnisse bestätigt. Die Messstreuungen nehmen mit zunehmender Liefergeschwindigkeit ab.


Abbildung 5-81: Flor mit geringer Dichte (4 ktex) und hoher Dichte (10 ktex) bei gleicher Liefergeschwindigkeit von 40 m/min

Abbildung 5-82: Flor mit geringer Dichte (4 ktex)und hoher Dichte (7 ktex) bei gleicher Liefergeschwindigkeit von 200 m/min


5.6.1. Ergebnisse

In Abbildung 5-83 ist exemplarisch der zeitliche Verlauf einer einzelnen Messreihe mit einem Bandgewicht von 100 ktex und einer Liefergeschwindigkeit von 100 m/min dargestellt. Insgesamt wurden für diese Messreihe 100 Einzelbilder in Folge ausge-wertet. Zu beobachten ist, dass innerhalb der ersten 20 Messungen ein Anstieg des MD:CD Verhältnisses zu verzeichnen ist. Hier handelt es sich um ein Einlaufverhal-ten, da die eingestellten Änderungen an der Karde sich noch nicht stabilisiert haben. Zwischen dem Messpunkt 20 und 40 sind nochmals starke Änderungen des MD:CD Verhältnisses zu beobachten bevor der Versuch kontinuierlich läuft. Das MD:CD Verhältnis beträgt im Mittel 5,24, die Standardabweichung 0,5.

Versuch 5-100

0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Nummer der Einzelmessungen

MD

:CD

aus

Fas

eror

ient

ieru

ng

Abbildung 5-83: Zeitlicher Verlauf des MD:CD innerhalb einer Versuchsreihe

Die in den Versuchsreihen ermittelten MD:CD Verhältnisse im Kardenflor liegen zwischen 1,8 und 9,5. Wie in den vorhergehenden Abbildungen bereits zu erkennen war, erfolgt eine starke Orientierung im Kardenflor.Mit zunehmender Liefergeschwindigkeit nimmt das MD:CD Verhältnis ab. Die Ab-hängigkeit des MD:CD Verhältnisses von Änderungen des Bandgewichtes zeigt hingegen keinen eindeutigen Trend. Bei niedriger Abliefergeschwindigkeit von 40 m/min nimmt das MD:CD Verhältnis mit dem Bandgewicht zu. Anders verhält sich die Änderung der Faserorientierung bei hohen Abliefergeschwindigkeiten vor. Die Orien-tierung nimmt mit zunehmendem Bandgewicht ab, bleibt auf ähnlich hohem Niveau.

Mit dem Onlinesystem ist es möglich, die Orientierung in einem Kardenflor abzu-schätzen. Da das Kardenflor keinerlei mechanische Querfestigkeiten aufweist, ist eine mechanische Bestimmung des MD:CD Verhältnisses nicht möglich. Die zur


Verfügung stehende Lindslay-Methode zur Bandstrukturuntersuchung ist sehr auf-wändig und fehlerbehaftet.

0

2

4

6

8

10

12

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Bandgewicht [kTex]

Fase

rflo

rorie

ntie

rung

MD

:CD

40 m/min100 m/min200 m/min

Abbildung 5-84: Abhängigkeit der Faserorientierung im Kardenflor von Bandgewicht und Abliefergeschwindigkeit

5.7. Produktionsbegleitende Untersuchungen NAFGO

Der in Labor und Technikum erprobte Messaufbau wurde in einem laufenden Indust-rieprozess integriert und Messungen durchgeführt. Umgesetzt wurde dieser Schritt bei der Firma NAFGO, die Bastfasern mit einem Krempelprozess verarbeiten.

Die Firma NAFGO GmbH betreibt in Dötlingen-Neerstedt eine Faseraufschlussanla-ge, in der aus dem mechanischen Aufschluss von Stroh (z. B. Faserhanf, Flachs, Nessel) Fasern und Schäben gewonnen werden. In einer weiteren vorhandenen Anlage können die Fasern zu Vliesen weiterverarbeitet werden. Die Firma NAFGO ist Erstverarbeiter für Hanf und produziert die Fasern aus Pflanzen, die in der Region angebaut werden. Die mögliche Verarbeitungskapazität liegt bei 1000 ha Anbauflä-che. Über Einzelballenverfolgung wird die Faserqualität von der Ernte bis zum End-


produkt überwacht und gesteuert. So wird dort sichergestellt, dass geeignete Fasern in den weiterführenden Produkten, wie den Nadelfilzen, zum Einsatz kommen.

Die Fasern werden über einen Vorauflöser einer Spinnbau-Krempel zugeführt, kar-diert, gelegt und mit einer Vor- und Finish-Nadelmaschine zu den jeweils gewünsch-ten Vliesen verarbeitet. Mittels Quer- und Längsschneidevorrichtung werden die Vliese gemäß den Kundenanforderungen konfektioniert. Die fertigen Vliesrollen/ Matten werden gewogen, stichprobenartig auf Feuchtigkeit sowie Längs- Querfestig-keit und Dehnung untersucht, beschriftet und verpackt. Die Verarbeitungskapazität einschichtig liegt bei 500.000 kg im Jahr.

Die im Prozess durchgeführten Untersuchungen wurden an 4 verschiedenen Orten innerhalb der Verarbeitungslinie durchgeführt. Entscheidend für die Untersuchungen war der direkt Zugang für das bildgebende Kamerasystem. Die Beleuchtungstechnik mittels Ringleuchte hatte sich in den vorrausgegangenen Untersuchungen bewährt und wurde somit übernommen. Die Kamera wurde an einem Standardstativ ange-baut und jeweils seitlich in die Produktionsbahn eingeschwenkt. Eine vollständige Abdeckung der Bahnbreite, oder gar eine Traversierung war nicht realisierbar. Der Zugang war eingeschränkt und bezog sich lediglich auf gut zugängliche Bereiche zwischen den einzelnen Prozessschritten. Die Beleuchtung und die Aufnahmen wa-ren unproblematisch, wie die Abbildungen zeigen.

An den folgenden Stellen wurden Untersuchungen durchgeführt.

1. Direkt nach der Krempel 2. Nach dem Kreuzleger 3. Nach Vorvernadelung 4. Nach Finishvernadelung / Endprodukt

Die einzelnen Messpunkte sind in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt.

Abbildung 5-85: Mobiler Aufbau der Versuchssteuerung und Datenerfassung


Abbildung 5-86: Kamera über dem Transportband nach der Karde

Abbildung 5-87: Kamera hinter dem Kreuzleger

Abbildung 5-88: Kamera hinter der Vorvernadelung


Abbildung 5-89: Kamera nach der Endvernadelung Das Vlies läuft aus einem Spannrahmen senkrecht nach unten in den Zuschnitt

Die Kameraauflösung wurde nicht geändert, da das verwendete Rohmaterial aus einem Stoffgemisch aus feineren Flachs- und gröberen Hanffasern bestand.

Die Ausleuchtung, die Bildschärfe und die Tiefenschärfe waren für die vorliegenden Prozessbedingungen angemessen. Die vorhandenen, erheblichen Vibrationen und Relativbewegungen des Bildobjekts in der Z-Richtung wurden von dem Prüfsystem mit seiner vorhandenen Tiefenschärfe gut kompensiert. Es wurden keine weiteren Störeinflüsse erkannt. Auf den Verarbeitungsprozess wurde nicht eingewirkt.

5.7.1. Ergebnisse

In der begleiteten Produktion wurde ein Gemisch aus Flachs und Hanffasern in ei-nem Verhältnis von 50/50 verarbeitet. Der mittlere Winkel nach der Krempel sollte erwartungsgemäß 0 Grad betragen. Die gemessenen 8 Grad stellen somit eine Ab-weichung dar. Mögliche Einflüsse könnten hier die speziellen Maschinenparameter der Krempel sein, Fehler bei der Kamerapositionierung oder Randeffekte, da auf-grund der gegebenen Kameraposition nicht im Zentrum des Faserflors gemessen werden konnte. Im Faserflor wurde ein MD:CD-Verhältnis von 1,75 aus der ermittel-ten Faserorientierung bestimmt.

Die kreuzgelegten Vliese wurden zweistufig mechanisch verfestigt. Die Vernadelung erfolgt mit 37 Stichen pro cm². Bei diesem Prozess werden die Vliese sowohl in der Länge als auch in der Breite verzogen.

Durch das Kreuzlegen des Flors stellt sich ein mittlerer Faserwinkel von 63 Grad ein, der sich durch die weiteren Prozessschritte noch leicht erhöht. Dies wird durch eine Streckung des Materials hervorgerufen. Die Streckung in Querrichtung ist dabei größer als die in Längsrichtung. Die Homogenität nimmt zu (siehe Standardabwei-chung). Das Endprodukt ist annähernd isotrop (MD:CD = 0,93).


Die Randbedingungen der Prüfung gingen mit einer großen Schmutz- und Staubbe-lastung einher. Für den realen Einsatz müssen die Komponenten entsprechend ge-gen Staubeinwirkung geschützt werden. Ein nicht geklärtes Problem ist die Stauban-lagerung auf der Kameraoptik. Hier sind Kontrollmechanismen vorzusehen, die eine rechtzeitige manuelle oder automatisierte Reinigung der Optik vorsehen. Wartungsin-terwalle oder Checkroutinen sind einzuführen, die einen zuverlässigen Einsatz des Prüfsystems über die gesamte Einsatzdauer gewährleisten.

Die Verfolgung der Faserkanten ist aufgrund der quasi nicht vorhandenen Kräuse-lung der Bastfasern einfacher als bei den zuvor untersuchten Chemiefasern. Eben-falls spielen Kreuzungspunkte eine untergeordnete Rolle, da die Fasersegmente größere Strecken ohne Überkreuzung überwinden.

Die Kompaktierung der Fasern ist in der Abbildung 5-90 zu erkennen. In der Auf-nahme nach der Krempel können Fasern in einer größeren Tiefe erkannt werden. Das entwickelte BA-System ist dennoch in der Lage, diese Fasern aufgrund der gegebenen Grauwerte zu erkennen und auszuwerten. Bei den vernadelten Mustern ist eine recht geschlossenen Oberfläche zu erkennen. Fasern im Inneren des Vlieses sind nicht mehr detektierbar. In der Annahme, dass in dem Kreuzleger keine Umori-entierungen stattfinden, kann die Aussage getroffen werden, dass die an der Ober-fläche sich einstellende Orientierung auch in der Tiefe des Halbzeuges anzutreffen ist.

Die Ergebnisse decken sich mit den Offline-Untersuchungen. Die mit dem Online-System ermittelten mittleren Winkel und die berechneten MD:CD Verhältnisse ent-sprechen den Erwartungen des Herstellers.


Abbildung 5-90: Faserflor nach der Krempel (links) und Vlies nach der Verfestigung (rechts)

Tabelle 5-9: Ergebnisse für Faserwinkel und MD:CD in den verschiedenen Pro-zessstufen

MittlererFaserWinkel

Standard-abweichung

WinkelMittleresMD:CD

Standard-abweichung

MD:CDNach Krempel + 8,34 6,41 1,75 0,22

Nach Kreuzleger+/- 63,19 17,71 0,94 0,17

Nach Vornadelmaschi-ne

+/- 64,56 16,05 0,94 0,13

Nach Finishnadelma-schine

+/- 68,94 12,77 0,93 0,10

8° (MD:CD=1,75) Krempel

63° (MD:CD=0,94) Kreuzleger

65° (MD:CD=0,94) 1. Vernadelung

69° (MD:CD=0,93) 2. Vernadelung

CD

MD

Abbildung 5-91: Mittlere Faserwinkel im Produkt während des Prozesses


5.8. Zusammenfassung

FIBRE-Laborkrempel:Das letzte Aggregat in der Vliesherstellung, in diesem Fall die 2. Stauchwalze, nimmt wesentlichen Einfluss auf die Faserorientierung im Produkt.Bei vorgegebener Krempelgarnitur wird die Orientierung von den mechanischen Eigenschaften der Fasern beeinflusst. In der Umkehrung wird ein möglicher Ver-schleiß and der Garnitur über der Produktionszeit zu einer Veränderung der Orientie-rung im Vliesprodukt führen. Somit wäre mit der Onlinemesstechnik eine Möglichkeit gegeben den, Zustand der Krempel (Garnitur) im Prozess zu überwachen.

STFI-Krempel:Das Kreuzlegen von Faserfloren führt zu einer mehrfachen Umorientierung im späte-ren Vlies. Nicht nur die Hauptorientierung des Flors wird geändert, sondern Ober- und Unterseite des Flors werden wechselseitig aufeinandergeschichtet. Zudem füh-ren Verstreckungen und im Wesentlichen die Verfestigung zu einer mehrdimensiona-len Veränderung der Orientierung im Vlies. Daher ist es in diesem speziellen Fall problematisch, auf die Einstellparameter der Krempel Rückschlüsse zu ziehen, da alle Teilprozesse auf die Orientierung Einfluss nehmen.

Fleissner-Krempel:Wie sich in den Laboruntersuchungen bereits abzeichnete, ist auch auf der Großan-lage die letzte Komponente wesentlich verantwortlich für die Faserorientierung. Der Einfluss der Abnehmerwalze konnte in den Online- und Offlineuntersuchungen bestä-tigt werden. Der in seiner Auswirkung nachgeordnete Einfluss der Wirrwalze konnte von dem Online-System nicht deutlich gemessen werden. Dies ist mit der insgesamt geringen Variation der gemessene MD:CD Kennwerte zu begründen. Inwieweit die variierte Prozessgröße der Arbeitergeschwindigkeit auf andere Produkteigenschaften wie die der Faserorientierung einwirkt, wurde nicht untersucht. Bei den Fleissner Versuchen wurden die Flore nicht kreuzgelegt, sondern wurden direkt wasserstahl-verfestigt. Auch durch diesen Prozess kommt es zu einer Veränderung der Orientie-rungen. Die MD:CD-Verhältnisse in den verfestigten Vliesen sind immer höher als die Online gemessenen Werte des Flors nach der Krempel. Hier gehen natürlich auch die an der Anlage eingestellten Verzüge mit ein.

Trützschler-Karde:Gegenüber den untersuchten Krempeln, in denen nur geringe Variationen des MD:CD Verhältnisses gemessen werden konnten, sind in der Karde sehr große Än-derungen der Orientierung im Kardenflor nachweisbar. Die ausgewerteten Bilder sind online während des Produktionsprozesses entstanden, so dass für diesen Anwen-dungsfall eine schnelle technische Umsetzung erfolgen kann.

Nafgo-Krempel:Der Einsatz der Bildanalyse in der Produktion hat sich bewährt. Hier sind für die o.g. Verschleißmerkmale Ansätze für die produktionsbegleitende Kontrolle der Fertigung gegeben.


6. Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass die Ermittlung der Orientierungsverteilung an Vliesen im laufenden Produktionsprozess sehr gut zu realisieren ist. Bei der Vliesproduktion in größeren Anlagen, wo der Flor aus mehreren Lagen aufgebaut ist, muss für jede zugeführte Lage ein separates Messsystem vorgesehen werden. Bei dem in der Krempel zur Verfügung stehenden geringen Platzangebot ist eine Miniaturisierung des Kamerasystems vorzunehmen.

Eine weitere Forderung besteht nach einem changierenden System oder mehreren Messeinrichtungen über der Produktionsbreite, um eventuell auftretenden Eigen-schaftsänderungen quer zu Produktionsrichtung ebenfalls zuverlässig messen zu können.

In der Vliesproduktion führen weitere Verfahrensschritte wie z.B. das Kreuzlegen, unterschiedliche Verfestigungsverfahren und Verzüge, jedoch zu einer permanenten Änderung der Produkteigenschaften gegenüber dem in der Karde erstellten Faser-flor. Sinnvoller erscheint daher eine zusätzliche, zuverlässige Online-Endkontrolle, um hiermit den gesamten Prozess einer Qualitätsüberwachung zu unterwerfen.

In weiteren Reihenuntersuchungen wäre zu klären, inwiefern die an der Oberfläche des Endproduktes gemessene Faserorientierung Rückschlüsse auf das mechanische Verhalten, insbesondere hinsichtlich des MD:CD Verhältnisses des verfestigten Vliesstoffes zulassen.

Hierzu könnte die Weiterentwicklung des Onlinesystems in Form eines einfachen und mobilen Systems bis zur Marktreife führen. Dieses könnte dann einerseits produkti-onsbegleitend als Qualitätsüberwachungssystem eingesetzt werden, andererseits sind hier mobile Einsätze als Einrichtungs- und Entwicklungswerkzeug denkbar, die zur Einrichtung von Anlagen oder zur Überwachung von Produktionen bei Vorlage unbekannter oder neuer Faserchargen dienen können. Dies dient auch der mögli-chen Erweiterung und Optimierung des Anlagenspektrums.

Das MD:CD Verhältnis muss nun nicht mehr in aufwändigen Laboruntersuchungen offline, also wesentlich zeitversetzt zur Produktion ermittelt werden. Zusätzlich kön-nen Informationen zum MD:CD Verhältnis unverfestigter Faserflore gewonnen wer-den, die nicht mit Zugversuchen untersucht werden können, oder mit den aufwändi-gen Lindslay-Test ermittelt werden müssen.


7. Zusammenfassung

Innerhalb des Forschungsvorhabens wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem über bildanalytische Methoden die Faserorientierung im Vliesherstellungsprozess online bestimmt werden kann. Mit Hilfe einer weiteren Entwicklung kann aus der ermittelten Orientierungsverteilung das MD:CD Verhältnis für Vliese berechnet werden. Die Korrelation mit den mechanisch gemessenen MD:CD Verhältnissen konnte in Fall-beispielen belegt werden. In einer Vielzahl von Untersuchungen in Labor, Technikum und Produktion wurde das Onlinemesssystem unter den unterschiedlichsten Rah-menbedingungen getestet.

Die Verifikation des Online-Verfahrens erfolgte durch Vergleichsmessungen mit der am STFI entwickelten Stereophotogrammetrie und dem FIBRESHAPE Labormess-system der Fa. IST, CH an speziell für die Messungen präparierten Vlieswerkstoffen. Die aus der Orientierung abgeleiteten MD:CD Verhältnisse wurden mit denen aus mechanischen Untersuchungen verglichen. Es konnten auf diesem Wege gute Über-einstimmungen der Kennwerte ermittelt werden, so dass mit dem entwickelten Ver-fahren ein Instrument zur Verfügung steht, mit dem schnell und zuverlässig die Ori-entierung im Faservlies bestimmt werden kann.

Mit den gemessenen Orientierungsverteilungen ließen sich Zusammenhänge zwi-schen einigen ausgewählten Anlagenkonfigurationen, den Einstellparametern und den resultierenden MD:CD-Verhältnissen ableiten. Hierzu wurden statistische Model-le generiert, die eine Produkteigenschaft, in diesem Fall das MD:CD-Verhältnis für die Höchstzugkraft der hergestellten Vliesstoffe als Funktion der ausgewählten Anla-genparameter beschreiben. Zur Visualisierung wurden Response-Surface-Modelle mit linearen oder quadratischen Ansatzfunktionen aufgebaut, mit denen die Betriebs-punkte verdeutlicht werden konnten.

7.1. Technisch wissenschaftliche Bewertung

Der Einsatz der Online-Orientierungsmessung soll einer besseren Prozesskontrolle dienen. So können frühzeitig Abweichungen von den vorgegebenen Eigenschaften erkannt werden. Damit ist es möglich, entsprechende Steuer- und Regelprozesse zu aktivieren.

Mit Hilfe des Systems können somit auf schnellem Wege Orientierungsverteilungen und MD:CD Verhältnisse von Floren und Halbprodukten ermittelt werden. Dies ist auch für Materialien möglich, die durch fehlende Bindungen nicht mechanisch unter-sucht werden können, und damit aufwändige, manuelle Laboruntersuchungen wie z.B. der Lindslay-Test vermieden werden können.


Bisher wurden optische Prüfmethoden für die Oberflächenkontrolle und zur Ermitt-lung von Fehlern und Inhomogenitäten entwickelt. Allen bekannten Verfahren gemein ist deren relativ niedrige graphische Auflösung, die nicht geeignet ist, die Orientie-rung einzelner Fasern im Vliesherstellungsprozess zu erkennen. Das hier vorgestell-te Verfahren stellt somit eine sinnvolle Ergänzung zu den bisherigen Online-Inspektionssystemen dar.

Neben der Möglichkeit einer ständigen Onlinekontrolle im Prozess kann das System im mobilen Einsatz grundsätzlich bei der Auffindung optimaler Prozessparameter dienlich sein. Dies gilt zum einen bei Inbetriebnahmen und Abnahmen einer Vlies-stoffproduktion. Zum andern kann eine schnelle und optimale Einrichtung von Pro-duktionsanlagen vorgenommen werden. Auch bei Chargenwechseln oder bei der Nutzung neuer Rohstoffe, deren Verarbeitungsverhalten nicht bekannt ist, ist der Einsatz des vorgestellten Prüfsystems sinnvoll.

Technologische Vorteile durch die Online-Prüfung der Faserorientierung sind weiter-hin:

Verbesserung der Kenntnis der Zusammenhänge zwischen dem Herstel-lungsprozess und der Faserorientierung

Optimierung der Produkteigenschaften durch direkte Analysierbarkeit des Ein-flusses von Änderungen im Prozess

7.2. Wirtschaftliche Bedeutung

Die Vliesstoffherstellung ist der Bereich der Textilindustrie und des Textilmaschinen-baus, in dem in den letzten Jahren dauerhaft Umsatzsteigerungen möglich waren und in dem auch weiterhin ein großes Marktpotenzial gegeben ist. Die Jahresproduk-tion an Vliesstoffen beträgt in Europa mittlerweile 1.494.300 Tonnen. Deutschland nimmt hier eine führende Position mit 376.280 Tonnen ein (EDANA2007).

Wirtschaftliche Vorteile durch die Online-Prüfung der Faserorientierung sind: Minimierung von Ausschuss durch sofortige Detektion von Qualitätsfehlern Erreichung einer gesichert gleichbleibenden Produktqualität Möglichkeit zur verbesserten Regelung der Produktion anhand der erreichten

Faserorientierungswerte Maximierung der Prozessgeschwindigkeiten bei sichergestellter Erreichung

der erforderlichen Faserorientierung

Dem deutschen Textilmaschinenbau und der Messgeräteindustrie helfen die Ergeb-nisse, den technischen Vorsprung der entwickelten Anlagen gegenüber der Konkur-renz sicherzustellen bzw. auszubauen.


8. Danksagung

Wir danken der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens AiF-Nr. 14418 BG, das im Pro-gramm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ aus Haus-haltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) erfolgte.

Darüber hinaus danken wir den Firmen Fleissner, Eberbach; Spinnbau, Bremen; Trützschler, Mönchengladbach; Erko-Trützschler, Dülmen; NAFGO, Huntlosen und IST, Vilters (CH) für ihre Unterstützung.


9. Literaturverzeichnis

[Ada1998]Adanur, S. / Liao, T. 1998 Computer simulation of mechanical properties of nonwoven geotextiles in soil-fabric interaction Text Res J 68 (3): S. 155-162 Mar 1998

[Alb2000]Albrecht,W.; Fuchs,H.; Kittelmann,W. [Hrsg.] 2000 Vliesstoffe - Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2000

[And1995]Andreassen, E. / Hinrichsen, E.L. / Grostad, K. / Myhre, O.J. / Braathen, M.D. 1995 Effects of the distributions of polypropylene fibre properties on the tensile response of the fibre assemblies. Einflüsse der Verteilung der Polypropylen-Fasereigenschaften auf die Zugreaktion der Fasersysteme Polymer, Band 36 (1995) Heft 6, Seite 1189-1198

[ATK1989] Atkinson, K.E.,An Introduction to Numerical Analysis, John Wiley & Sons, Inc., 1989

[Bai1995]Bais-Singh-S; Goswami-B-C 1995 Theoretical Determination of the Mechanical Response of Spun-bonded Nonwovens Journal of the Textile Institute 86 (1995), Heft 2, S. 271-288

[Bar1998]Barella-A; Manich-A-M 1998 Comments on Fiber Orientation in Nonwovens Textile Research Journal 68 (1998), Heft 3, S. 228-229

[Bis1995]Bishop, C.M. Neural Networks for Pattern Recognition, Oxford University Press, 1995

[Brä1995]Bräunl / Feyrer / Rapf / Reinhardt 1995Parallele Bildverarbeitung Addison-Wesley, Bonn, 1995

[Bre2001]Bresee, RR. 2001 Unterstanding the melt blowing process Joint INDA-TAPPI Conf. INTC 2001, International Nonwovens Tech. Conf., Proceedings (CD-ROM), Baltimore, USA, 5.-7. Sept. 2001, 11 Seiten

[Che2001]Chen-H-J; Huang-D-K. 2001 On-line measurement of nonwoven weight evenness using optical methods Joint INDA-TAPPI Conf. INTC 2001, International Nonwovens Tech. Conf., Proceedings (CD-ROM), Baltimore, USA, 5.-7. Sept. 2001, 6 Seiten

[Dab1998]Daberkow, D / Mavris D. 1998 New Approaches to Conceptual and Preliminary Aircraft Design: A Comparative Assessment of a Neural Network Formulation and a Response Surface Methodology 1998 World Aviation Conference, Proceedings Annaheim, USA, 28.-30. Sept. 1998

[Dab2002]Daberkow, D / Mavris D. 2002 An Investigation of Metamodelling Techniques for Complex System Design AIAA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, Proceedings


Atlanta, USA, 4.-6. Sept. 2002 [Der1980]Derringer, G., Suich, R. "Simultaneous Optimization of Several Response Variables,"Journal of Quality Technology, 1980, Vol. 12, 4, pp. 214-219.

[Dem1998]Demant / Streicher-Abel / Waszkewitz 1998 Industrielle Bildverarbeitung Springer, Berlin 1998

[FIB 1997] Faserinstitut Bremen 1997 Entwicklung eines Verfahrens zur Kurzfasermessung bei Baumwollen unter Berücksichtigung einer vereinheitlich-ten Faserlängenmeßtechnik Bremen: Faserinstitut Bremen -FIBRE- Abschlußbericht AIF/FK Gesamttextil Nr. AIF 10196 (Projektbearbeitung: Müssig, J. / Rettig, D.)

[FIB2000] Faserinstitut Bremen 2000 Prüfung der Online-Messtechnik auf deren Eignung zur Faserrohstoffbewertung im Verarbeitungsprozeß Bremen: Faserinstitut Bremen -FIBRE- Abschlußbericht AIF/FK Gesamttextil Nr. AIF 11676N (Projektbearbeitung: Drieling, A.)

[Fisch1999] Fischer, H. / Rettig, D. / Harig, H. 1999 Bildverarbeitung zur Messung der Längenverteilung von Reißfasern Melliand Textilberichte, 5 / 1999, S. 358 - 360

[Gha2002]Ghassemieh, E. / Acar, M. / Versteeg, H. 2002 Microstrucural analysis of non-woven fabrics using scanning electron microscopy and image processing. Part 1: development and verification of the methods. P I Mech Eng L-J Mat 216 (L3): S. 199-207 2002

[Gon1996]Gong, R.H. / Newton, A. 1996 Image-analysis techniques. Part II: The measurement of fibre orientation in nonwoven fabrics. Bildanalyse- Techniken. Teil II: Messung der Faserorientierung in Vliesstoffen Journal of the Textile Institute, Band 87 (1996) Heft 2 Part 1, Seite 371-388

[Hab1989]Haberäcker, Peter 1988 Digitale Bildverarbeitung Carl Hanser Verlag 1988

[Hof2003]Prof.Dr.-Ing. Fuchs,H. Dr. Böttcher, P.; Dr. Schmalz, E. STFI-Innovationszentrum für Vliesstoffe und Technische Textilien – ein Leinstungsprofil,18. Hofer Vliesstofftage am 5. und 6. November 2003

[Hua1993a]Huang, X. / Bresee, R. R. 1993a Characterizing Nonwoven Web Structure Using Image Analysis Techniques – Part I: Pore Analysis in Thin Webs J. Nonwovens Res 5, (1) 1993 (INDA JNR – Vol. 5, No. 1), S. 13 - 21

[Hua1993b]Huang, X. / Bresee, R. R. 1993b Characterizing Nonwoven Web Structure Using Image Analysis Techniques – Part II: Fiber Orientation Analysis in Thin Webs J. Nonwovens Res., 5, (2), 1993 (INDA JNR – Vol. 5, No. 2), S. 14 - 21

[Hua1993c]Huang, X. / Bresee, R. R. 1993c Characterizing Nonwoven Web Structure Using Image Analysis Techniques – Part III: Web Uniformity Analysis J. Nonwovens Res. 5, (3), 1993 (INDA JNR – Vol. 5, No. 3), S. 28 - 38


[Hua1994]Huang, X. / Bresee, R. R. 1994 Characterizing Nonwoven Web Structure Using Image Analysis Techniques – Part IV: Fiber Diameter Analysis For Spunbonded Webs Int. Nonwovens J., 6, (4), 1994 (INJ JNR – Vol. 6, No. 4), S. 53 - 59

[IPK1999]AiF 10904 BNeue Bildverarbeitungstechnologien für die automatisierte optische Kontrolle strukturierter Oberflächen in der Produktion. Ilmenau: 1999 . Forschungsprojekt, Forschungskuratorium Maschinenbau e. V., Nr. AIF 10904 B (Forschungstellen: Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Informatik und Automatisierung, Fachgebiet Graphische Datenverarbeitung / Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Bereich Prozesstechnik, Abteilung Mustererkennung)

[ISRA2003]ISRA Vision Systems AG, Darmstadt 2003 ISRA Vision News - Vierteljährliches Kundenmagazin der ISRA Vision Systems Ausgabe 2/2003

[IST2001] IST 2001: Matshape - Image scanning for materials characterization (August 2001)Internetseite der Firma IST Innovative Sintering Technologies http://www.istscan.de/products/mshape/mshape.html

[ITWM2003] Fraunhofer Institut Techno- und Wirtschaftsmathematik 2003 Mikrostruktursimulation - computergestützte Werkstoffentwicklung Flyer des ITWM, Kaiserslautern

[Jäh1989]Jähne 1989 Digitale Bildverarbeitung Springer, Berlin, 1989

[Jeo2001]Jeon, B.S. 2001 Theoretical orientation density function of spunbonded nonwoven fabric Text Res J 71 (6): S.509-513 Jun 2001

[Kim2001]Kim, H.S. / Pourdeyhimi, B. / Desai, P. et.al. 2001 Anisotropy in the mechanical properties of thermally spot-bonded nonwovens: Expermintal observations Text Res J 71 (11): 965-976 Nov 2001

[Kle2003]Kleppmann, W. Taschenbuch Versuchsplanung - Produkte und Prozesse optimieren Hanser, München, Wien.2003

[Kle2001]Klenk, T 2001 Chemie-Flachdichtung aus Vliesstoff - Definierte Faserlage optimiert Eigenschaftsprofil CAV 2001 Heft 2 Seite 52

[Kom1991]Komori, T. / Itoh, M. 1991 Theory of the general deformation of fibre assemblies Text Res J 61 (191): S. 588-594 Oct 1991

[Kru2000]Krucinska, I. / Kruncinski, S. 2000 Tensor analysis of fibre orientation in fibrous tissue. Eine Tensoranalyse der Faserorientierung in Vliesen Fibres and Textiles in Eastern Europe, Band 8 (2000) Heft 1, Seite 49-51

[Lee2000]Lee, S.H. / Kang, T.J. 2000 Mechanical and impact properties of needle punched nonwoven composites J Compos Mater 34 (10): S.814-840 2000


[Lia1997]Liao, T.Y. / Adanur, S. / Drean, J.Y. 1997 Predicting the mechanical properties of nonwoven geotextiles with the finite element method Text Res J 67 (10): S. 753-760 Oct 1997

[Lin2001]Lin, F.J. / Tsai, I.S. 2001 Configuration of PET fibre arrangement in roller drafting air-laid webs Text Res J 71 (1): S.75-80 Jan 2001

[Mao2000a] (Info) Mao, N. / Russell, S.J. 2000 Directional permeability in homogeneous nonwoven structures Part I: The relationship between directional perme-ability an fobre orientation J Text I 91 (2): S. 235-243 Part 1 2000

[Mao2000b] (Info) Mao, N. / Russell, S.J. 2000 Directional permeability in homogeneous nonwoven structures Part II: Permeability in idealised structures J Text I 91 (2): S. 244-258 Part 1 2000

[Paz1995]Pazolt, W. / Röhring, V. Faserorientierung - ein on-line bestimmbares Qualtitätsmerkmal von Vliesstoff GMA-Bericht (1995), S.175-189; Paper-nr. GMA-Ber. 24

[Pfei1993]Pfeifer, Thilo 1993 Qualitätsmanagement: Strategien, Methoden, Techniken Hanser, München, 1993

[Pour1996a]Pourdeyhimi, B. / Ramanathan, R. / Dent, R. 1996a Measuring Fiber Orientation in Nonwovens, Part I: Simulation Textile Res. J., 66, (11), 1996, S. 713 - 722

[Pour1996b]Pourdeyhimi, B. / Ramanathan, R. / Dent, R. 1996b Measuring Fiber Orientation in Nonwovens, Part II: Direct Tracking Textile Res. J., 66, (12), 1996, S. 747 - 753

[Pour1997a]Pourdeyhimi, B. / Dent, R. / Davis, H. 1997a Measuring Fiber Orientation in Nonwovens, Part III: Fourier Transform Textile Res. J., 67, (2), 1997, S. 143 - 151

[Pour1997b]Pourdeyhimi, B. / Dent, R. 1997b Measuring Fiber Orientation in Nonwovens, Part IV: Flow Field Analysis Textile Res. J., 67, (3), 1997, S. 181 - 187

[Pour1998]Pourdeyhimi, B. / Dent, R. 1998 Reply to " Comments on Measuring fiber orientation in nonwoven" Text Res J 68 (4): S. 307-308 Apr.1998

[Pour1999a]Pourdeyhimi, B. / Dent, R. / Jerbi, A. / Tanaka, S. / Deshpande, A. 1999 Measuring Fiber Orientation in Nonwovens, Part V: Real Webs Textile Res. J., 69, (3), 1999, S. 185 - 192

[Pour1999b]Pourdeyhimi, B. / Dent, R. 1999 Measuring fiber diameter distribution in nonwovens Text Res J 69 (4): S. 233-236 Apr 1999

[Pour2002]Pourdeyhimi, B. / Kim H.S.2002 Measuring fiber orientation in nonwovens: The Hough transform


Text Res J 72 (9): S. 803-809 Sep 2002

[Ret2000]Rettig, D./ Fischer, H. 2000 Aufwertung vorhandener Prüftechnik durch ein bildanalytisches Referenzsystem zur Bestimmung des Reifegrades von Baumwolle In: Loy, W. (Hrsg.): Taschenbuch für die Textilindustrie 2000. Berlin: Schiele & Schön Verlag, 2000 (ISBN 3-7949-0646-2), S. 123 – 129

[Rip1998]Ripley, B.D. Pattern Recognition and Neural Networks, Cambridge University Press, 1996

[Scha2002] Scharcanski, J. / Dodson, C.T.J. / Clarke, R.T. 2002 Simulating effects of fiber crimp, flocculation, density, and orientation on the structure statitcs of stochastic fibre networks Simul-T Soc Mod Sim 78 (6): S. 389-395 Jun 2002

[Schm1997]Schmitt, P. , Schmidt, K. 1997 Qualitätskontrolle in Echtzeit International Textile Bulletin Vliesstoffe – Technische Textilien, Band 43 (1997) Heft 4, S.32-34;37

[Schm1998]Schmid, H.G. 1998 Diamond characterization using quantitative image analysis DIABOND ‘98 Optimized Production and Use of Metal Bonded, Diamond Tools Proceedings of the seminar May 4/6 1998. This seminar was organized by the IST Ltd, Wangs, Switzerland in cooperation with Gölz GmbH & Co, Blumenthal and KFA, Jülich (Aachen), Germany Publisher: IST Ltd, Gartenweg 2, CH - 7323 Wangs, Switzerland 113 pages, softcover, 1998

[Schr1990]Schrüfer 1990 SignalverarbeitungHanser, München, 1990

[STFI2003] STFI 2003: AIF 12461 BG/5 Erfassung der Eigenschaften von Thermobond-Vliesstoffen in Abhängigkeit von der Gravurgeometrie und den Prozessparametern Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Institut für Textil- und Bekleidungstechnik, Bremer Institut für Konstruk-tionstechnikAbschlußbericht AIF/FK Gesamttextil Nr. AIF 12461 BG/5

[Ter2003] Termonia, Y. 2003 Lattice model for the drape and bending properties of nonwoven fabrics Text Res J 73 (1): S. 74-78 Jan 2003

[Tho1999] Thorr, F. / Drean, J.Y. / Adolphe, D. 1999 Image analysis tools to study nonwovens Text Res J 69 (3): S. 162-168 Mar 1999

[Veer1996]Veerabadran, R. Davis HA., Batra S.K. 1996 Devices for on-line assessment of nonwovens' basis weights and structures Text Res j 66 (4): S.257 - 264 APR 1996

[Xu1995]Xu, B.G. / Ting, Y.L. 1995 Measuring structural characteristics of fibre segments in nonwoven fabrics Text Res J 65 (1): S.41-48 Jan 1995

[Xu1997]Xu, B. / Yu, L. 1997 Determining Fiber Orientation Distribution in Nonwovens with Hough Transform Techniques Textile Res. J., 67, (8), 1997, S. 563 - 571


[Yan1999]Yan, Z. / Bresee, R. R. 1999 Flexible Multifunction Instrument for Automated Nonwoven Web Structure Analysis Textile Res. J., 69, (11), 1999, S. 795 - 804

[Zho2003] Zhou, S. / Chu, C. / Yan; H.2003 Blackscattering of light in determining fibre orientation distribution and area density of nonwoven fabrics Text Res J 73 (2): S. 131-138 Feb 2003

Gliederung fÃ¼r dieelib.suub.uni-bremen.de/pe/public/2010/622677039.pdf · 2010-03-26 · und...

Documents

Transcript of Gliederung fÃ¼r dieelib.suub.uni-bremen.de/pe/public/2010/622677039.pdf · 2010-03-26 · und...