Bionische Filter – Simulationsgestütztes Design additiv gefertigter poröser Strukturen (BiFi)

Team

Dr. Jakob Barz, Fraunhofer IGB

Studentische Arbeiten

Lars Baumann und Ruben Gehard (Studienarbeit) Entwicklung von Regenerationskonzepten von Filtern zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Waschmaschinenabwasser

Thilo Gaugler (Masterprojekt) Entwicklung von Filtrationslösungen zur Entfernung von Mikroplastik aus dem Waschmaschinenabwasser

Eren Ekiz (Studienarbeit) Experimentelle Untersuchungen Druckverlust und Abscheidegrad eines Mikroplastikfilters für Waschmaschinen

Roberto Gesugrande (Bachelorarbeit) CFD-basierte Optimierung von Filterstrukturen mit Hilfe von Topologieoptimierung

Thilo Gaugler (Bachelorarbeit) Ermittlung von Fraktionsabscheidegrad und Druckverlust von virtuellen Kfz-Pollenfiltern mittels CFD-Simulation in Star CCM+

Sandra Waibl (Studienarbeit) Topologieoptimierung von Filtermedien mit Hilfe der Adjoint-Methode in Star CCM+

Adem Aydin (Bachelorarbeit) CFD-Simulation zur Untersuchung des Einflusses poröser Strukturen auf die Partikelabscheidung

Tobias Schleweck (Masterarbeit) Generierung 3D-druckbarer Mikrostrukturen

Mehmet Kuru (Studienarbeit) Literatur- und Marktrecherche zur Charakterisierung von Mikroplastik und zur Mikroplastikentfernung in Waschmaschinen

Stefan Groß (Masterarbeit) Topologieoptimierung von Mikroplastik-Filtern für Waschmaschinen basierend auf CFD-Simulation

Projektbeschreibung

Die nachhaltige Sicherstellung sauberer Luft und sauberen Wassers sind von grundlegender Bedeutung für die Gesundheit und Lebensqualität von Mensch und Tier. Zur Minderung von Schadstoffemissionen werden üblicherweise Filter eingesetzt. Ziel von BiFi ist die Entwicklung von hochinnovativen intelligenten Filtern mit optimierten bionischen Strukturen, die sowohl hinsichtlich Filterwirkung als auch hinsichtlich Energieeffizienz deutlich besser sind als die auf dem Markt verfügbaren Produkte. Im Rahmen des Projekts stehen dabei als Leitanwendungen die Entfernung von Mikroplastik aus dem Abwasser von Waschmaschinen sowie die Filterung von Partikeln (z.B. Stäuben, Pollen) für Innenräume im Fokus.

Projektziele

Bionische Filterstrukturen durch neue Technik

Durch eine Kombination neuester Ansätze der Strömungssimulation zur Topologieoptimierung, rasant wachsender Rechenkapazitäten (High Performance Computing), neuer Fertigungsmöglichkeiten (Additive Fertigung) und moderner Beschichtungstechniken werden im Projekt BiFi für drei Leitanwendungen designt und hergestellt. Die maßgebenden strömungsmechanischen Prozesse sind dabei stark skalenabhängig, da feinskalige Prozesse (Anhaften von Schmutzpartikeln oder Tröpfchen auf den Feststoffstrukturen des Filters) mit makroskaligen Phänomenen (volumengemittelte Beschreibung eines kompletten Filters z.B. zur Bestimmung des Druckverlusts) in komplexer Weise interagieren.

Komplexe Intelligenz

Durch die sogenannte Adjoint Optimization können Filterstrukturen erzeugt werden, die der Optimierungsalgorithmus ohne geometrische Einschränkungen hinsichtlich vorgegebener Kostenfunktionen (z.B. „minimaler Druckverlust“, „maximaler Abscheidegrad“) optimiert, deren Gestalt damit durch äußere Einflüsse steuerbar ist und deren „Intelligenz“ darin besteht, dass sie sich in komplexer Weise an äußere Gegebenheiten adaptieren.

Neue bionische Strukturen

Dadurch werden Optima jenseits der üblicherweise mit parametrischen Optimierungen erreichbaren Ergebnisse erzielt. Die dadurch neu entstehenden bionischen Strukturen sind im Filtermaßstab dank höchstauflösender Additiver Fertigung nun erstmals herstellbar. Dabei gilt es die Medienverträglichkeit und Beschichtbarkeit der Druckmaterialien zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Die feinen Strukturen im Nanometerbereich werden mit modernen Verfahren funktionalisiert, um die grenzflächenphysikalischen Eigenschaften im Kontaktbereich Filter - Fluid gezielt einzustellen.

Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS)

Zur Verstetigung der Forschungsarbeiten aus BiFi soll das Institut für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS) an der Hochschule Heilbronn gegründet werden. Das Institut wird an der Schnittstelle von Hochschule, Kooperationspartnern und Transferpartnern angesiedelt sein und sich gemeinsam mit regionalen und überregionalen Industrieunternehmen mit angewandten Forschungsfragestellung im Bereich der porösen Medien beschäftigen, die von technischen Anwendungen (z.B. Filter, Brennstoffzelle, Katalysatoren, Papier- und Drucktechnik) über medizinische Anwendungen (z.B. Gehirntumorbehandlung, patientenspezifische Behandlung, SARC-CoV-2-Schutzmasken) hin zu Umweltanwendungen (z.B. Geothermie, CO2-Speicherung im Untergrund) reichen. Hierfür stehen dem ISAPS mehrere Hochleistungs-PCs und Prüfstände zur Verfügung, weiter besteht Zugriff auf den bwUniCluster2 als High-Performance-Infrastruktur des Landes Baden-Württemberg. Zur Analyse der additiv gefertigten Strukturen ist die Anschaffung eines höchstauflösenden µCT-Scanners in Vorbereitung. Ein jährliches Symposium, eine Seminarreihe „Poröse Strukturen“ und ein ISAPS-Workshop sollen Plattform für Austausch und Angebote für die interne und externe Weiterbildung bieten. Ein Industriebeirat, bestehend aus Vertretern von Industrie und Fachverbänden soll das Institut bezüglich seiner strategischen Ausrichtung beraten.

Ausschnitt eines formoptimierten Mikroplastikfilters für Waschmaschinenabwasser

Aktuelles

Workflow anhand einer beispielhaften Optimierung