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

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.


Workflow Bionische Filter

SchaubildWebseite.png

BiFi-Workflow von der Strömungssimulation und Geometrieoptimierung über die additive Fertigung und Plasmabeschichtung von Filtern über den Abgleich mit Experimenten hin zum Transfer in die Praxis.

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 beantragten Projekt bionische Filterstrukturen 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.

1zylindrische Struktur.png

Zunächst wird die Durchströmung der Originalgeometrie (zylindrische Struktur) simuliert und der Ist-Wert der Aerodynamik ermittelt.

2Optimierungsschritt.png
BionischeStruktur.jpg

Im Optimierungsschritt wird das Optimierungsziel formuliert (hier: minimaler cw-Wert) und die Geometrie in Richtung Optimierungsziel in einem Morphing-Schritt deformiert. In nur 4 Schritten konnte so der cw-Wert um 8,5 % reduziert werden.

Die optimierte Geometrie sieht bionisch aus und kann dank additiver Fertigung auch hergestellt werden.

Interdisziplinäres Forscherteam

Projektleitung und Strömungssimulation

Additive Fertigung

Translation & Nutzenbewertung

Materialauswahl und Beschichtung

Das Projekt wird durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert