Predicting the properties of technical textiles through digital modelling/Simulations numériques pour le développement d’applications techniques des textiles

Predicting the properties of technical textiles through digital modelling/Simulations numériques pour le développement d’applications techniques des textiles

Robitaille, François

Technical textiles offer good potential for growth in volume and traded value. Whilst all technical textiles are bought for a measurable level of performance that they offer, actual products are extremely varied: biomedical devices, performance garments, reinforcements for composites, explosion-proof suits or catalysts used in processing industries constitute only a few examples.

This wide range of applications means that the types of performance sought for different technical textiles are very diverse. For one application the emphasis may be on mechanical strength; for another, biocompatibility or chemical characteristics will be key. In most cases the development of a successful product requires a combination of properties. Carbons used in the production of composites must drape well and promote resin flow. Artificial ligaments must have precise mechanical properties, whist their porosity must allow impregnation by blood and subsequent healing. Textiles used in car interiors must meet stringent requirements with regards to wear resistance and be suited to automotive supply chains.

Innovative products are seen regularly at events such as Techtextil and, closer to home, the Hightex show, in Montreal. Getting such products to market requires substantial development work. Laboratory testing for target properties such as strength or air permeability plays a vital role; such tests can be conducted in specialised centres such as the CTT (Center for Textile Technologies).

In recent years, the research community has increased its efforts towards predicting the properties of textile products through computer simulation. The central objective is to propose software tools that supply early information on the properties of a textile, say its filtering performance or suitability to architectural applications, prior to testing. Effects of the textile structure and manufacturing parameters could be investigated earlier in the design process, in a way similar to routine analyses of structures made of metals or plastics.

The first issue to address was productivity. Textile structures are complex, and there is little to gain from computer simulations if the time needed to build digital models of textiles is prohibitive. Researchers have addressed this: current software allows the creation of geometric digital models for a very wide array of textiles from relatively little effort. Simpler models can literally be made in seconds.

The second important issue relates to the large array of properties that one may want to predict. This was also addressed. For generic properties such as elasticity or liquid permeability, digital models can be transferred to industrial engineering software, the power of which may be used for property prediction. Alternatively, specialised phenomena such as the degradation of a textile in a corrosive environment could be tackled by developing additional software; once this is done, the phenomenon can be investigated for any digital model of any textile structure.

The few pieces of textile property prediction software being developed worldwide are not ready for independent industrial use – but collaborative activity is increasing rapidly, notably in Europe where strong textile traditions are offset by very high labour costs. For example, in April the UK’s University of Nottingham1 along with the DTI – sponsor of the TechniTex Partnership2 – EPSRC3 and NCN4 recently hosted a Workshop on Engineering Science Models for Textile Structures5 where state-of-the-art textile modelling and performance was explored, and the expertise of both the engineering and textile technology communities were joined in identifying critical challenges and synergistic solutions. The conclusions of this exercise are freely available, and will help software developers in focusing their work on the needs of industry.

Overall the aim is to support the development of technical applications of textiles by industry through dedicated software. A number of teams are developing various tools worldwide, additional work is needed but critically, collaboration and input from industry are essential to ensure that software packages provide the best possible support to industrial development.

François Robitaille is an Associate Professor of Mechanical Engineering at the University of Ottawa. You can reach him by Email atfrobit@genie.uottawa.ca.

Les textiles techniques offrent un fort potentiel de croissance. Ces textiles sont recherchés pour les performances quantifiables qu’ils peuvent offrir. Par ailleurs, une grande variété de produits en sont dérivés: les implants biomédicaux, les vêtements de haute performance, les renforts pour composites, les vestes anti-déflagrations et les catalyseurs industriels ne sont que quelques exemples.

Cette vaste gamme d’applications requiert divers types de performance. Pour une application donnée, l’accent peut être mis sur la résistance mécanique, alors que dans un autre cas, la bio-compatibilité ou les caractéristiques chimiques peuvent constituer la clé du problème. Le développement de produits novateurs requiert souvent l’optimisation simultanée de plusieurs propriétés. Les renforts pour composites doivent à la fois draper les moules et favoriser l’écoulement des résines. Les ligaments artificiels doivent avoir une rigidité élevée et une porosité qui permette l’imprégnation rapide par le sang, requise pour la rémission du patient. Les textiles d’intérieurs automobiles doivent résister à l’usure et être adaptés au contexte particulier de cette industrie.

Des produits innovants sont régulièrement dévoilés lors de salons tels que Techtextil et, plus près de nous, Hightex, à Montréal. Le lancement commercial de tels produits requiert des efforts de développement substantiels. Les essais en laboratoire pour la mesure de propriétés telles que l’élasticité ou la perméabilité aux gaz jouent un rôle central; de tels essais peuvent être effectués par des équipes spécialisées, dont celle du CTT (Centre des technologies textiles).

Depuis quelques années, plusieurs équipes de recherche portent une attention accrue à la prédiction des propriétés des textiles techniques par simulation numérique. L’objectif principal est de proposer des outils logiciels aptes à prédire le comportement des textiles, par exemple leur aptitude à la filtration ou aux applications architecturales, avant de procéder aux essais. Les effets de la structure textile ou du procédé de fabrication pourraient ainsi être évalués plus tôt dans le processus de design, de la même façon que pour d’autres matériaux plus courants tels que les métaux et polymères.

Dès le départ, les chercheurs se sont attaqués au problème de la productivité de tels logiciels. Les structures textiles sont complexes et les simulations par ordinateurs perdent leur raison d’être si les temps de création des modèles géométriques numériques sont trop élevés. Cet aspect de la question est maintenant résolu : les logiciels actuels permettent de créer des modèles géométriques numériques pour une très vaste gamme de textiles, aisément et rapidement. Les modèles les plus simples sont créés en quelques secondes.

Un second aspect majeur du travail concerne la vaste gamme de propriétés que l’on voudrait pouvoir prédire. Cet aspect a également été résolu: pour des propriétés générales telles que l’élasticité ou la perméabilité aux fluides, les modèles numériques peuvent être transférés directement vers des logiciels d’ingénierie industriels, qui sont déjà utilisés pour les prédictions. Pour les problèmes plus spécialisés tels que la dégradation d’un textile dans un environnement corrosif par exemple, les chercheurs doivent développer de nouveaux codes de calculs et les intégrer aux logiciels. Cependant, une fois ce travail initial complété, les logiciels permettent d’investiguer le phénomène physique en question pour tout type de structure textile.

Les quelques logiciels de prédiction du comportement des textiles techniques qui sont en cours de développement ici et ailleurs ne sont pas suffisamment achevés pour une utilisation indépendante en industrie – mais la collaboration entre l’industrie et le milieu de la recherche progresse rapidement, notamment en Europe où l’expertise traditionnelle est contrecarrée par les coûts très élevés de la main-d’oeuvre, y compris dans le cas des applications techniques. Par exemple, l’Université de Nottingham1 (GB), de concert avec le DTI – commanditaire principal de TechniTex2 -, le EPSRC3 et le NCN4, organisait en avril l’« Atelier de travail sur l’ingénierie et la modélisation des structures textiles». Les objectifs étaient d’explorer l’état de l’art pour la modélisation de la performance et d’identifier les défis critiques qui doivent être surmontés pour renforcer la valeur pratique de tels logiciels pour l’industrie. Les conclusions de cet exercice sont disponibles sur demande, et contribuent à aiguiller les différentes équipes de chercheurs et de développeurs sur les besoins de l’industrie.

L’objectif global est de soutenir le développement d’applications techniques des textiles en industrie. Un certain nombre d’équipes travaillent au développement d’outils logiciels, et ce travail se poursuit. À ce stade, l’industrie peut jouer un rôle central en exprimant ses souhaits et en mettant les développeurs au défi de façon à assurer que ces logiciels répondent au mieux à ses attentes.

François Robitaille est professeur agrégé en Génie Mécanique à Université d’Ottawa. Vous pouvez communiquer avec lui par courriel à l’adresse suivante : frobit@genie.uottawa.ca.

REFERENCES | RÉFÉRENCES

1. http://www.textiles.nottingham.ac.uk

2. http://www.technitex.org

3. Engineering and Physical Science Research Council, UK

4. National Composites Network, UK

Also see / Voyez également: TensiNet Association, http://www.tensinet.com

Copyright The Textile Journal May/Jun 2005

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