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.
