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

Studentische Arbeiten

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.

Aktuelles

Mai 2022

Der Waschmaschinenprüfstand für Mikroplastikfilter wurde erfolgreich in Betrieb genommen

März 2022

Das Projekt "Bionische Filter" wurde auf der Konferenz FILTECH präsentiert

Dezember 2021

Erfolgreiche Beschichtung der additiv gefertigten Filterronden ist erfolgt

Dezember 2021

Das genehmigte Conference Paper für die Filtech 2022 wird eingereicht

Oktober 2021

Der Waschmaschinenprüfstand für Tests an realen Mikrofasern wird auf den Weg gebracht

Juli 2021

Die Jako AG unterstützt die Entwicklung eines Mikroplastikfilters für Waschmaschinen und spendet Materialreste zum Testen der neuen Filter.

Juni 2021

Das Paper "Adjoint-based topology optimization of filter structures for gas-particle systems" von Natalie Jüngling und Jennifer Niessner wurde in AIP Advances veröffentlicht.

Mai 2021

Die ersten erfolgversprechenden Strukturen für additiv gefertigte Pollenfilter (BiFi-Leitanwendung 1) wurden gedruckt und liefern vielversprechende Abscheidegrade.

Mai 2021

Das Paper "Adjoint-based topology optimization of filter structures for gas-particle systems" von Natalie Jüngling und Jennifer Niessner wurde zur Veröffentlichung in AIP Advances akzeptiert.

Februar 2021

Die Geometrie einzelner Modellfasern kann gezielt in einem Schritt nach Abscheidegrad und  Druckverlust optimiert und verformt werden.

November 2020

Die Geometrie einzelner Modellfasern kann gezielt nach verschiedenen Abscheidemechanismen und dem Druckverlust optimiert und verformt werden.

Oktober 2020

Erste Versuche mit additiv gefertigten Probekörpern am Partikelprüfstand der HHN verlaufen erfolgreich.

August 2020

Inbetriebnahme des Aerosolprüfstands. Für diesen sollen im Rahmen von BiFi Prüfstandseinheiten zur Messung von Fraktionsabscheidegrad und Druckverlust von Funktionsmustern (Filterronden) und Kfz-Pollenfiltern entworfen, aufgebaut und für die Bewertung der topologieoptimierten Filter genutzt werden

Juni 2020

Am 29.6.2020 werden auf dem zweiten (virtuellen) BiFi-Projekttreffen erste Erfolge bei der Topologieoptimierung, der additiven Fertigung komplexer Strukturen und der Metallisierung von Polymeren vorgestellt

Juni 2020

Der Senat beschließt in seiner 399. Sitzung am 17.6.2020 die Gründung des Instituts für Strömung in additiv gefertigten porösen Strukturen (ISAPS)

Mai 2020

Die ersten Materialproben wurden an der HHN gedruckt und werden ans Fraunhofer IGB für Beschichtungstests versandt.

April 2020

Für Leitanwendung 1 (Innenraumfilter) wurde per CFD-Simulation der Beitrag verschiedener Abscheidemechanismen ermittelt

März 2020

Projektstart: am 1.3.2020 fällt der Startschuss für BiFi.      Das erste Projekttreffen muss infolge der Corona-Pandemie virtuell stattfinden.

Januar 2020

Kick-Off-Veranstaltung von BiFi an der HHN mit allen allen Projektbeteiligten.

Dezember 2019

Vorstellung von BiFi auf der Sitzung der Synergiegemeinschaft Luftreinhaltung des Landes Baden-Württemberg (ClustAir BW)

November 2019

Pressemitteilung zum Projektstart von BiFi

Workflow anhand einer beispielhaften Optimierung

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.

Bifi Workflow

Zunächst wird die Durchströmung einer Originalgeometrie (in diesem Beispiel: zylindrische Struktur) simuliert und der Ist-Wert der Aerodynamik ermittelt.

Im Optimierungsschritt wird das Optimierungsziel formuliert (hier beispielhaft: 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.

Das Projekt wird durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert

Logo des Audits familiengerechte Hochschule. Die HHN ist seit 2005 zertifiziert.
Logo der weltoffenen Hochschulen gegen Fremdenfeindlichkeit
Logo der Charta der Vielfalt mit Stempel unterzeichnet
Logo der Hochschulföderation Süd-West (HfSW)