Nicht

Mit Unterstützung eines Zuschusses des Walmart US Manufacturing Innovation Fund wollen Professoren des US-Bundesstaates NC die Effizienz des Webens durch ein neues Bindungsverfahren verbessern.

Von Dr. Abdel-Fattah M. Seyam und Dr. William Oxenham, Technischer Redakteur

Jüngste Analysen der Textilproduktionskosten haben ergeben, dass die Vereinigten Staaten mit Ausnahme der Weberei1-3 in den meisten primären Herstellungsprozessen weltweit wettbewerbsfähig sind. Der Webprozess ist der langsamste Prozess in der Stoffherstellungskette. Dies ist sowohl auf die Art des Webprozesses als auch auf inhärente Einschränkungen der Zug- und Abriebeigenschaften der Garne zurückzuführen, die beim Weben zu Garnbrüchen führen können. Um diese Einschränkungen auszugleichen, muss eine Webmaschine mit höchster Geschwindigkeit und Effizienz laufen. Um die inhärenten Einschränkungen des Webprozesses zu überwinden, machten die Weber große Fortschritte bei der Verbesserung der Qualität der Garne, indem sie sie darauf vorbereiteten, den Strapazen des Webens standzuhalten, was zu einer Reduzierung kurzfristiger Unterbrechungen führte. Parallele Anstrengungen wurden von Maschinenherstellern unternommen, die zur Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsmaschinen führten. Die Verbesserungen bei der Garnvorbereitung und der Webmaschinengeschwindigkeit haben ihre Grenzen erreicht und andere revolutionäre Wege zur Verbesserung der Effizienz des Prozesses sind dringend erforderlich. Zwei langfristige Stopps in der Weberei blieben unangefochten: Der Stilwechsel, der durchgeführt wird, wenn ein Kettbaum aufgebraucht ist und neues Gewebe mit anderen Spezifikationen benötigt wird; und das Einbinden, das durchgeführt wird, wenn der Kettbaum aufgebraucht ist und das gleiche Gewebe weitergeführt werden muss. Der Stilwechsel dauert vier bis acht Stunden, während das Einbinden 30 bis 120 Minuten dauert, ohne die Zeit für die Vorbereitung vor dem Einbinden und den Wechsel des Webstuhlbaums sowie das Durchführen der Knoten nach dem Einbinden, je nach Kettbreite, Kettdichte und Garn Typ und Einbindemaschinentyp. Ein solcher Langzeitstopp verringert die Effizienz von Hochgeschwindigkeitswebmaschinen erheblich.

Mehr als 50 Prozent der weltweiten Faserproduktion werden zu gewebten Stoffen für Anwendungen wie Bekleidung, Heimtextilien und technische Textilien verarbeitet. Während moderne Webmaschinen mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, bleibt der Webprozess der langsamste Prozess in der gesamten Produktionskette. Dies ist auf die Art des Webprozesses und die inhärenten Eigenschaften der Kett- und Schussgarne zurückzuführen, die eine begrenzte Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen. Infolgedessen können Garne während des Webens brechen. Bei einem Fadenbruch wird der Prozess automatisch gestoppt und anschließend eine manuelle Reparatur durch den Bediener durchgeführt. Eine Webmaschine muss in jedem Webzyklus eine Reihe aufeinanderfolgender Bewegungen ausführen, um ein Schussgarn mit zahlreichen Kettgarnen zu verflechten. Auf einem Kettbaum hinter dem Webstuhl wird eine begrenzte Länge Kettfadens zugeführt, der schließlich zur Neige geht. Dazu muss der Prozess angehalten werden, um den ausgelaufenen Kettbaum durch einen vollen Kettbaum zu ersetzen.

Da der Webprozess den Engpass in der Produktionspipeline darstellt, müssen Webgeschwindigkeit und Effizienz maximiert werden. Den Maschinenherstellern ist es gelungen, Hochgeschwindigkeitsmaschinen zu entwickeln, indem sie bessere und leistungsstärkere Motoren, leichtere und stärkere Maschinenteile sowie separate Antriebe für die Webbewegungen entwickelten. Tatsächlich können heutige Webmaschinen schneller laufen, wenn die Kett- und Schussfäden den komplexen Belastungen standhalten, die durch die hohe Geschwindigkeit in Kombination mit der Art des Prozesses entstehen. Um die Maschinenbelegung pro Bediener zu erhöhen, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Vielseitigkeit und Qualität zu verbessern, haben Webmaschinenhersteller innovative Elektronik- und Steuerungstechnologien entwickelt, darunter: automatische Schussfadenreparatur zur Reduzierung von Ausfallzeiten; Variable Webgeschwindigkeit zur Vorprogrammierung der Geschwindigkeit für jedes Schussgarn basierend auf seiner Stärke, um Brüche zu vermeiden; Automatischer Webart-/Musterwechsel, um ein Anhalten zum Wechseln der Webart zu vermeiden, wenn dieselbe Kette verwendet wird; Startmarkenverhinderung; und zur Webstuhlinspektion4-6. Andererseits hat die Forschung und Entwicklung in der Garnvorbereitung für die Weberei – Spinnen, Wickeln, Schären und Schlichten – zu besser vorbereiteten Garnen geführt, die den Strapazen des Webprozesses standhalten, Garnbrüche während des Webens minimieren und somit die Webeffizienz steigern7-12 . Darüber hinaus wurden umfangreiche Arbeiten zur Rolle des Spinnsystems und der Verarbeitungsparameter auf die Eigenschaften von Garnen durchgeführt, die mit ihrer späteren Webleistung korreliert werden können13-15.

Zwei langfristige Ursachen für Webstopps blieben unangefochten. Dabei handelt es sich um einen Stilwechsel, der durchgeführt wird, wenn der Kettbaum aufgebraucht ist und neues Gewebe mit anderen Spezifikationen benötigt wird, und das Einbinden, das durchgeführt wird, wenn der Kettbaum aufgebraucht ist und das gleiche Gewebe weitergeführt werden soll. Der Stilwechsel dauert vier bis acht Stunden, während das Einbinden 30 bis 120 Minuten dauert, zuzüglich der Vorbereitungszeit vor dem Einbinden und des Wechsels des Webstuhlbaums sowie des Durchführens der Knoten nach dem Einbinden, je nach Kettbreite, Kettdichte, Garntyp und Schreibmaschinentyp, der sich hervorragend für das Hochgeschwindigkeitsweben eignet. Das Einbinden erfolgt für zahlreiche Stoffarten wie Hemden, Laken und Kissen, Jeans, Airbags und fast alle Jacquard-Stoffe. Jede Webstube verfügt über mehrere Knüpfmaschinen, um das Knüpfen durchzuführen, nachdem die Webbäume aufgebraucht sind.

Bisherige Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Verbesserung von Knüpfmaschinen, um den Automatisierungsgrad zu erhöhen, ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern und die Knüpfgeschwindigkeit zu erhöhen. Auf den ITMA-Messen 2003, 2007, 2011 und 2015 stellten große Hersteller von Einbindemaschinen ihre neuesten automatischen Einbindetechnologien vor. Weitere Einzelheiten zu den Fortschritten bei der Anbindung finden Sie an anderer Stelle4-6&16.

Keine der bisherigen Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen befasste sich mit der Beseitigung des langfristigen Stopps des Webprozesses während des Einbindens. Der Aufruf der Walmart Foundation und der US-Bürgermeisterkonferenz im Juli 2015 zur Einreichung von Vorschlägen für angewandte Forschung aus dem Walmart US Manufacturing Innovation Fund umfasste die Weberei als einen der Schwerpunktbereiche der Forschung. Dies motivierte die Autoren, erfolgreich einen innovativen, revolutionären Forschungsansatz vorzuschlagen, um den derzeit praktizierten Langzeitstopp zu beseitigen und den Webprozess ohne Unterbrechung fortzusetzen, während der Bindungsprozess durchgeführt wird. Die vorgeschlagene Arbeit zielte auf die Entwicklung tragbarer Mechanismen ab, die mit jeder aktuellen automatischen Einbindemaschine funktionieren könnten.

Bei diesem Projekt geht es darum, den Webprozess nicht mehr anhalten zu müssen, um das Einbinden durchzuführen. Wenn derzeit der Kettbaum leer ist, stoppt der Bediener den Vorgang und eine automatische Einbindemaschine und ihr Tisch werden zusammen mit einem vollen Kettbaum zur Webmaschine gebracht. Vor dem automatischen Einbinden jedes Kettfadens vom auslaufenden Kettbaum in den entsprechenden Faden des vollen Kettbaums ist eine Abbindezeit erforderlich, die von den Einknüpfarbeitern durchgeführt wird. Nach dem Einbinden wird der leere Kettbaum aus der Webmaschine genommen und durch einen vollen Kettbaum ersetzt. Die Knoten werden dann durch verschiedene Teile der Webmaschinen geführt, nämlich Lamellen, Litzendrähte und Schilfrohr. Dann wird der Webprozess nach vielen Stunden Produktionsausfall wieder aufgenommen.

Die anerkannten Vorteile des Projekts bestehen darin, die Effizienz/Produktivität der Weberei zu steigern und die Kosten für gewebte Produkte zu senken. Dies wird US-amerikanischen Webstoffherstellern einen Wettbewerbsvorteil verschaffen und möglicherweise die Zahl der Arbeitsplätze in der Weberei und den damit verbundenen Branchen erhöhen, was im Einklang mit dem Ziel des Walmart US Manufacturing Innovation Fund steht.

Das Problem, das angegangen werden muss, besteht darin, dass die Webmaschine angehalten werden muss, um eine neue Kettschar bereitzustellen, um das Verknoten von Garnen von der neuen Kettschar bis zum Ende der ausgelaufenen Kettschar zu ermöglichen, was im Wesentlichen zum Weben führt ein Batch-Prozess. Um das Weben während des Einknüpfvorgangs fortzusetzen und die Ziele des Projekts zu erreichen, sind zwei Entwicklungen erforderlich: (1) Entwicklung eines Webbaumwickelverfahrens beim Schlichten oder Schären, um einen Kettbaum mit Schwanz zu erzeugen, der verfügbar sein wird zum Einbinden, bevor der Kettbaum aufgebraucht ist, und (2) Entwicklung eines Kettblattspeichers zur Speicherung des Kettfadens, während die Webmaschine das Gewebe aus der Hauptkettblattform formt. Die Länge des Kettfadens, die von der Webgeschwindigkeit und der Schussdichte – oder der Stoffaufnahmegeschwindigkeit – abhängt, muss ausreichend sein, um Zeit für das Einbinden und die damit verbundenen Vorgänge zu lassen. Eine schematische Darstellung des Konzepts des ununterbrochenen Einknüpfvorgangs ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Abbildung zeigt, wie sich das Ende des Kettbaums abwickelt, während der Kettbaum ausläuft, und für die Verbindung mit dem Garn am Ersatzbaum verfügbar wird. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wird das Kettblattende durch die Speicherwalzen in den Knüpftisch geführt. Der Bogen des vollen Kettbaums wird ebenfalls dem Einbindetisch zugeführt. Die Garne der beiden Kettblätter werden zusammengefügt, und überschüssige Kettblattlänge wird durch die Spreizung der beweglichen Rollen des Akkumulators ausgeglichen, der auch Teil eines Steuersystems ist, um eine gleichmäßige Spannung sicherzustellen. Wenn der Prozess abgeschlossen ist, ersetzt der volle Kettbaum den leeren Kettbaum. Anschließend werden sowohl die Knüpfmaschine als auch der Akkumulator für einen weiteren Knüpfvorgang ins Lager oder zur nächsten Webmaschine gebracht. Um Non-Stop-Geräte und -Verfahren zu entwerfen und zu bauen, wurde beschlossen, eine Einbindezeitstudie durchzuführen, um die Zeit jeder während des gesamten Einbindevorgangs ausgeführten Aufgabe zu erfassen, einschließlich der Vorbereitung zum Einbinden, des Einbindens und des Postens Einbindungsaufgaben. Dies ermöglicht die Bestimmung von Aufgaben, die bei der Bildung des Kettbaums mit Enden und beim ununterbrochenen Bindungsprozess optimiert werden könnten, und ermöglicht außerdem die Gestaltung der Ausrüstung für ergonomische Zwecke, was zu einer allgemeinen Verbesserung der Webeffizienz führen wird.

Die Einbindezeitstudie wurde im Weaving Lab am College of Textiles der North Carolina State University (NC State) auf einer G6200-Greiferwebmaschine durchgeführt, auf der 60 Zoll breite Stoffe mit 3.120 Kettgarnen (oder Enden/Zoll = 53,5) gewebt wurden. Das Kettgarn war 2-fach gesponnen. Die gesamte Zeit vom Auslaufen des Webbaums bis zum Wiederbeginn des Webens mit der neuen Kette beträgt 196 Minuten. Für die Durchführung aller Verfahren war ein Dreierteam erforderlich, in den meisten Fällen wurde die Aufgabe jedoch von einem Bediener durchgeführt. Um die Zeit für jede Aufgabe genau zu ermitteln, wurde ein Videoaufzeichnungssystem verwendet. Das Video wurde gestreamt, um den Anfang und das Ende jeder Veranstaltung festzuhalten. In Tabelle 1 sind Beginn, Ende und Zeitpunkt jeder Aufgabe aufgeführt.

Diese Zeitstudie ergab, dass vor und nach der eigentlichen Einbindungsaufgabe zahlreiche Aufgaben erforderlich sind. Der Einbindevorgang (Aufgabe 22) dauerte 77 Minuten. Die Vorbereitung der Einbindungsaufgaben (1-21) dauerte 98 Minuten, während die Aufgaben (23-27), die nach der Einbindung durchgeführt wurden, 21 Minuten dauerten. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der eingebundenen Enden in diesem Fall im Vergleich zu hochdichten Kettfäden gering ist. Die Kettdichte solch hochdichter Kettfäden könnte 300 Fäden/Zoll oder mehr für Anwendungen wie Bettlaken mit hoher Fadenzahl, kaschierte Stoffe und Doppelgewebe erreichen. Bei einer solch hohen Anzahl an Kettgarnen ist zu erwarten, dass die Stoppzeit für die Durchführung des Einknüpfvorgangs und seiner Vorbereitung viel länger sein wird als im hier untersuchten Fall.

Ein proprietärer passiver Warp-Speicher (Akkumulator) wurde als erster Prototyp in der Maschinenwerkstatt von NC State entworfen und gebaut. Es wurde für den Einsatz mit einem 20 Zoll breiten CCI-Musterwebstuhl konzipiert, der am College of Textiles erhältlich ist. Das Wort „passiv“ bedeutet hier, dass es keine Kontrolle der Kettblattspannung gibt, sondern dass die Kettblattspannung durch Rollen und Eigengewichte gesteuert wird. Hierbei handelt es sich um einen einfachen, flexiblen Prototyp, der für die Entwicklung der endgültigen, anspruchsvolleren Lösung verwendet wird. Der Zweck des ersten Prototyps besteht darin, die Interaktion zwischen Bediener und Maschine zu untersuchen, die Ergonomie zu verbessern, die Prozesszeit zu verkürzen und zum Entwurf eines aktiven Prototyps mit Spannungsregelung zu führen. Abbildung 2 zeigt den Kettspeicher im zerlegten und zusammengebauten Zustand. Das System wurde in zwei Teilen konzipiert, um das Lösen des Systems von der Kettschar nach Abschluss des Einbindevorgangs mithilfe von vier Schnellspannklemmen für eine schnelle Demontage/Montage zu ermöglichen. Die Abbildung zeigt die Teile des Warp-Akkumulators. Die Zahl in Klammern gibt die Menge jedes Teils an.

Außerdem wurde eine Kettbaumhalterung entworfen und gebaut, die für die Arbeit mit der Schärmaschine zur Bildung eines Wickelbaums mit Schwanz erforderlich ist. Diese Ausrüstung trägt einen Kettbaum, der über die Endkettschar mit der erforderlichen Länge verfügt. Der Balken wird Heckbalken genannt. Bei der Stütze handelt es sich um einen Rahmen mit zwei Lagern, der das Abwickeln des Endstücks ermöglicht, um mithilfe der Schärmaschine den endgültigen Baum mit Endstück zu formen. Auch hier handelt es sich um ein passives System. Es wird ein ausgefeilteres System gebaut, das über eine Spannungskontrolle und einen positiven Vorschub verfügt.

Der unterbrechungsfreie Einbindevorgang erfordert zwei Schritte. Im ersten Schritt erfolgt die Bildung des Kettbaums mit Fadenende und im zweiten Schritt die Durchführung des Knüpfvorgangs und der damit verbundenen Aufgaben bei laufender Webmaschine.

Ein CCI Lutan V3.6, ausgestattet mit Drehgatter und Schärmaschine, wurde verwendet, um einen Endbaum und einen Endkettbaum mit Endbaum zu formen. Die Kettbreite betrug 20 Zoll mit 50 Fäden pro Zoll, also insgesamt 1.000 Fäden und einer Garnfeinheit von 42/2. Die Verfahren zur Bildung des Webbaums mit Schwanz sind in Abbildung 3 dargestellt. Nachdem die Kette auf der Mustertrommel fertiggestellt war, wurde der Schwanzbaum aufgewickelt (siehe Abbildung 3a). Die Schwanzlänge betrug etwa 7 Yards – 1 Yard vom Absprungpunkt des Schwanzes vom Kettbaum am Webstuhl, 4 Yards im Akkumulator und 2 Yards vom Akkumulator bis zum Einbindetisch. Der Heckträger wurde am Trägerträger befestigt (siehe oben rechts in Abbildung 3b). Der Kettbaum wurde in den beiden Lagern platziert, wie in Abbildung 3b dargestellt. Der Kettbaum wird aus einer gefalteten Kettschar gebildet; Der Schwanz und die Großschot auf der Trommel bilden eine Falte. Die Faltung wird durch einen Federstab erreicht, der gegen die Kettschar gedrückt und durch die Kettbaumflansche gestützt wird. Nach dem Sichern der Federstange beginnt das Aufwickeln des Webstuhlbaums (siehe Abbildung 3c). Der Webbaum wird aus dem Schwanz, dem Schwanzbaum und der Kettschar von der Mustertrommel bis zum Ende des Schwanzes gebildet (siehe Abbildung 3d). Das Ende des Schwanzes wird mit Klebeband gesichert, um das Kettgarn ausgebreitet zu halten und um die Handhabung und das Bürsten bei der Vorbereitung des Einbindens zu reduzieren. Das Aufwickeln des Webbaums mit Schwanz wird von der Kettschar auf der Mustertrommel fortgesetzt (siehe Abbildung 3e), bis die gesamte Kette übertragen ist.

Sobald das Ende des Schwanzes während des Webens aus dem Webbalken austritt, beginnt der Vorgang des ununterbrochenen Einbindungsprozesses (siehe Abbildung 4a). Der neue volle Kettbaum, der Akkumulator und der Einbindetisch werden hinter die Webmaschine gebracht und positioniert, wie in Abbildung 4a zu sehen ist. Die neue Kettschar wird gezogen und zum Einknüpftisch geführt, wo sie gebürstet und am Tisch festgeklemmt wird. Die hintere Kettschar wird entnommen und durch die Speicherrollen geführt (siehe Abbildung 4b) und dann am Einbindetisch über der Kettschar des neuen Baums festgeklemmt. Die beiden Kettblätter werden gebürstet und die Kettgarne werden geglättet, um das Einbinden oder Verknoten vorzubereiten (siehe Abbildung 4c). Die Einbindemaschine wird an die Schienen herangeführt und eingerastet, und das Einbinden beginnt (siehe Abbildung 4d). Die oben genannten Schritte werden durchgeführt, während die Webmaschine von der Hauptkettschar des Webbaums aus läuft und das Ende im Speicher gespeichert wird. Wenn die Hauptkettschar aufgebraucht ist, wird der Federstab freigelegt und entfernt. In diesem Moment gleicht der Druckspeicher jegliches Spiel aus, das durch das Entfernen der Federstange entsteht. In diesem Stadium versorgt der Akkumulator die Webmaschine mit der gespeicherten Kettfadenschar (Ende), wie in Abbildung 4e dargestellt. Während dieses Versuchs wird die Webmaschine nach 10 Minuten angehalten, um den leeren Kettbaum durch den vollen Kettbaum zu ersetzen. Dann wird der Webvorgang fortgesetzt. Der Akkumulator versorgt die Webmaschine vom Ende mit der Kettschar, bis diese aufgebraucht ist. Der Akkumulator wird zerlegt und dann zur Einlagerung oder bei Bedarf zum nächsten Einbinden gebracht. Der neue Webbaum liefert die Kette an den Webstuhl, nachdem er den Webstuhl für kurze Zeit angehalten hat, um die Knoten durch die Ösen und Rieddellen der Webschäfte zu führen.

Hierbei ist zu beachten, dass die Stoppzeit für die Installation des neuen Vollbalkens entfallen kann, indem in den Druckspeicher oder die Balkenhalterung eine Klemme eingebaut wird, um die Bahnspannung unter Kontrolle zu halten. Neben der Eliminierung von Stillstandzeiten und Produktionsausfällen konnten bei der Versuchsdurchführung weitere Vorteile realisiert werden. Dazu gehören die Beseitigung der in Tabelle 1 aufgeführten Aufgaben, die Reduzierung des Kettbaumabfalls und die Beseitigung der Notwendigkeit, das Ende des Kettbaums zu überprüfen. Der aus dem Kettbaum austretende Schwanz ist deutlich zu erkennen und es besteht die Möglichkeit, einen optischen Sensor zu installieren, um das Erscheinen des Schwanzes zu erkennen.

Dieser Versuch stellt eine historische technologische Innovation dar, bewies das Konzept des Non-Stop-Knüpfprozesses und ebnet den Weg für die Kommerzialisierung des Prozesses für jede Art von Webmaschine. Die Autoren arbeiten derzeit mit einem in North Carolina ansässigen Webereiunternehmen zusammen und planen groß angelegte Versuche in dessen Einrichtung. Ein vollwertiger Akkumulator und eine Heckträgerhalterung werden für den Bau durch einen Maschinenhersteller beschafft.

Verweise

Anmerkung des Herausgebers: Dieses Material basiert auf Arbeiten, die durch den Zuschuss Nr. 2016-1006 des US Manufacturing Innovation Fund gefördert werden. Die Autoren danken Dr. Mohamed Midani für die Hilfe bei der Einbindungszeitstudie und der Zeichnung des Akkumulators.

13. Juni 2017