Bionische Filter – Simulationsgestütztes Design additiv gefertigter poröser Strukturen (BiFi)
Team
Projektleitung und Strömungssimulation
Additive Fertigung
Materialauswahl und Beschichtung
Wissenschaftliche Mitarbeiter*innen
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.
Aktuelles
Januar 2024
Das Paper "Shape optimization using the adjoint solver in computational fluid dynamics for additive manufacturing of a pollen filter." wurde zur Veröffentlichung in AIP Advances akzeptiert
August 2023
An einer Einzelfaser wurde die entwickelte Mischmethode zur Formoptimierung eines Filters in der Flüssig-Flüssig Abscheidung erfolgreich umgesetzt: Druckminderung um 20% und Erhöhung der Abscheideleistung um 27%.
Juni 2023
Die Formoptimierung des Mikroplastikfilters brachte eine 8% höhere Abscheideleistung und einen 7,5% geringeren Druckverlust in einem Optimierungsschritt.
April 2023
Die Initialstruktur des Wasserabscheiders für Dieselkraftstoffe hat die ersten Optimierungsschleifen durchlaufen.
März 2023
Topologieoptimierte, additiv gefertigte und beschichtete Prototypen des Pollenfilters liegen vor.
Oktober 2022
Das Abstract mit dem Titel "Two ways to optimize the microstructure of a filter for gas-particle systems using adjoint (related) methods" wurde für die Präsentation bei der FILTECH 2023 akzeptiert.
September 2022
Das Poster "Plasma polymer coating of additive manufactured regular porous structures and in depth XPS analysis for process evaluation" von J. Henze, V. Kenfack, F. Trommer, Prof. Dr. U. Gleiter und Dr. J. Barz wurde auf der 18th International Conference on Plasma Surface Engineering vorgestellt.
Juni 2022
Das Projekt "Bionische Filter" wurde auf der Konferenz INTERPORE präsentiert
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.
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
