Studie zahřívání jehly průmyslového šicího stroje

Ing. Adnan Ahmed Mazari

Doctoral thesis

A study on the needle heating of industrial lockstitch sewing machine

Abstract:

Sewing process is one of the most important operations in the clothing industry. It is also an important part of assembling some technical textile products. Every day, millions of products ranging from shirts to automotive airbags are sewn. Hence, even a minor improvement may result in significant commercial and performance benefits. The biggest issue with high speed sewing is the damage caused by heating of the needle on the sewing thread and the fabric. Sewing thread undergoes repeated abrasion and passes through the needle eye resulting in a friction with the needle; on the other hand the friction between the needle and the fabric during its penetration through the fabric layer(s) causes an increase in the needle temperature. This hot needle causes damage to the thread, the fabric and finally a loss in productivity. This work described in this dissertation aims at understanding the various processes causing a heating of the needle, with the needle's temperature measurement and prediction. It also explores certain methods which may possibly improve the productivity of the sewing operation by reducing the needle temperature without compromising the sewing speed. Chapter 3 of this work covers the experimental techniques to measure the sewing needle temperature. Three methods (thermal camera, inserted thermocouple and thermocouple touch method) are compared under different sewing conditions. It was found that the thermal camera got influenced by the low emissivity of the needle and it is very difficult to measure at speeds higher than 3000r/min. Inserted thermocouple method showed repeatable results with the lowest deviation. On the other hand, the thermocouple touch method could be used to provide an estimation of the needle temperature since the delay in contact between the needle and the thermocouple provides lower values of needle temperature as compared to the inserted thermocouple method. Chapter 4 presents the effect of different factors on the sewing needle temperature; it was observed that the sewing speed, the thread count, the sewing time, the fabric structure and thickness had major impact on sewing needle temperature. On the other hand, ambient humidity, ambient temperature, stitch density and needle parameters played a minor role in heating of the sewing needle. Chapter 5 is based on the cooling of hot needle by a vortex stream of cold air, which is the common method in industry to decrease the needle temperature. Chapter 6 presents the effect of the lubricant amount on sewing needle temperature. Lubrication is the second most common technique in industry for decreasing the needle temperature after the cooling air. In Chapter 7 the effect of the needle temperature on the tensile properties of the sewing threads is discussed. It was observed that the tensile properties of the used sewing threads decreased dramatically for machine speeds higher than 3000r/min; where about 40% loss of tensile strength was recorded for sewing threads at machine speed of 4000 r/min. Chapter 8 presents the methodology for evenly coating the sewing needle with a diamond like carbon (DLC) layer. DLC coatings are well known for decreasing the friction properties of heavy machine parts like engines and pistons. Finally, in Chapter 9 a simple analytical model was developed to calculate the needle temperature at its steady state from a set of parameters that includes: friction coefficients, friction forces and thread tension. A linear equation was obtained for the temperature of the needle related to the machine speed as an independent variable. It was found that the model could predict the maximum needle temperature that can be attained during a continuous sewing process of more than 10 seconds with a reasonable accuracy. The important role of the sewing thread in contributing towards the needle temperature was also established by this simple theory which corroborates with the experimental observations.

Abstract:

Šicí proces je jednou z nejdůležitějších operací v oděvním průmyslu. Je také důležitou součástí při sestavování některých technických textilních produktů. Každý den se ušijí miliony produktů od košil až po airbagy. Proto i malé vylepšení může mít za následek významné obchodní a výkonnostní výhody. Největším problémem při vysokorychlostním šití je poškození způsobeno zahříváním jehly na niti a materiálu. Šicí nit podléhá opakovanému oděru a prochází očkem jehly, což vede k tření s jehlou; na druhé straně tření mezi jehlou a materiálem během pronikání přes vrstvu materiálu způsobuje nárůst teploty jehly. Tato horká jehla způsobuje poškození nitě, materiálu a nakonec i ztrátu produktivity. Tato disertační práce se zaměřuje na pochopení různých procesů způsobujících zahřívání jehly, s měřeními a predikcí teploty jehly. Práce také zkoumá určité metody, které by mohly zlepšit produktivitu šicího procesu snížením teploty jehly bez ohrožení rychlosti šití. Kapitola 3 zahrnuje experimentální techniky pro měření teploty šicí jehly. Tři metody (termo kamera, vložený termočlánek a dotyková metoda pomocí termočlánku) jsou porovnávány při různých podmínkách šití. Bylo zjištěno, že termo kamera byla ovlivněna nízkou emisivitou jehly a je velmi obtížné provádět měření při rychlosti vyšší než 3000 ot / min. Metoda s vloženým termočlánkem ukazuje opakovatelné výsledky s nejnižší odchylkou.Na druhé straně, dotyková metoda s termočlánkem by mohla být použita pro poskytnutí odhadu teploty jehly, protože zpoždění v kontaktu mezi jehlou a termočlánkem poskytuje nižší hodnoty teploty jehly ve srovnání se způsobem vloženého termočlánku. Kapitola 4 představuje vliv různých faktorů na teplotu šicí jehly; bylo zjištěno, že rychlost šití, počet nití, čas šití, struktura materiálu a tloušťka měly hlavní vliv na teplotu šicí jehly. Na druhé straně, parametry jako okolní vlhkost, okolní teplota, hustota stehu a parametry jehly hráli menší roli v zahřívání šicí jehly. Kapitola 5 je založena na chlazení horké jehly ve vířivém proudu studeného vzduchu, což je běžný postup používaný v průmyslu ke snížení teploty jehly. Kapitola 6 prezentuje vliv množství maziva na teplotu šicí jehly. Mazání je druhou nejčastější technikou v průmyslu pro snížení teploty jehly po chlazení vzduchem. Kapitola 7 pojednává o vlivu teploty jehly na tahové vlastnosti těchto šicích nití. Bylo pozorováno, že tahové vlastnosti použitých šicích nití se dramaticky snížily při rychlostech stroje vyšších než 3000 ot / min; kde asi 40% ztráta pevnosti v tahu pro šicí nitě byla zaznamenána při otáčkách stroje 4000 ot / min. Kapitola 8 představuje metodiku pro rovnoměrné potažení šicí jehly s tzv. "Diamond like carbon" (DLC) vrstvou. DLC povlaky jsou dobře známé pro snížení třecích vlastností různých částí těžkých strojů, jako jsou motory a písty. Na závěr, v kapitole 9 byl vyvinut jednoduchý analytický model pro výpočet teploty jehly ve svém ustáleném stavu ze souboru parametrů, který obsahuje koeficienty tření, třecí síly a napětí nitě. Lineární rovnice byla získána pro teplotu jehly vztahující se k rychlosti stroje jako nezávislá proměnná. Bylo zjištěno, že model by mohl predikovat maximální teplotu jehly, která může být dosažena v průběhu kontinuálního procesu šití při více než 10 vteřinách s dostatečnou přesností. Pomocí této jednoduché teorie byla prokázána důležitá role nitě v přispívání k teplotě jehly, což potvrzuje experimentální pozorování.

Keywords

Zahřívání jehly, šicí stroj, chlazení jehly, predikce teploty jehly, šicí nit, povlak jehly

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 1. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 18. 5. 2015
• Supervisor: doc. Ing. Antonín Havelka, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering