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Konzeptualisierung eines Laufschuhs aus einem Metamaterial. KI-generiert mit DALL-E (Visualisierung: ETH Zürich) Konzeptualisierung eines Laufschuhs aus einem Metamaterial. KI-generiert mit DALL-E (Visualisierung: ETH Zürich)
18.12.2023

KI für sicherere Fahrradhelme und bessere Schuhsohlen

Forschende haben eine künstliche Intelligenz so trainiert, dass sie die Struktur sogenannter Metamaterialien mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungsfälle entwerfen kann.

Forschende haben eine künstliche Intelligenz so trainiert, dass sie die Struktur sogenannter Metamaterialien mit den gewünschten mechanischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungsfälle entwerfen kann.

  • ETH-Forschende haben mit Hilfe von künstlicher Intelligenz Metamaterialien entworfen, die ungewöhnliche oder außerordentliche Reaktionen auf komplexe Belastungen zeigen.
  • Ihr neues KI-Tool entschlüsselt die wesentlichen Merkmale der Mikrostruktur eines Metamaterials und sagt sein Verformungsverhalten präzise voraus.
  • Das Tool findet nicht nur optimale Mikrostrukturen, sondern umgeht auch zeitaufwändige technische Simulationen.

Fahrradhelme, die die Energie eines Aufpralls absorbieren, Laufschuhe, die jedem Schritt einen zusätzlichen Schub geben, oder Implantate, die die Eigenschaften von Knochen imitieren. Metamaterialien machen solche Anwendungen möglich. Ihre innere Struktur ist das Ergebnis eines sorgfältigen Designprozesses, wonach 3D-Drucker die generierten Strukturen mit optimierten Eigenschaften herstellen können. Forschende unter der Leitung von Dennis Kochmann, Professor für Mechanik und Materialforschung am Departement für Maschinenbau und Verfahrungstechnik der ETH Zürich, haben neuartige KI-Tools entwickelt. Diese umgehen den zeitaufwändigen und auf Intuition basierenden Designprozess von Metamaterialien und sagen stattdessen Strukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften schnell und automatisiert vorher. Ein Novum ist, dass diese Tools auch für große (sogenannte nichtlineare) Belastungen anwendbar sind, zum Beispiel wenn ein Helm bei einem Aufprall große Kräfte absorbiert.

Kochmanns Team gehört zu den Pionieren bei der Entwicklung kleiner zellulärer Strukturen (vergleichbar mit dem Gebälk in Fachwerkhäusern), um Metamaterialien mit besonderen Eigenschaften zu erschaffen. «Wir entwerfen zum Beispiel Metamaterialien, die sich wie Flüssigkeiten verhalten: schwer zu komprimieren, aber leicht zu verformen. Oder Metamaterialien, die in alle Richtungen schrumpfen, wenn sie in einer Richtung komprimiert werden», erklärt Kochmann.

Effiziente, optimale Materialgestaltung
Die Gestaltungsmöglichkeiten scheinen endlos. Das volle Potenzial von Metamaterialien hat die Wissenschaft allerdings noch lange nicht ausgeschöpft, da der Designprozess oft auf Erfahrung und Trial- and-Error beruht. Zudem können kleine Anpassungen in der Struktur zu großen Veränderungen der Eigenschaften führen.

In ihrer jüngsten Arbeit erkundeten die ETH-Forschenden mithilfe von KI systematisch die zahlreichen Designs und mechanischen Eigenschaften von zwei Metamaterialarten. Ihre Berechnungstools können auf Knopfdruck optimale Strukturen für gewünschte Verformungen vorhersagen. Hierzu verwendeten die Forschenden große Datensätze des Verformungsverhaltens realer Strukturen. Mit diesen trainierten sie ein KI-Modell, das die Daten nicht nur reproduziert, sondern auch neue Strukturen generieren und optimieren kann. Durch den Einsatz einer Methode, die als «Variational Autoencoder» bekannt ist, lernt die KI die wesentlichen Merkmale einer Struktur aus der großen Menge an Designparametern und wie sie zu bestimmten Eigenschaften führen. Sie nutzt anschließend dieses Wissen, um einen Metamaterial-Entwurf zu erstellen, sobald die Forschenden die gewünschten Eigenschaften und Anforderungen angeben.

Bausteine zusammensetzen
Li Zheng, eine Doktorandin in Kochmanns Gruppe, trainierte ein KI-Modell auf Basis eines Datensatzes von einer Million Strukturen und ihrer simulierten Verformung. «Stellen Sie sich eine riesige Kiste mit Legosteinen vor – man kann sie auf unzählige Arten anordnen und lernt mit der Zeit Designprinzipien. Ähnlich geht unsere KI vor, allerdings wesentlich effizienter. Sie setzt die Bausteine von Metamaterialien zusammen, um ihnen eine bestimmte Weichheit oder Härte zu verleihen», sagt Zheng. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, bei denen Forschende einen Katalog von Bausteinen als Grundlage für das Design verwendeten, können sie mit der neuen KI-Methode Bausteine fast beliebig hinzufügen, entfernen oder verschieben. Zusammen mit Sid Kumar, Assistenzprofessor an der TU Delft und ehemaliges Mitglied von Kochmanns Team, zeigten sie in einer kürzlich veröffentlichten Studie, dass das KI-Modell über das hinausgehen kann, wofür es trainiert wurde, und Strukturen vorhersagen kann, die leistungsfähiger sind als alles bisher Generierte.

Von Videos lernen
Jan-Hendrik Bastek, der ebenfalls Doktorand in Kochmanns Gruppe ist, verfolgte einen anderen Ansatz, um ähnliches zu erreichen. Er verwendete eine Methode, die Videodiffusion heißt und auch bei der KI-basierten Videogenerierung benutzt wird: Tippt man «ein Elefant fliegt über Zürich» ein, generiert die KI ein realistisches Video des Tieres, das über der Fraumünsterkirche kreist. Bastek trainierte sein KI-System mit 50’000 Videosequenzen von sich verformenden 3D-druckbaren Metamaterial-Strukturen. «Ich kann der KI die gewünschte Verformung vorgeben und sie produziert ein Video der optimalen Materialstruktur sowie deren vollständige Verformungsreaktion», erklärt Bastek. Bisherige Ansätze haben sich meist darauf beschränkt, ein einziges Bild der optimalen Struktur vorherzusagen. Durch die Nutzung von Videos des gesamten Verformungsprozesses, erhöht sich die Genauigkeit deutlich in solch komplexen Szenarien.

Große Vorteile für Fahrradhelme und Schuhsohlen
Die ETH-Wissenschaftler:innen haben ihre KI-Tools Forschenden auf dem Gebiet der Metamaterialien frei zur Verfügung gestellt. Somit werden sie hoffentlich zum Entwurf vieler neuer und ungewöhnlicher Materialien führen. Die Tools eröffnen neue Wege für die Entwicklung von Schutzausrüstungen wie Fahrradhelmen und für weitere Anwendungen von Metamaterialien von der Medizintechnik bis hin zu weichen Robotern. Sogar Schuhsohlen können so gestaltet werden, dass sie beim Laufen Stöße besser absorbieren oder beim Auftreten einen Schub nach vorne geben. Wird die KI die manuelle Entwicklung von Materialien vollständig ersetzen? «Nein», lacht Kochmann. «Gut eingesetzt kann KI ein hocheffizienter und fleißiger Helfer sein, aber man muss ihr die richtigen Anweisungen geben und sie richtig trainieren – und das erfordert wissenschaftliche Grundlagen und ingenieurwissenschaftliches Knowhow.»

Quelle:

ETH Zürich

Die Plasma-Atmosphäre wird im Reaktor durch das charakteristische Leuchten und das Entladen von Blitzen deutlich sichtbar. © Fraunhofer IGB Die Plasma-Atmosphäre wird im Reaktor durch das charakteristische Leuchten und das Entladen von Blitzen deutlich sichtbar.
16.05.2023

Abwasserreinigung: Plasma gegen toxische PFAS-Chemikalien

Die gesundheitsschädlichen Chemikalien PFAS sind mittlerweile in vielen Böden und Gewässern nachweisbar. Die Beseitigung mit herkömmlichen Filtertechniken ist sehr aufwendig und kaum realisierbar. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB setzen im Verbundprojekt AtWaPlas erfolgreich auf eine plasmabasierte Technologie. Kontaminiertes Wasser wird in einen kombinierten Glas- und Edelstahlzylinder eingeleitet und dort mit ionisiertem Gas – dem Plasma – behandelt. Das reduziert die Molekülketten von PFAS und ermöglicht so eine kostengünstige Beseitigung der toxischen Substanz.

Die gesundheitsschädlichen Chemikalien PFAS sind mittlerweile in vielen Böden und Gewässern nachweisbar. Die Beseitigung mit herkömmlichen Filtertechniken ist sehr aufwendig und kaum realisierbar. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB setzen im Verbundprojekt AtWaPlas erfolgreich auf eine plasmabasierte Technologie. Kontaminiertes Wasser wird in einen kombinierten Glas- und Edelstahlzylinder eingeleitet und dort mit ionisiertem Gas – dem Plasma – behandelt. Das reduziert die Molekülketten von PFAS und ermöglicht so eine kostengünstige Beseitigung der toxischen Substanz.

Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen, kurz: PFAS (engl.: per- and polyfluoroalkyl substances), haben viele Talente. Sie sind thermisch und chemisch stabil, dabei wasser-, fett- und schmutzabweisend. Dementsprechend findet man sie in vielen alltäglichen Produkten: Pizzakartons und Backpapier sind damit beschichtet, auch Shampoos und Cremes enthalten PFAS. In der Industrie finden sie Verwendung als Lösch- und Netzmittel. In der Landwirtschaft werden sie in Pflanzenschutzmitteln verwendet. Mittlerweile lassen sich Spuren von PFAS auch da nachweisen, wo sie nicht hingehören: im Boden, in Flüssen und im Grundwasser, in Lebensmitteln und im Trinkwasser. So gelangen die schädlichen Stoffe am Ende auch in den menschlichen Körper. Wegen ihrer chemischen Stabilität ist die Beseitigung dieser auch als »Ewigkeitschemikalien« bezeichneten Substanzen bisher mit vertretbarem Aufwand kaum möglich.

Das Verbundprojekt AtWaPlas soll das ändern. Das Akronym steht für Atmosphären-Wasserplasma-Behandlung. Das innovative Projekt wird derzeit am Fraunhofer IGB in Stuttgart gemeinsam mit dem Industriepartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen vorangetrieben. Ziel ist die Aufbereitung und Rückgewinnung PFAS-belasteter Wässer mittels Plasma-Behandlung.
Das Forschenden-Team um Dr. Georg Umlauf, Experte für funktionale Oberflächen und Materialien, macht sich dabei die Fähigkeit von Plasma zu Nutze, die Molekülketten von Substanzen anzugreifen. Erzeugt wird das elektrisch leitfähige Gas aus Elektronen und Ionen durch Anlegen von Hochspannung. »In unseren Versuchen mit Plasma ist es gelungen, die Molekülketten von PFAS im Wasser zu verkürzen. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer effizienten Beseitigung dieser hartnäckigen Schadstoffe«, freut sich Umlauf.

Wasserkreislauf im Edelstahlzylinder
Für das Verfahren nutzen die Fraunhofer-Forschenden einen zylinderförmigen Aufbau. Im Inneren befindet sich ein Edelstahlrohr und dieses dient als Masse-Elektrode des Stromkreises. Ein äußeres Kupfernetz fungiert als Hochspannungselektrode und wird zur Innenseite hin durch ein Dielektrikum aus Glas abgeschirmt. Dazwischen bleibt ein winziger Spalt, der mit einem Luft-Gemisch gefüllt ist. Durch Anlegen von mehreren Kilovolt Spannung verwandelt sich dieses Luft-Gemisch in Plasma. Für das menschliche Auge wird es durch das charakteristische Leuchten und das Entladen in Form von Blitzen sichtbar.

Im Reinigungsprozess wird das mit PFAS kontaminierte Wasser am Boden des Stahltanks eingeleitet und nach oben gepumpt. Im Spalt zwischen den Elektroden fließt es nach unten und durchquert dabei die elektrisch aktive Plasma-Atmosphäre. Beim Entladen bricht das Plasma die PFAS-Molekülketten auf und verkürzt sie. Das Wasser wird in einem geschlossenen Kreislauf immer wieder durch den stählernen Reaktor und die Plasma-Entladezone im Spalt gepumpt, jedes Mal werden die PFAS-Molekülketten weiter reduziert bis zu einer vollständigen Mineralisierung. »Im Idealfall werden die schädlichen PFAS-Stoffe so gründlich beseitigt, dass sie in massenspektrometischen Messungen nicht mehr nachweisbar sind. Damit werden auch die strengen Regularien der Trinkwasserverordnung in Bezug auf die PFAS-Konzentration erfüllt«, sagt Umlauf.

Gegenüber herkömmlichen Methoden wie beispielsweise der Filterung mit Aktivkohle weist die am Fraunhofer IGB entwickelte Technologie einen entscheidenden Vorteil auf: »Aktivkohlefilter können die schädlichen Stoffe zwar binden, sie aber nicht beseitigen. Somit müssen die Filter regelmäßig ausgetauscht und entsorgt werden. Die AtWaPlas-Technologie dagegen kann die schädlichen Substanzen rückstandsfrei eliminieren und arbeitet dabei sehr effizient und wartungsarm«, erläutert Fraunhofer-Experte Umlauf.

Echte Wasserproben statt synthetischer Laborprobe
Um echte Praxisnähe zu gewährleisten, testen die Fraunhofer-Forschenden die Plasma-Reinigung gewissermaßen unter erschwerten Bedingungen. Konventionelle Testverfahren arbeiten mit perfekt sauberem Wasser und im Labor synthetisch angerührten PFAS-Lösungen. Das Forschenden-Team in Stuttgart dagegen verwendet echte Wasserproben, die aus PFAS-kontaminierten Gebieten stammen. Die Proben werden vom Projektpartner HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR aus Aachen zugeliefert. Das Unternehmen hat sich auf Altlastensanierung spezialisiert und führt daneben hydrodynamische Simulationen durch.

Die realen Wasserproben, mit denen Umlauf und sein Team arbeiten, enthalten daher neben PFAS auch weitere Partikel, Schwebstoffe und organische Trübungen. »Auf diese Weise stellen wir sicher, dass AtWaPlas seinen Reinigungseffekt nicht nur mit synthetischen Laborproben, sondern auch unter realen Bedingungen mit wechselnden Wasserqualitäten unter Beweis stellt. Zugleich können wir die Prozessparameter laufend anpassen und weiterentwickeln«, erklärt Umlauf.

Die Plasma-Methode lässt sich auch für den Abbau anderer schädlicher Substanzen einsetzen. Darunter fallen etwa Rückstände von Medikamenten im Abwasser, Pestizide und Herbizide, aber auch Industriechemikalien wie Cyanide. Daneben kommt AtWaPlas auch für die umweltschonende und kostengünstige Aufbereitung von Trinkwasser in mobilen Anwendungen infrage.

Das Verbundprojekt AtWaPlas startete im JuIi 2021. Nach den erfolgreichen Versuchsreihen im Technikums-Maßstab mit einem 5-Liter-Reaktor arbeitet das Fraunhofer-Team gemeinsam mit dem Verbundpartner daran, das Verfahren weiter zu optimieren. Georg Umlauf sagt: »Unser Ziel ist es jetzt, toxische PFAS durch verlängerte Prozesszeiten und mehr Umläufe im Tank vollständig zu eliminieren und die AtWaPlas-Technologie auch für die praktische Anwendung im größeren Maßstab verfügbar zu machen.« Zukünftig könnten entsprechende Anlagen auch als eigenständige Reinigungsstufe in Klärwerken aufgestellt werden oder in transportablen Containern auf kontaminierten Freilandflächen zum Einsatz kommen.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Foto Freudenberg Performance Materials
10.01.2023

Fraunhofer: Optimierte Produktion von Vliesstoffmasken

Die Produktion von Infektionsschutzkleidung ist material- und energieintensiv. Fraunhofer-Forschende haben nun eine Technologie entwickelt, die bei der Produktion von Vliesstoffen hilft, Material und Energie zu sparen. Auf Basis einer mathematischen Modellierung steuert ein Digitaler Zwilling wesentliche Prozessparameter der Herstellung. Neben der Verbesserung der Maskenherstellung eignet sich die Lösung ProQuIV auch dazu, die Produktionsparameter für andere Anwendungen der vielseitig einsetzbaren technischen Textilien zu optimieren. Die Hersteller können so flexibel auf Kundenwünsche und Marktveränderungen reagieren.

Die Produktion von Infektionsschutzkleidung ist material- und energieintensiv. Fraunhofer-Forschende haben nun eine Technologie entwickelt, die bei der Produktion von Vliesstoffen hilft, Material und Energie zu sparen. Auf Basis einer mathematischen Modellierung steuert ein Digitaler Zwilling wesentliche Prozessparameter der Herstellung. Neben der Verbesserung der Maskenherstellung eignet sich die Lösung ProQuIV auch dazu, die Produktionsparameter für andere Anwendungen der vielseitig einsetzbaren technischen Textilien zu optimieren. Die Hersteller können so flexibel auf Kundenwünsche und Marktveränderungen reagieren.

Infektionsschutzmasken aus Vlies sind nicht erst seit der Corona-Pandemie millionenfach verbreitet und gelten als simpler Massenartikel. Doch ihre Herstellung stellt hohe Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit des Produktionsprozesses. Der Vliesstoff in der Maske muss bei der FFP-2-Maske nach DIN mindestens 94 Prozent, bei der FFP-3-Variante sogar 99 Prozent der Aerosole herausfiltern. Gleichzeitig muss die Maske ausreichend Luft durchlassen, damit der Mensch noch gut atmen kann. Viele Hersteller suchen nach Wegen, die Herstellung zu optimieren. Außerdem soll die Produktion flexibler werden, so dass Unternehmen in der Lage sind, die vielseitig verwendbaren Vliesstoffe für ganz unterschiedliche Anwendungen und Branchen zu bearbeiten und zu liefern.

Nun hat das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mit ProQuIV eine Lösung vorgestellt, die beides leistet. Das Kürzel ProQuIV steht für »Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen«. Die Grundidee: Prozessparameter der Herstellung werden bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Gleichmäßigkeit des Vliesstoffs charakterisiert und diese wiederum mit Eigenschaften des Endprodukts, beispielsweise einer Schutzmaske, in Verbindung gesetzt. Diese Modellkette verknüpft alle relevanten Parameter mit einer Bildanalyse und bildet einen Digitalen Zwilling der Produktion. Mit dessen Hilfe lässt sich die Vliesstoffherstellung in Echtzeit überwachen, automatisch steuern und somit das Optimierungspotenzial nutzen.

Dr. Ralf Kirsch aus der Abteilung Strömungs- und Materialsimulation und Teamleiter Filtration und Separation erklärt: »Mit ProQuIV benötigen die Hersteller insgesamt weniger Material und sparen Energie. Dabei ist die Qualität des Endprodukts jederzeit gewährleistet.«

Vliesherstellung mit Hitze und Luftströmung
Vliesstoffe für Filtrationsanwendungen werden im sogenannten Meltblown-Prozess hergestellt. Dabei werden Kunststoffe wie Polypropylen geschmolzen, durch Düsen getrieben und kommen in Form von Fäden heraus, den sogenannten Filamenten. Diese werden auf zwei Seiten von Luftströmen erfasst, die sie mit annähernder Schallgeschwindigkeit nach vorne treiben und gleichzeitig verwirbeln, bevor sie auf ein Auffangband fallen. So werden die Fäden nochmals dünner. Die Dicke der Filamente liegt im Mikrometer- oder sogar Sub-Mikrometer-Bereich. Durch Abkühlung und Zugabe von Bindestoffen bildet sich der Vliesstoff. Je besser Temperatur, Luft- und Bandgeschwindigkeit aufeinander abgestimmt sind, desto gleichmäßiger sind am Ende die Fasern verteilt und desto homogener erscheint das Material dann bei der Prüfung im Durchlichtmikroskop. Hier lassen sich hellere und dunklere Stellen ausmachen. Fachleute sprechen von Wolkigkeit. Das Fraunhofer-Team hat eine Methode entwickelt, um einen Wolkigkeits-Index anhand von Bilddaten zu messen. Die hellen Stellen besitzen einen niedrigen Faservolumenanteil, sind also nicht so dicht und weisen eine niedrigere Filtrationsrate auf. Dunklere Stellen haben ein höheres Faservolumen und daher eine höhere Filtrationsrate. Andererseits führt der in diesen Bereichen erhöhte Luftwiderstand dazu, dass sie einen geringeren Anteil der Atemluft filtern. Der größere Anteil strömt durch die offeneren Bereiche, die eine geringere Filterwirkung haben.

Produktionsprozess mit Echtzeit-Steuerung
Die Durchlichtaufnahmen aus dem Mikroskop dienen bei ProQuIV für die Kalibrierung der Modelle vor dem Einsatz. Die Expertinnen und Experten analysieren den Ist-Zustand der Textilprobe und ziehen daraus Rückschlüsse, wie die Anlage optimiert werden kann. So könnten sie beispielsweise die Temperatur erhöhen, die Bandgeschwindigkeit senken oder die Stärke der Luftströme anpassen. »Ein wesentliches Ziel unseres Forschungsprojekts war, zentrale Parameter wie Filtrationsrate, Strömungswiderstand und Wolkigkeit eines Materials miteinander zu verknüpfen und darauf basierend eine Methode zu generieren, die alle Variablen im Produktionsprozess mathematisch modelliert«, sagt Kirsch. Der Digitale Zwilling überwacht und steuert die laufende Produktion in Echtzeit. Kleine Abweichungen der Anlage, wie etwa eine zu hohe Temperatur, werden in Sekunden automatisch korrigiert.

Schnelle und effiziente Herstellung
»Es ist dann nicht notwendig, die Produktion zu unterbrechen, Materialproben zu nehmen und die Maschinen neu einzustellen. Wenn die Modelle kalibriert sind, kann sich der Hersteller darauf verlassen, dass der Vliesstoff, der vom Band läuft, die Spezifikationen und Qualitätsnormen einhält«, erklärt Kirsch. Mit ProQuIV wird die Produktion deutlich effizienter. Es gibt weniger Ausschuss beim Material, und der Energieverbrauch sinkt ebenfalls. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Hersteller schnell neue Produkte auf Vliesbasis entwickeln können. Dazu müssen lediglich die Zielvorgaben in der Modellierung geändert und die Parameter angepasst werden. So können produzierende Unternehmen flexibel auf Kundenwünsche oder Markttrends reagieren.

Was logisch klingt, ist in der Entwicklung komplex. Die Werte für Filtrationsleistung und Strömungswiderstand steigen nämlich keineswegs linear an und verhalten sich auch nicht proportional zum Faservolumenanteil. Eine doppelt so hohe Filament-Dichte bedeutet also nicht, dass auch Filtrationsleistung und Strömungswiderstand doppelt so hoch sind. Das Verhältnis zwischen den Parametern ist wesentlich komplexer. »Genau deshalb ist die mathematische Modellierung so wichtig. Sie hilft uns, das komplexe Verhältnis zwischen den einzelnen Prozessparametern zu verstehen«, sagt Fraunhofer-ITWM-Forscher Kirsch. Dabei kommt den Forschenden ihre langjährige Expertise bei Simulation und Modellierung zugute.

Weitere Anwendungen sind möglich
Der nächste Schritt besteht für das Fraunhofer-Team darin, den Atemwiderstand der Vliesstoffe für den Menschen bei gleicher Schutzwirkung zu reduzieren. Möglich wird dies durch die elektrische Aufladung der Fasern. Das Prinzip erinnert an die Arbeitsweise eines Staubwedels. Durch die elektrische Ladung zieht das Textilgewebe winzigste Partikel an, die andernfalls durch die Poren schlüpfen könnten. Die Stärke der elektrostatischen Ladung wird hierfür als Parameter in die Modellierung integriert.

Die Fraunhofer-Forschenden beschränken sich bei der Anwendung der Methode keineswegs nur auf Masken und Luftfilter. Ihre Technologie lässt sich ganz allgemein in der Produktion von Vliesstoffen einsetzen, beispielsweise auch bei Stoffen für die Filtration von Flüssigkeiten. Auch die Herstellung von schalldämmenden Vliesstoffen lässt sich mit ProQuIV-Methoden optimieren.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

© ITM/TUD - Biomimetische Fischflosse mit dielektrischen Elastomeraktoren und Faserverstärkung.
08.11.2022

Förderung für Faser-Elastomer-Verbunde: Intelligente Materialien für Robotik und Prothesen

  • Erfolgreiche Bewilligung der 2. Förderperiode des DFG-Graduiertenkollegs 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“

Dresdner Forschende wollen eine völlig neue Werkstoffklasse entwickeln, bei der Aktoren und Sensoren in flexible Faserverbundwerkstoffe integriert werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligte dazu die 2. Phase des Graduiertenkollegs 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ an der TU Dresden in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden. Sprecher ist Professor Chokri Cherif vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden. In den nächsten 4,5 Jahren werden neben Sach- und Projektmittel insgesamt 22 Doktorandinnen und Doktoranden in 11 interdisziplinären Teilprojekten gefördert.

  • Erfolgreiche Bewilligung der 2. Förderperiode des DFG-Graduiertenkollegs 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“

Dresdner Forschende wollen eine völlig neue Werkstoffklasse entwickeln, bei der Aktoren und Sensoren in flexible Faserverbundwerkstoffe integriert werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligte dazu die 2. Phase des Graduiertenkollegs 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ an der TU Dresden in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden. Sprecher ist Professor Chokri Cherif vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden. In den nächsten 4,5 Jahren werden neben Sach- und Projektmittel insgesamt 22 Doktorandinnen und Doktoranden in 11 interdisziplinären Teilprojekten gefördert.

Ziel ist die simulationsgestützte Entwicklung intelligenter Werkstoffkombinationen für autarke Faserverbundwerkstoffe. Dabei werden Aktoren und Sensoren in die Strukturen integriert und müssen nicht mehr wie bisher nachträglich platziert werden. In der ersten Förderphase wurden hierfür wichtige Grundsteine gelegt, um große zweidimensionale Verformungen in weichen, biomimetischen Strukturen zu erzielen. Die weitere Förderung durch die DFG ist eine Bestätigung für die herausragenden bisherigen Ergebnisse. Darauf aufbauend stehen in der zweiten Förderphase ionische und helixförmige Aktor-Sensor-Konzepte im Fokus. Durch die Kombination mit intelligenten Auslegungs- und Regelungsalgorithmen werden autarke, sich dreidimensional verformende Materialsysteme entstehen. So werden diese Systeme robuster, komplexe Vorformungsmuster lassen sich an der gewünschten Stelle maßgeschneidert einstellen – und zwar reversibel und berührungslos.

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund der hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten sowie der Möglichkeit zur maßgeschneiderten Einstellung dieser Eigenschaften immer stärker in bewegten Komponenten eingesetzt. Durch die Integration adaptiver Funktionalitäten in derartige Werkstoffe, entfällt die Notwendigkeit einer nachträglichen Aktorplatzierung und die Robustheit des Systems wird signifikant verbessert. Besonders vielversprechend sind dabei Aktoren und Sensoren auf textiler Basis, wie sie am ITM erforscht und entwickelt werden, da diese direkt im Fertigungsprozess in die Faserverbundwerkstoffe integriert werden können.

Mit ihren innovativen Eigenschaften sind interaktive Faser-Elastomer-Verbunde für zahlreiche Anwendungsfelder im Maschinen- und Fahrzeugbau, in der Robotik, Architektur, Orthetik und Prothetik prädestiniert: Beispiele sind Systeme für präzise Greif- und Transportvorgänge (z.B. bei Handprothesen, Verschlüssen und verformbaren Membranen) und Bauteile (z.B. Trimmklappen für Land- und Wasserfahrzeuge).

Quelle:

TU Dresden: Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM)

14.12.2021

Förderprojekt Rohstoffklassifizierung recycelter Fasern

Schon seit Jahrhunderten werden aus Alttextilien Reißfasern hergestellt und zu neuen textilen Produkten verarbeitet. Dieses effektive Recycling ist einer der ältesten Materialkreisläufe der Welt. Heute geht es nicht nur um Bekleidung, sondern auch um hochwertige technische Textilien. So wie sich die Produkte der Textilindustrie weiterentwickeln, steigen auch die Anforderungen an das Textilrecycling. Grundlage dafür sind eine klare Beurteilung und Klassifizierung der Rohstoffe.

Schon seit Jahrhunderten werden aus Alttextilien Reißfasern hergestellt und zu neuen textilen Produkten verarbeitet. Dieses effektive Recycling ist einer der ältesten Materialkreisläufe der Welt. Heute geht es nicht nur um Bekleidung, sondern auch um hochwertige technische Textilien. So wie sich die Produkte der Textilindustrie weiterentwickeln, steigen auch die Anforderungen an das Textilrecycling. Grundlage dafür sind eine klare Beurteilung und Klassifizierung der Rohstoffe.

Im Forschungsprojekt der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) und dem Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) wird eine Methodik entwickelt, die es ermöglicht, den Reiß als auch die nachfolgenden Prozesse in Bezug auf die Faserqualität zu analysieren. Durch die systematische Analyse soll es gelingen, die nachfolgenden Spinnprozesse so zu optimieren, dass der Recyclinganteil im Garn erhöht werden kann, ohne, dass sich die Garneigenschaften gegenüber einem aus 100% Gutfasern bestehenden Garn wesentlich unterscheiden. Diese Garne können anschließend zu nachhaltigen textilen Produkten wie zum Beispiel Kleidung oder Verbundbauteile verarbeitet werden.

Das vom BMWi/IGF geförderte Projekt hat eine Laufzeit von zwei Jahren und endet am 31.12.2022. Der Nutzen für die teilnehmenden Unternehmen liegt insbesondere darin, ihnen den verstärkten Einsatz von Sekundärrohstoffen zu ermöglichen, neue Märkte durch im Projekt entwickelte Technologien oder Produkte zu erschließen, Synergien und langfristige Kooperationen anzubahnen sowie einen gemeinsamen Marktauftritt vorzubereiten.

Das Projekt umfasst verschiedene Arbeitsschritte:

  • Materialauswahl und Beschaffung
    Zu verarbeitende Baumwollfasern werden aus Alttextilien (T-Shirts) und Abfällen aus der Baumwollspinnerei gewonnen. Die Aramidfasern werden aus gebrauchter Schutzbekleidung und technischen Textilien aufbereitet.
  • Optimierung der Aufbereitung / Auflösung der Textilien
    Damit die Fasern aus den entsprechenden Textilien möglichst schonend und mit einer nicht zu hohen Einkürzung herausgelöst werden, sind exakte Einstellungen beim Reißprozess zu finden, welche technologisch sehr anspruchsvoll sind und viel Erfahrung voraussetzen.
  • Ermittlung der Qualitätskriterien zur Beurteilung der Faserauflösung
    Um die Qualitätskriterien zu definieren werden die aus der Reißerei kommenden Fasern mittels MDTA-4 Messgerät der Textechno GmbH & Co. KG ermittelt. Mit den ermittelten Kriterien soll die (möglichst geringe) Fasereinkürzung durch den Reißprozess charakterisiert werden.
  • Ermittlung optimierter Einstellungen beim Spinnprozess
    Um die optimalen Einstellungen zur Erzeugung eines Garnes aus den Recyclingfasern zu ermitteln, werden diese nach dem Rotorspinnprozess ersponnen. Durch Anpassung des Spinnprozesses soll ein Garn hergestellt werden, das eine gute Gleichmäßigkeit und auch eine entsprechende Festigkeit aufweist.
  • Herstellung und Vergleich von Garnen aus recycelten Rohstoffen
    Damit aus den Recyclingfasern - bestehend aus Aramid und Baumwolle - jeweils ein Flächengebilde hergestellt werden kann, soll das Material im industriellen Maßstab verarbeitet werden. Dazu werden die Fasern über eine komplette Putzereilinie mit anschließender Bandherstellung über angepasste Karden verarbeitet. Nach dem Verstrecken und der anschließenden Vorgarnherstellung werden Garne nach dem Rotor- bzw. nach dem Ringspinnverfahren hergestellt. Mit den fertiggestellten Garnen werden Gestricke produziert.
  • Koordination, Analyse der Ergebnisse und Erstellung der Berichte
    Die Erstellung des Abschlussberichtes erfolgt durch die DITF und das STFI. Ein Ergebnistransfer erfolgt durch Veröffentlichungen, Fachinformationen an Verbände und Messeauftritte. Begleitend sind regelmäßige Sitzungen mit den beteiligten Firmen geplant.

Textination sprach mit Stephan Baz, dem Stv. Leiter Kompetenzzentrum Stapelfaser, Weberei & Simulation Leitung Stapelfasertechnologie und Markus Baumann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Kompetenzzentrum Stapelfaser, Weberei & Simulation (beide DITF) sowie Bernd Gulich, Abteilungsleiter Vliesstoffe/Recycling und Johannes Leis, wissenschaftlicher Mitarbeiter Schwerpunkt Vliesstoffe/Recycling (beide STFI) über den aktuellen Stand des Förderprojektes.

Wie ist der aktuelle Stand des Projekts?
Aktuell befinden wir uns in der Phase der Versuchsdurchführungen und der iterativen Optimierung gleich mehrerer Projektbausteine. Erwartungsgemäß sind für die mechanische Aufbereitung selbst und auch die Einstellung des Spinnprozesses mit den verschiedenen Varianten mehrere Schleifen notwendig. Letztendlich zielt das Projekt ja darauf ab, die Prozesse der mechanischen Aufbereitung und der Spinnerei als Verarbeitung aufeinander abzustimmen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Gleichzeitig ist die Ermittlung der Qualitätskriterien der erzeugten Fasern nicht trivial. Hierfür braucht es zudem die Weiterentwicklung von Prozessen und Prüfmethoden, welche in der Industrie produktiv umsetzbar sind und welche eine Beurteilung der Qualität der erzeugten Fasern tatsächlich und unbeeinflusst von z.B. Restgarnen ermöglichen. Wirklich bemerkenswert ist das Interesse und die Bereitschaft der Industrie die Projektarbeit voranzutreiben. Die in beträchtlichem Umfang benötigten Mengen an Materialien für unsere Versuche haben wir von der ReSales Textilhandel und -recycling GmbH, von der Altex Textil-Recycling GmbH & Co. KG und der Gebrüder Otto GmbH & Co. KG erhalten. Des Weiteren sind mit der Temafa Maschinenfabrik GmbH, Nomaco GmbH & Co. KG, Schill + Seilacher GmbH, Spinnerei Neuhof GmbH & Co. KG und Maschinenfabrik Rieter AG viele Mitglieder des projektbegleitenden Ausschusses von der Beratung bis hin zu der Bereitstellung von Technologien aktiv in das Projekt involviert. Die Firma Textechno Herbert Stein GmbH & Co. KG hat für die Dauer des Projektes ein Prüfgerät des Typ MDTA4 zur Verfügung gestellt und unterstützt unserer Arbeit in Bezug auf die Beurteilung der mechanisch aufbereiteten Fasern. Hierüber sind wir natürlich besonders froh, denn so konnten wir sowohl in der mechanischen Aufbereitung, der Prüfung als auch der Spinnerei mehrere Technologien betrachten und analysieren. Wir erwarten, zu Beginn des kommenden Jahres detailliertere Aussagen treffen zu können.

Welche Ansätze halten Sie für besonders vielversprechend?
Bezogen auf Technologien müssen wir auf die Auswertung und Analyse der Versuchsdurchführungen verweisen, welche derzeit noch andauern. Im ersten Quartal des nächsten Jahres werden wir hierzu mehr ins Detail gehen können.

Es zeichnen sich natürlich schon Dinge ab. Bei den meta-Aramid-Abfällen ließen sich sehr schnell vielversprechende Ansätze finden, bei der Post-Consumer-Baumwolle ist dies deutlich komplexer. Offensichtlich ist die Verbindung zwischen Qualität des Ausgangsmaterials und der Qualität der Erzeugnisse. Wir haben in den beschafften Waren teilweise bereits sehr niedrige mittlere Faserlängen feststellen können, diese spiegeln sich zu einem gewissen Grad natürlich direkt im Output unserer Prozesse wider. Daraus leitet sich, das ist keine neue Erkenntnis, erneut eine große Bedeutung des Designs der Textilien ab.

Worin liegen die Herausforderungen?
Neben dem zu erwartenden hohen Kurzfaseranteil sind die Restgarne nach dem Reißprozess ein Thema mit besonderem Fokus. Zwischen den Materialien und Aufbereitungstechnologien kann der Anteil dieser Restgarne variieren, aber die weitere Auflösung der Produkte des Reißprozesses ist essenziell.
Werden die Prozesse in einer Nutzungsphase weitergedacht, stellt sich die Frage des Designs natürlich auch für die bestmögliche Verwendung von recycelten Fasern. Viele Probleme, aber auch die Lösungsansätze für die Verwendung von vergleichsweise kurzen Fasern sind auch auf die (mehrfache) Verwendung von mechanisch recycelten Fasern zu erwarten.

Kann man beim Endprodukt von einem Upcycling sprechen?
Wir sehen das Garn-zu-Garn-Recycling weder als Up- noch als Downcycling, sondern als Kreislaufführung. Hintergrund ist, dass die Erzeugnisse in dieselbe Anwendung gehen sollen aus der sie gekommen sind und dabei mit Primärmaterial konkurrieren müssen. Dies bedeutet, dass gewisse spezifische Anforderungen zu erfüllen sind und gleichzeitig erheblicher Preisdruck herrscht. Beim Downcycling wird eine deutliche Verringerung der Eigenschaften in Kauf genommen, beim Upcycling kann aufgrund der höherpreisigen Anwendung der Aufbereitungsaufwand aufgefangen werden. Bei dem Bestreben, aus Garnmaterial wieder Garnmaterial zu fertigen, ist beides nur in geringem Maß zulässig. Dies stellt die besondere Herausforderung dar.

Was bedeutet ein aus Alttextilien aufbereitetes Rezyklat für den Spinnprozess?
Ein Teil dieser Fragestellung soll im Projekt durch die detaillierte Klassifizierung der aufbereiteten Fasern beantwortet werden und ist somit Gegenstand der aktuell laufenden Untersuchungen. Es zeigt sich, dass es neben den eher offensichtlichen Punkten wie deutlich reduzierte Faserlänge, Prozessstörungen durch unaufgelöste Gewebe und Garnstücke auch weniger offensichtliche Aspekte wie z.B. eine deutlich erhöhte Abgangsmenge für die Verarbeitung im Spinnprozess zu beachten sind. Die Abgangsmenge ist dabei von besonderem Interesse, denn am Ende soll im neu hergestellten Garn auch ein erheblicher Anteil an aufbereiteten Fasern enthalten sein.

Welche Konsequenzen hat das für den Textilmaschinenbau?
Die Konsequenzen, die zum aktuellen Zeitpunkt bereits abgeschätzt werden können, sind, dass insbesondere bei der Verarbeitung von Baumwolle der Maschinenpark im Spinnereivorwerk auf die Verarbeitung von (Neu-)Naturfasern mit einem gewissen Schmutzanteil spezialisiert ist. Bei aufbereiteten Fasern handelt es sich im Gegensatz zu den Neufasern um saubere Fasern mit deutlich höherem Kurzfaseranteil. Elemente, die gut Schmutz entfernen können, scheiden auch vermehrt kurze Fasern aus, das kann unter Umständen zu ungewollt hohen Abgangsmengen führen. Es ist somit notwendig die etablierte Maschinentechnologie an das neue Anforderungsprofil des Rohstoffes „aufbereitete Fasern“ anzupassen. Analoge Anpassungen sind vermutlich über die komplette Verarbeitungskette bis ins Garn notwendig. Im Streckwerk der Spinnmaschine natürlich eher bedingt durch den hohen Kurzfaseranteil als durch Elemente, die auf das Ausreinigen von Schmutz und Fremdbestandteilen hin optimiert wurden.

Weitere Informationen:
DITF STFI Fasern Recycling Spinnerei
Quelle:

Textination GmbH

Foto: pixabay
19.10.2021

Mikromechanische Simulation der Resilienz von Vliesstoffen

Vliesstoffe sind ein wichtiger Bestandteil in diversen Produkten mit verschiedenen Anwendungsgebieten, z.B. Hygieneprodukte, Dämmstoffe oder Filter. In der Regel werden sie auf einer Reihe großer Anlagen hergestellt; daher gestalteten sich experimentelle Designstudien zur Optimierung dieser Vliesstoffstrukturen sehr aufwändig.

Einfluss Designparameter
Es gibt sehr viele Designparameter, wie z.B. Fasern, Flächengewicht oder Vliesverfestigungstyp, welche die Vliesstoffeigenschaften beeinflussen. Zum Austausch eines einzelnen Parameters, beispielsweise des Fasermaterials, muss der vollständige Produktionsprozess vom Faserspinnen über die Faserablage bis hin zur Vliesverfestigung umgestellt werden.

Vliesstoffe sind ein wichtiger Bestandteil in diversen Produkten mit verschiedenen Anwendungsgebieten, z.B. Hygieneprodukte, Dämmstoffe oder Filter. In der Regel werden sie auf einer Reihe großer Anlagen hergestellt; daher gestalteten sich experimentelle Designstudien zur Optimierung dieser Vliesstoffstrukturen sehr aufwändig.

Einfluss Designparameter
Es gibt sehr viele Designparameter, wie z.B. Fasern, Flächengewicht oder Vliesverfestigungstyp, welche die Vliesstoffeigenschaften beeinflussen. Zum Austausch eines einzelnen Parameters, beispielsweise des Fasermaterials, muss der vollständige Produktionsprozess vom Faserspinnen über die Faserablage bis hin zur Vliesverfestigung umgestellt werden.

Im Anschluss an die Produktion eines solchen Prototyps wird eine aufwändige experimentelle Charakterisierung der Vliesstoffeigenschaften benötigt. Aufgrund dieser kostenintensiven Produktion und Charakterisierung sind detaillierte Studien mit mehreren Designparametern unwirtschaftlich.

Daher werden bei uns im Projekt mikromechanische Simulationsmodelle entwickelt. Mithilfe dieser Modelle können die effektiven Vliesstoffeigenschaften numerisch für verschiedenste Designparameter vorhergesagt werden. Zum virtuellen Austausch einzelner Parameter werden in diesem Ansatz lediglich die entsprechenden Eingangsgrößen im Modell angepasst.

Schnelle Vorhersagen möglich
Der Fokus der numerischen Vorhersagen liegt hierbei vor allem auf dem zeitabhängigen Verhalten der Vliesstoffe. Die dynamischen Eigenschaften können durch numerische Nachbildung von zyklischen Messungen bestimmt werden. Dabei wird eine gute Übereinstimmung von Simulation und Messungen erzielt.

Im Gegensatz zu Experimenten verlängert sich die benötigte Simulationszeit für das Verhalten bei niedrigen Frequenzen nicht. Somit sind durch die numerischen Modelle schnelle Vorhersagen für das Langzeitverhalten (Monate bis Jahre) und die entsprechende Resilienz von Vliesstoffen möglich. Sehr viele Varianten können innerhalb weniger Stunden simuliert und studiert werden.

Ein weiterer Vorteil des mikromechanischen Ansatzes besteht darin, dass nicht nur effektive (makroskopische) Vliesstoffeigenschaften berechnet werden, sondern auch lokale Größen wie Spannungsverteilungen in Binder und Fasern bestimmt werden. Somit trägt die Simulation zum besseren Verständnis von Vliesstoffeigenschaft bei.

Zukünftige Entwicklungen beschäftigen sich mit der Erweiterung der Modelle in Richtung der Simulation des Herstellungsprozesses. Dies ermöglicht eine vollständige digitalisierte Auslegung von Vliesstoffen vom Herstellungsprozess bis hin zur Optimierung der Funktionalität.

 

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Foto: pixabay
21.09.2021

Virtuelle Qualitätsprüfung optimiert Produktion von Filtervliesstoffen

Die Vliesstoffproduktion bekam zu Corona-Zeiten in der breiten Öffentlichkeit so viel Aufmerksamkeit wie selten zuvor, denn das technische Textil ist entscheidend für den Infektionsschutz. Die Feinst-Vliesstoffprodukte werden in sogenannten Meltblown-Verfahren hergestellt. Ein abteilungsübergreifendes Team des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern optimiert im Projekt »ProQuIV« die gesamte Produktionskette. Dabei helfen Simulationen die Produktqualität des Filtermaterials trotz Schwankungen in der Herstellung zu garantieren.

Die Vliesstoffproduktion bekam zu Corona-Zeiten in der breiten Öffentlichkeit so viel Aufmerksamkeit wie selten zuvor, denn das technische Textil ist entscheidend für den Infektionsschutz. Die Feinst-Vliesstoffprodukte werden in sogenannten Meltblown-Verfahren hergestellt. Ein abteilungsübergreifendes Team des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern optimiert im Projekt »ProQuIV« die gesamte Produktionskette. Dabei helfen Simulationen die Produktqualität des Filtermaterials trotz Schwankungen in der Herstellung zu garantieren.

Das Kürzel »ProQuIV« steht für »Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen«. Denn gerade zu Beginn der Covid-19-Krise waren Engpässe bei der Produktion dieser Materialien zu beobachten. Für die Klasse der Meltblown-Vliesstoffe gestaltet sich diese Optimierung der Produktqualität zudem besonders schwierig, weil die Prozesse sehr sensitiv auf Schwankungen und Materialunreinheiten reagieren.

Digitaler Zwilling hat das große Ganze im Blick
»Meltblown« heißt der industrielle Herstellungsprozess, dessen Feinstfaser-Vliesstoffe dafür verantwortlich sind, dass z.B. in Gesichtsmasken die entscheidende Filterfunktion gegeben ist. Dabei wird das geschmolzene Polymer durch Düsen gepresst, und zwar in einen vorwärts strömenden Hochgeschwindigkeitsstrom. Es wird in einer stark turbulenten Luftströmung gedehnt und abgekühlt.

»Der Gesamtprozess der Filtervliesherstellung – von der Polymerschmelze bis zum Filtermedium – stellt in der Simulation eine große Herausforderung dar«, erklärt Dr. Konrad Steiner, Leiter der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation«. »Wir haben im Projekt das große Ganze im Blick und eine komplett durchgängige Bewertungskette als digitalen Zwilling entwickelt. Dabei berücksichtigen wir gleich mehrere Schlüsselkomponenten: Wir simulieren die typischen Produktionsprozesse von Vliesstoffen, die darauf basierende Entstehung der Faserstrukturen und anschließend die Materialeigenschaften – hier insbesondere die Filtereffizienz. Damit lassen sich dann die Einflüsse des Herstellungsprozesses auf die Produkteigenschaften quantitativ bewerten.« In jedem dieser Einzelbereiche gehört das Fraunhofer ITWM mit seinen Expertinnen und Experten international zu den führenden Forschungsgruppen.

Homogenität des Materials – weniger Wolken am Simulationshimmel
Beim Meltblown-Verfahren liegt ein Schlüsselfaktor auf dem Verhalten der Filamente im turbulenten, heißen und schnellen Luftstrom. Die Fäden werden durch diese Luftströmung stark in ihren Eigenschaften beeinflusst. Die Qualität der Filamente – und damit am Ende der Vliesstoffe –  wird durch viele Faktoren beeinflusst. Was das in der Praxis genauer heißt, weiß Dr. Dietmar Hietel, Leiter der Abteilung »Transportvorgänge«. Sein Team beschäftigt sich am Fraunhofer ITWM schon seit Jahren mit der Simulation von verschiedenen Prozessen rund um Filamente, Fäden und Fasern. »Im Fokus des Projekts steht die sogenannte Wolkigkeit, d.h. die Ungleichmäßigkeit, mit der die Fasern im Vliesstoff verteilt sind«, erklärt Hietel. »Wir gehen der Frage nach: Wie homogen ist der Stoff? Denn die Qualität der Produkte kann stark verbessert werden, wenn wir solche Ungleichmäßigkeiten optimieren. Unsere Simulationen helfen dabei herauszufinden, wie das gelingt.«

Objektive Bewertung der Homogenität der Vliesstoffe
Zur Quantifizierung dieser Wolkigkeit setzen die Forschenden zudem passende Bildanalysetechniken ein. Das Powerspektrum spielt dabei eine besondere Rolle. »Der Wolkigkeitsindex, abgekürzt CLI, beschreibt die Homogenität komplementär zu lokalem Flächengewicht und seiner Varianz,« beschreibt Dr. Katja Schladitz. Sie bringt ihre Expertise in der Bildverarbeitung in das Projekt mit ein. »Unser CLI stellt eine robuste Bewertung der Homogenität sicher und kann somit für verschiedene Materialklassen und Abbildungstechniken als objektives Maß genutzt werden« Die Frequenzen, die in die CLI-Berechnung eingehen, können so gewählt werden, dass der CLI aussagekräftig für das jeweilige Anwendungsgebiet ist.

Filtration: Wie effizient sind die Filter
Bei der Hochskalierung auf Industrieprozesse wie bei der Maskenproduktion fließt zudem die ITWM-Expertise rund um Filter in das Projekt mit ein. Das Team »Filtration und Separation« um Dr. Ralf Kirsch beschäftigt sich schon seit Jahren mit dem mathematischen Modellieren und Simulieren verschiedenster Trennprozesse.

»Das Besondere an diesem Projekt: Wir berechnen die Effizienz der Filter für unterschiedlich stark ausgeprägte Schwankungen des Faseranteils im Filtervlies«, betont Kirsch. »Dadurch können wir angeben, bis zu welchem Wolkigkeitsgrad die geforderte Filtereffizienz überhaupt erreichbar ist.« Als aktuelles Beispiel hierfür sieht man in der Grafik die Effizienz eines Filtermaterials für N95-Masken in Abhängigkeit von der Inhomogenität des Vliesstoffes.

ITMW-Methoden unterstützen über die ganze Prozesskette hinweg
Digitale Zwillinge und Berechnungen aus dem Hause Fraunhofer ITWM unterstützen in »ProQuIV« die Prozesse ganzheitlich zu überschauen und besser zu verstehen. Die Produktion der technischen Textilien wird damit nicht nur effizienter, sondern die Vliesstoffe lassen sich virtuell entwickeln, ohne dies vorab in einer Versuchsstätte zu realisieren. So können Produktionskapazitäten bei gleichbleibender Qualität gesteigert werden. Gemeinsam mit langjährigen Partnern aus der Industrie kann die Forschung schnell und effizient in der Praxis zum Einsatz kommen.

Simulationen sparen Textil-Unternehmen Experimente, erlauben neue Einblicke, ermöglichen systematische Parametervariationen und lösen Upscaling-Probleme, die sonst zu Fehlinvestitionen beim Übergang von der Laboranlage zur Industrieanlage führen können. Die virtuelle Umsetzung der Vliesstoffproduktion eröffnet aber auch neue Möglichkeiten zur Optimierung auf anderen Ebenen. So können auch akustische dämmende Vliesstoffe oder auch Hygiene-Vliesstoffe hinsichtlich ihrer Produktgüte genau auf die zu erzielende Materialeigenschaften hin optimiert werden – und das unter Berücksichtigung der auftretenden Prozessschwankungen.

Das Projekt ist Teil des Programms »Fraunhofer versus Corona« der Fraunhofer-Gesellschaft und wurde im April 2021 abgeschlossen. Die Ergebnisse fließen in mehrere Folgeprojekte mit der Vliesstoffindustrie ein.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

(c) Fraunhofer ITWM
27.07.2021

Simulationssoftware TexMath - Technische Textilien realitätsnah simulieren

Von Hochleistungstextilien bis hin zu Kompressions- und Sportbekleidung: Das modulare Softwareprogramm »TexMath« des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM ermöglicht sowohl die Simulation mechanischer Materialeigenschaften als auch die Optimierung textiler Produkte.

Von Hochleistungstextilien bis hin zu Kompressions- und Sportbekleidung: Das modulare Softwareprogramm »TexMath« des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM ermöglicht sowohl die Simulation mechanischer Materialeigenschaften als auch die Optimierung textiler Produkte.

Eine beschleunigte Entwicklung und ein optimiertes Design technischer Textilien bei gleichzeitiger Reduzierung von Experimenten? Die Nachfrage für Techniken, die dies realisieren können, ist besonders in Bereichen wie der Sport-, Medizin- und Bekleidungsindustrie groß. Das Team »Technische Textilien« der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation« des Fraunhofer ITWM hat sich dieser Herausforderung angenommen und erforscht Simulationsmethoden, die eine effiziente Vorhersage des textilen Verhaltens bei Streckung, Schub, Biegung, Torsion oder Kompression ermöglicht. Auch die Faltenbildung unter Ausdehnung sowie Schrumpfung von Garnen oder kritische Scherwinkel können während des gesamten Herstellungsprozesses simuliert werden.

Die von ihnen entwickelte Simulationssoftware »TexMath« sorgt dafür, dass Prozessketten in der Produktion vorab an neue Materialien anpassbar werden. Komplizierte Muster und Schichten können mithilfe der Software abgebildet werden und ein direkter Anschluss an die Textilmaschine erfolgen. Gewünschte Web-, Strick- und Wirkprodukte werden mit der Software genau berechnet und deren Materialeigenschaften simuliert. Zusätzlich zu der Bewertung eines bestimmten Textil-Designs mithilfe von Simulation bieten die Tools auch die Optimierung der Leistungsmerkmale für verschiedene Designvarianten. Das Ziel der Software ist es, so Teamleiterin Dr. Julia Orlik, »das Design nach Produkteigenschaften und Zielkriterien« zu realisieren.

TexMath besteht aus mehreren Komponenten: »MeshUp«, »FibreFEM« und »FIFST«. Jede der in TexMath enthaltenen Komponenten hat ihren spezifischen Einsatzbereich. Darüber hinaus verfügen die Tools sowohl untereinander über Schnittstellen als auch über Verbindungen zu der Software »GeoDict®« der Fraunhofer-Ausgründung Math2Market auf, womit beispielsweise strömungsmechanische Simulationen an den Textilien durchgeführt werden können.

Ein Anwendungsbereich der TexMath Software ist die Optimierung von Kompressionstextilien für den medizinischen Bereich oder für den Sport. Für optimale Wirksamkeit kommt es hier ganz besonders auf Passgenauigkeit des Materials an. So kann der Strickvorgang beispielsweise zur Anfertigung einer Bandage mit vordefinierten Kompressionseigenschaften mit TexMath simuliert und dadurch das optimale Gestrick ausgelegt werden.

Diese virtuelle Bandage wird daraufhin in einer weiteren Simulation belastet und einem virtuellen Arm oder Bein angezogen. Dank TexMath wird mithilfe des berechneten Druckprofils eine vorab Bewertung der Kompressionseigenschaften der Bandage sowie auch die direkte Ansteuerung der Strickmaschine gemäß des optimalen Designs möglich.

»Mit TexMath lassen sich auch Abstandstextilien, wie sie beispielsweise für das Obermaterial von Sportschuhen und für die Herstellung von Hochleistungstextilien genutzt werden, designen und vorab struktur- und strömungsmechanisch optimieren«, nennen Dr. Julia Orlik und Abteilungsleiter Dr. Konrad Steiner weitere Einsatzbereiche der Software.

Das neu entwickelte Eingabeinterface ist besonders benutzerfreundlich. Die Textil-Klasse (Gestrick, Gewirke, Gewebe und Abstandgewirke) lässt sich unkompliziert einstellen. Die neue grafische Oberfläche erlaubt eine einfache und schnelle Konfiguration.

MeshUp zur Strukturgenerierung von Webmustern und Maschen
Gestricke und Gewebe werden mit Hilfe von Strick- bzw. Webmaschinen produziert. Jedem Textil liegt eine Bindungspatrone zugrunde, die in die Maschine eingelesen wird bzw. in der Maschine fest vordefiniert ist. MeshUp ist das Softwaremodul von TexMath, in dem Bindungspatronen für diverse Gewebe, Gewirke und Gestricke mit verschiedenen Bindungstypen, dem Fadenverlauf und allen Kontaktstellen zwischen verschiedenen Garnen erzeugt, grafisch abbildet und für weitere Simulationen in TexMath mit FISFT und FiberFEM in entsprechende Eingabeformate übersetzt werden. Darüber hinaus stellt MeshUp die Geometrie auch als Volumendaten (Voxelformat) für Berechnungstools wie GeoDict und FeelMath zur Verfügung.

FiberFEM zur Berechnung effektiver mechanischer Eigenschaften einer periodischen Textilstruktur
Mit FiberFEM können gewebte und geflochtene Textilien, Abstandsgewebe, Gelege sowie Fachwerke hinsichtlich ihrer effektiven mechanischen Materialeigenschaften berechnet und optimiert werden. Ein spezielles Merkmal von FiberFEM ist, dass neben Zug- und Schubeigenschaften auch effektive Biege- und Torsionseigenschaften von Textilien anhand ihrer textilen Struktur und der Garneigenschaften bestimmt werden können.

Als Eingangsgrößen benötigt FiberFEM neben der Mikrostrukturbeschreibung aus MeshUp die Faserquerschnittsgeometrie, sowie mechanische Fasereigenschaften wie Zugsteifigkeit und Reibung. Als Output werden die effektiven mechanischen Textilgrößen berechnet. Neben der Berechnung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften für bereits existierende gewebte oder gestrickte Textilien für technische und medizinische Anwendungen, bietet der Ansatz auch das Potential zur gezielten Auslegung und Optimierung neuer Textilien mit vorgegebenem mechanischem Eigenschaftsprofil.

So kann das Relaxationsverhalten eines Textils aus dem Web- bzw. Strickmuster und den Garnrelaxationszeiten für viskoelastische Garne ermittelt werden. Auch Reibungskoeffizienten zwischen den Garnen werden berücksichtigt und werden direkt in die Simulation der effektiven Eigenschaften einbezogen bzw. aus der experimentellen Validierung mit dem Gewebe identifiziert.

FIFST zur Berechnung der Deformation und Belastung von Textilien
Das Model FIFST ist spezialisiert für dynamische Simulationen von Gestricken, sehr dehnbaren Geweben und Gewirken. So kann beispielsweise der Strickprozess simuliert, das Abziehen von der Strickmaschine, die Schrumpfung auf ein entspanntes Textil und auch die Wiederbelastung beim Anziehen berechnet werden. Somit kann auch das Design des Gestricks an vorgegebene Spannungsprofile angepasst werden und eine individualisierte Maschinensteuerung zur Produktion personalisierter Textilien oder produktspezifischer Designs ist möglich.

Die numerische Umsetzung nutzt die Finite-Element-Methode mit nichtlinearen Balken-Elementen, die für die Kontaktprobleme um eine zusätzliche interne Variable – das Gleiten von Fäden an Kontaktknoten – erweitert wurde. Das Reibungsgesetz ist mit dem Euler-Eutelwein-Modell umgesetzt, das um einen zusätzlichen Adhäsionsterm modelltechnisch ausgebaut wurde. Die Adhäsion erlaubt somit auch unterschiedliche Vorspannung in den jeweiligen Maschen. Die elastische Energie wird dabei direkt aus den Garn-Kraft-Dehnungskurven berechnet.  

Ein wichtigstes Alleinstellungsmerkmal von FIFST ist die spezielle Technologie der Zugehörigkeit mehrerer Elemente zu bestimmten Threads und deren Anordnung im Thread sowie das gleichzeitig Kontaktgleiten an Million von Knotenpunkten. Somit ermöglicht FIFST multiskalige Simulation von großen gestrickten oder gewebten Schalenbauteilen unter Berücksichtigung der lokalen Textilstruktur.

Eine weitere Funktionalität der Software ist, virtuell Textilien über eine im STL-Format gegebene Oberflächentriangulierung zu ziehen. Im Video wird gewebte Maske (gestrickt ist ebenfalls möglich) in der Ebene an 6 Punkten ausgedehnt und gegen die Gesichtsoberfläche gezogen. Ihre Knoten werden auf das Gesicht projiziert und gleiten auf der Oberfläche weiter, bis die Maske komplett anliegt. Wenn man Reibeigenschaften von Garnen am Gesicht kennt, kann man weitere Faltungsbildung untersuchen und auch sie gezielt beeinflussen. Als weiteres Optimierungspotential erlaubt FIFST Porengrößen von angezogenem Textil auf besonders gewölbten Oberflächenstellen zu minimieren, die durch Erhöhung der Vorspannung in Garnen oder eine Modifizierung des Lappingdiagramms bzw. der Bindepatrone erreicht werden kann.


Für eine Testversion wenden Sie sich bitte an das

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Fraunhofer-Platz 1
67663 Kaiserslautern

Telefon: +49 631 31600-4342

texmath@itwm.fraunhofer.de    

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

(c) Porsche AG
04.05.2021

Fraunhofer: Leichtbau und Ökologie im Autobau

  • Das »Bioconcept-Car« fährt voran

Im Auto-Rennsport sind leichte Karosserien aus Kunststoff und Carbonfasern seit vielen Jahren Standard, weil man damit schneller ins Ziel kommt. Künftig könnten Leichtbaulösungen dazu beitragen, den Energieverbrauch und die Emissionen von Alltagsfahrzeugen zu senken. Der Haken an der Sache: Die Herstellung von Carbonfasern ist teuer sowie energie- und erdölintensiv. In Zusammenarbeit mit Porsche Motorsport und Four Motors ist es den Forschenden am Fraunhofer WKI gelungen, Carbonfasern in einer Autotür durch Naturfasern zu ersetzen. Sie wird bei Porsche bereits in Kleinserie verbaut. Nun geht das Projektteam den nächsten Schritt: Gemeinsam mit HOBUM Oleochemicals wollen sie den Anteil nachwachsender Rohstoffe in der Tür und anderen Karosserieteilen maximieren – mit biobasierten Kunststoffen und Lacken.

  • Das »Bioconcept-Car« fährt voran

Im Auto-Rennsport sind leichte Karosserien aus Kunststoff und Carbonfasern seit vielen Jahren Standard, weil man damit schneller ins Ziel kommt. Künftig könnten Leichtbaulösungen dazu beitragen, den Energieverbrauch und die Emissionen von Alltagsfahrzeugen zu senken. Der Haken an der Sache: Die Herstellung von Carbonfasern ist teuer sowie energie- und erdölintensiv. In Zusammenarbeit mit Porsche Motorsport und Four Motors ist es den Forschenden am Fraunhofer WKI gelungen, Carbonfasern in einer Autotür durch Naturfasern zu ersetzen. Sie wird bei Porsche bereits in Kleinserie verbaut. Nun geht das Projektteam den nächsten Schritt: Gemeinsam mit HOBUM Oleochemicals wollen sie den Anteil nachwachsender Rohstoffe in der Tür und anderen Karosserieteilen maximieren – mit biobasierten Kunststoffen und Lacken.

Carbonfasern verstärken Kunststoffe und verleihen somit Leichtbauteilen die nötige Stabilität. Naturfasern sind in Massenproduktion gefertigt nicht nur kostengünstiger, sie lassen sich deutlich nachhaltiger produzieren. Für das Pilotfahrzeug »Bioconcept-Car« haben Forschende des Fraunhofer WKI Karosserieteile mit 100 Prozent Naturfasern als Verstärkungskomponente entwickelt.

»Wir verwenden Naturfasern, etwa aus Hanf, Flachs oder Jute. Naturfasern weisen im Vergleich zu Carbonfasern zwar geringere Steifigkeiten und Festigkeiten auf, die erreichten Werte sind für viele Anwendungen aber ausreichend«, erläutert Ole Hansen, Projektleiter am Fraunhofer WKI. Durch ihre natürlich gewachsene Struktur dämpfen Naturfasern Schall und Schwingungen besser. Ihre geringere Splitterneigung kann dabei helfen, die Verletzungsgefahr bei Unfällen zu reduzieren. Außerdem lösen sie bei der Verarbeitung keine Hautirritationen aus.

Die biobasierten Verbundstoffe wurden durch den Rennstall Four Motors im »Bioconcept-Car« auf der Rennstrecke unter Extrembedingungen erfolgreich geprüft. Porsche verbaut bereits seit 2019 naturfaserverstärkte Kunststoffe in einer Kleinserie des Cayman GT4 Clubsport. Die Forschenden am Fraunhofer WKI führten während der Fertigung außerdem eine erste ökologische Bewertung anhand von Material- und Energiedaten durch. »Wir konnten feststellen, dass das verwendete Naturfasergewebe in seiner Herstellung, inklusive der Vorketten, ein besseres Umweltprofil als das Gewebe aus Carbon aufweist. Auch eine thermische Verwertung nach der Nutzungsphase sollte problemlos möglich sein«, schildert Hansen.

In der nächsten Projektphase des »Bioconcept-Cars« werden die Forschenden am Fraunhofer WKI gemeinsam mit den Kooperationspartnern HOBUM Oleochemicals GmbH, Porsche Motorsport und Four Motors eine Fahrzeugtür mit einem biogenen Anteil von 85 Prozent im Gesamtverbund aus Fasern und Harz entwickeln. Dies wollen sie unter anderem durch die Verwendung von biobasierten Harz-Härter-Mischungen sowie biobasierten Lacksystemen erreichen. Die Praxistauglichkeit der Tür und ggf. weiterer Bauteile soll wieder auf der Rennstrecke von Four Motors überprüft werden. Wenn die Forschenden Erfolg haben, kann ein Transfer der Erkenntnisse für die Serienproduktion bei Porsche möglich werden.

Das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft fördert das Projekt »Bioconcept-Car« über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR).

Zum Hintergrund
Nachhaltigkeit durch Nutzung nachwachsender Rohstoffe steht seit über 70 Jahren im Fokus des Fraunhofer WKI. Das Institut mit Standorten in Braunschweig, Hannover und Wolfsburg ist spezialisiert auf Verfahrenstechnik, Naturfaser-Verbundkunststoffe, Oberflächentechnologie, Holz- und Emissionsschutz, Qualitätssicherung von Holzprodukten, Werkstoff- und Produktprüfungen, Recyclingverfahren sowie den Einsatz von organischen Baustoffen und Holz im Bau. Nahezu alle Verfahren und Werkstoffe, die aus der Forschungstätigkeit hervorgehen, werden industriell genutzt.

 

  • EU-Projekt ALMA: Elektromobilität weiterdenken

E-Mobilität und Leichtbau sind zwei entscheidende Bausteine der modernen Fahrzeugentwicklung, um die Energiewende voranzutreiben. Sie stehen im ALMA-Projekt (Advanced Light Materials and Processes for the Eco-Design of Electric Vehicles) im Mittelpunkt. Neun europäische Organisationen arbeiten ab sofort im EU-Projekt daran, energieeffizientere und nachhaltigere Fahrzeuge zu entwickeln. Unternehmen aus Forschung und Industrie optimieren die Effizienz und Reichweite von Elektrofahrzeugen, u.a. indem das Gewicht des Gesamtfahrzeugs reduziert wird. Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM unterstützt mit mathematischer Simulationsexpertise.

Laut Strategie für emissionsarme Mobilität strebt die Europäische Union bis 2030 an, mindestens 30 Millionen emissionsfreie Fahrzeuge auf die Straßen zu bringen. Mehr Klimaschutz, neue Märkte, weniger Abhängigkeit von fossilen Energieträgern – Mobilität soll neu gedacht werden. Um den Verkehr klimafreundlicher zu gestalten, werden EU-Maßnahmen zur Förderung von Arbeitsplätzen, Investitionen und Innovationen ergriffen. Das Horizon 2020-Projekt der Europäischen Kommission ALMA stellt eine dieser Maßnahmen dar.

Weitere Informationen:
Leichtbau Fraunhofer WKI ITWM Automobil
Quelle:

Fraunhofer WKI, Fraunhofer ITWM

Emma4Drive (c) Fraunhofer ITWM
03.11.2020

EMMA4Drive – Dynamisches Menschmodell für mehr Sicherheit und Komfort in autonomen Fahrzeugen

  • DFG und Fraunhofer fördern trilaterales Projekt zum autonomen Fahren

Für viele Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer ist es eine einladende Zukunftsvision: Mit dem eigenen Auto zur Arbeit fahren und die Fahrtzeit trotzdem sinnvoll nutzen: Nachrichten lesen, E-Mails checken oder entspannen und den ersten Kaffee des Tages genießen. In Zukunft werden Insassen von autonomen Fahrzeugen neuen Tätigkeiten nachgehen können. Dazu werden jedoch neue (Software-)Werkzeuge benötigt, um die Erwartungen der Kundinnen und Kunden zu verstehen, das Vertrauen zu stärken und die Sicherheit nachzuweisen. Mit dem Projekt EMMA4Drive fördern die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) und die Fraunhofer-Gesellschaft die Entwicklung eines dynamischen Menschmodells für die Entwicklung (teil)autonom fahrender Fahrzeuge.

  • DFG und Fraunhofer fördern trilaterales Projekt zum autonomen Fahren

Für viele Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer ist es eine einladende Zukunftsvision: Mit dem eigenen Auto zur Arbeit fahren und die Fahrtzeit trotzdem sinnvoll nutzen: Nachrichten lesen, E-Mails checken oder entspannen und den ersten Kaffee des Tages genießen. In Zukunft werden Insassen von autonomen Fahrzeugen neuen Tätigkeiten nachgehen können. Dazu werden jedoch neue (Software-)Werkzeuge benötigt, um die Erwartungen der Kundinnen und Kunden zu verstehen, das Vertrauen zu stärken und die Sicherheit nachzuweisen. Mit dem Projekt EMMA4Drive fördern die Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) und die Fraunhofer-Gesellschaft die Entwicklung eines dynamischen Menschmodells für die Entwicklung (teil)autonom fahrender Fahrzeuge.

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und der Firma fleXstructures entwickeln gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern vom Institut für Technische und Numerische Mechanik (ITM) der Universität Stuttgart ein muskelaktiviertes Menschmodell.

Dieses simuliert dynamisch die Wechselwirkungen von menschlichen Körperteilen und dem Fahrzeugsitz bei Fahrmanövern. Der daraus entstehende Software-Prototyp EMMA4Drive wird als digitales Abbild des Insassen, dessen Sicherheit und Ergonomie bei Fahrmanövern analysieren und bewerten.

Realistische Bewegungen statt quasistatischer Untersuchungen
Bisher werden Menschmodelle entweder in Crash-Simulationen zur Abschätzung des Verletzungsrisikos oder in Ergonomie-Analysen verwendet. Bei Crash-Analysen werden detaillierte, rechenzeitintensive Modelle für Berechnungen im Millisekunden-Bereich eingesetzt, die für die Simulation dynamischer Fahrmanöver nicht geeignet sind, da hier längere Vorgänge simuliert werden müssen. Konträr dazu basieren Menschmodelle zur Ergonomie-Analyse auf der vereinfachten Kinematik eines Mehrkörpermodells und ermöglichen bisher ausschließlich quasistatische Untersuchungen. Realistische Haltungen und Bewegungen bei neuen Tätigkeiten lassen sich mit diesen Modellen nur mit viel Aufwand modellieren.

»Das von uns entwickelte prototypische Menschmodell EMMA berechnet hingegen mit einem Optimierungsalgorithmus automatisch neue Körperhaltungen und Bewegungsabläufe mit den dazugehörigen Muskelaktivitäten«, erklärt Dr. Joachim Linn, Abteilungsleiter »Mathematik für die digitale Fabrik« am Fraunhofer ITWM, die Besonderheit von EMMA. »Damit werden die neuen Bewegungsabläufe für das (teil)autonome Fahren vergleichsweise einfach im Simulationsmodell umgesetzt und untersucht – beispielsweise bei der Übernahme des Lenkrads durch den Fahrenden.«

EMMA4Drive ermöglicht somit eine vergleichsweise einfache Umsetzung neuer Bewegungsmuster und eine effiziente virtuelle Untersuchung von Sicherheit, Komfort und Ergonomie beim (teil )autonomen Fahren. »Unser Ziel ist es, am Ende des Projekts einen weiter entwickelten Prototypen unseres digitalen Menschmodells EMMA zur Verfügung zu haben, den wir zur Untersuchung und Verbesserung von Sitz- und Bedienkonzepten beim Fahren teil- oder vollautonomer Fahrzeuge einsetzen können«, erklärt Joachim Linn.

DFG und Fraunhofer fördern sechs trilaterale Projekte mit 5 Millionen Euro
In das trilaterale Projekt EMMA4Drive bringt die Universität Stuttgart umfassende Erfahrung in den Bereichen aktive Menschmodellierung, Fahrzeugsicherheit und Modellreduktion ein. Das Fraunhofer ITWM steuert Fachwissen über mehrkörperbasierte Menschmodellierung und Bewegungsoptimierung mittels Optimalsteuerung bei. Die Firma fleXstructures entwickelt, vertreibt und wartet die Softwarefamilie IPS inklusive des digitalen Menschmodells IPS IMMA, das Bewegungsabläufe bei Montagearbeiten simuliert.

»EMMA4Drive – Dynamisches Menschmodell für das autonome Fahren« ist eins der sechs von der DFG und von Fraunhofer geförderten Projekte. Ziel der Förderung von fünf Millionen Euro ist es, Unternehmen frühzeitig an Innovationen aus der Forschung zu beteiligen. Jeweils drei Projektpartner von Hochschulen, Fraunhofer-Instituten und aus der Wirtschaft kooperieren auf Grundlage eines gemeinsamen Arbeitsprogramms. Dabei übernehmen die Fraunhofer-Expertinnen und -Experten die Federführung bei der Verwertung der Projektergebnisse gegenüber den Anwendungspartnern oder bei weiteren Interessenten aus der Industrie.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Foto: Pixabay
28.04.2020

Meltblown Productive: Fraunhofer ITWM vs. Corona - Mit Mathematik gegen die Krise

  • Meltblown produktiv – ITWM-Software unterstützt bei Vliesstoffproduktion für Infektionsschutz

Simulationen des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM machen Prozesse bei der Herstellung von Vliesstoffen effizienter. So wird im Rahmen des Anti-Corona-Programms von Fraunhofer die Produktion von Infektionsschutz optimiert.
 
Die Vliesstoffproduktion hat in der breiten Öffentlichkeit zurzeit so viel Aufmerksamkeit wie selten, denn Vlies ist in Zeiten der Corona-Pandemie lebenswichtig für den Infektionsschutz im medizinischen Bereich und auch für den Schutz der Gesamtbevölkerung. Einmal-Bettwäsche in Krankenhäusern, OP-Kittel, Mundschutz, Wundschutzauflagen und Kompressen sind einige Beispiele für Vliesstoffprodukte.

  • Meltblown produktiv – ITWM-Software unterstützt bei Vliesstoffproduktion für Infektionsschutz

Simulationen des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM machen Prozesse bei der Herstellung von Vliesstoffen effizienter. So wird im Rahmen des Anti-Corona-Programms von Fraunhofer die Produktion von Infektionsschutz optimiert.
 
Die Vliesstoffproduktion hat in der breiten Öffentlichkeit zurzeit so viel Aufmerksamkeit wie selten, denn Vlies ist in Zeiten der Corona-Pandemie lebenswichtig für den Infektionsschutz im medizinischen Bereich und auch für den Schutz der Gesamtbevölkerung. Einmal-Bettwäsche in Krankenhäusern, OP-Kittel, Mundschutz, Wundschutzauflagen und Kompressen sind einige Beispiele für Vliesstoffprodukte.

Insbesondere in der Intensiv- und Altenpflege werden aufgrund der besonderen Hygieneanforderungen dazu Einmal-Produkte verwendet, die aus Vliesstoffen gefertigt sind. Momentan sind deutliche Engpässe bei der Produktion dieser Materialien zu beobachten. Für die Klasse der Meltblown-Vliesstoffe gestaltet sich eine Effizienzsteigerung der Produktion jedoch schwierig, weil Meltblown-Prozesse hochsensitiv auf Prozessschwankungen und Materialunreinheiten reagieren.  
 
Vlies ist zwar nicht gleich Vlies, aber allen industriell gefertigten Vliesstoffen verhältnismäßig gleich ist das grobe Prinzip ihrer Produktion: Geschmolzenes Polymer wird durch viele feine Düsen gepresst, in einem Luftstrom stark verstreckt und abgekühlt und so zu den typischen weißen Bahnen abgelegt. »Meltblown« heißt der FeinstfaserProzess, dessen Vliesstoffe dafür verantwortlich sind, dass in Gesichtsmasken die entscheidende Filterfunktion gegeben ist.  
 
Bei der Meltblown-Technologie werden nichtgewebte Stoffe direkt aus Granulat hergestellt. Ein spezielles Spinnverfahren in Kombination mit Hochgeschwindigkeits-Heißluft kommt zum Einsatz, um feinfaserige Vliesstoffe mit unterschiedlichen Strukturen zu produzieren. Die Fäden werden durch die turbulente Luftströmung hochgradig verstreckt. Dabei verwirbeln sie in der Luft, verschlingen sich und fallen mehr oder weniger zufällig auf ein Transportband, wo sie weiter verfestigt werden – ein sehr komplexer Prozess. Weltweit bemühen sich Vliesstoffhersteller, ihre Produktionskapazitäten massiv zu steigern.  
 
Digitaler Zwilling optimiert Meltblown-Prozess     
Hier kommt die Software des ITWM ins Spiel. »Mit unserem Fiber Dynamics Simulation Tool FIDYST werden die Bewegungen der Fasern, ihr Fallen und die Ausrichtung, mit der sie auf einem Transportband landen, vorausgesagt. Je nach Prozesseinstellungen entstehen spezifische Turbulenzen und damit Vliesqualitäten, die sich in Struktur, Faserdichte und Festigkeit unterscheiden«, erklärt Dr. Walter Arne vom Fraunhofer ITWM. Er beschäftigt sich am Institut schon seit Jahren mit der Simulation von verschiedenen Prozessen rund um Fäden, Fasern und Filamente.

Die Methodik ist gut übertragbar auf Meltblown-Prozesse. Bei diesen liegt eine der Besonderheiten auf der Simulation der Filamentverstreckung im turbulenten Luftstrom – wie die Verstreckung verläuft, die Dynamik der Filamente und die Durchmesserverteilung. Das sind alles komplexe Aspekte, die mit einbezogen werden müssen, aber auch das Strömungsfeld oder die Temperaturverteilung. Die Simulationen der Forschenden am Fraunhofer ITWM ermöglichen dann einen qualitativen und quantitativen Einblick in die Faserentstehung in solchen Meltblown-Prozessen – weltweit einzigartig in dieser Form, wenn es um die Abbildung eines turbulenten Spinnprozesses (Meltblown) geht.

Vliesstoffhersteller profitieren von Simulation
Was heißt das für die Industrie? Die Produktion von technischen Textilien kann so nicht nur deutlich effizienter werden, sondern die Vliesstoffe lassen sich entwickeln, ohne dies vorab in einer Versuchsstätte zu realisieren. Denn die Simulationen helfen, die Prozesse anhand eines digitalen Zwillings zu prognostizieren und dann zu optimieren. So können Produktionskapazitäten bei gleichbleibender Produktqualität gesteigert werden. Simulationen sparen Experimente, erlauben neue Einblicke, ermöglichen systematische Parametervariationen und lösen Upscaling-Probleme, die zu Fehlinvestitionen beim Übergang von der Laboranlage zur Industrieanlage führen können.

Mit langjähriger Expertise einen Beitrag zur Bewältigung der Krise leisten
»Exemplarisch wollen wir dies im Projekt an einer typischen Meltblown-Anlage demonstrieren – hierzu stehen wir mit Partnerunternehmen in Kontakt«, so Dr. Dietmar Hietel, Abteilungsleiter »Transportvorgänge« am Fraunhofer ITWM. »Im Rahmen des Anti-Corona-Programms von Fraunhofer wollen wir so mit unserer gewachsenen Expertise und unserem Netzwerk einen Beitrag zur Bewältigung der Krise leisten«, berichtet Hietel. In seiner Abteilung am Fraunhofer ITWM wird die Forschung im Bereich der technischen Textilien seit rund 20 Jahren verfolgt. Das Projekt ist aufgrund der aktuellen Relevanz nicht nur schnell gestartet, sondern auch mit der Umsetzung und Ergebnissen soll es jetzt schnell gehen: Die Laufzeit ist vom 15.04.2020 bis 14.08.2020 angesetzt. Das Kickoff-Meeting fand am 17.04.2020 per Videokonferenz statt.
 
Das Projekt »Meltblown produktiv« und die Ergebnisse sind sicher interessant für Vliesstoffproduzenten. Die Produktion vieler Massenprodukte wurde in den vergangenen Jahrzehnten vielfach nach Asien ausgelagert; die in Deutschland und Europa verbliebenen Vliesstoffhersteller fokussieren sich eher auf hochwertige technische Textilien. Mittel- und längerfristig sind dies auch wissenschaftliche Vorarbeiten, falls Produktionskapazitäten in Deutschland und Europa durch neue Anlagen ausgebaut werden. Denn eine Lehre aus der Krise wird auch sein, die Abhängigkeit von Produzenten in Asien insbesondere als Vorsorge für Krisenszenarien einzudämmen.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

(c) Koelnmesse GmbH
19.11.2019

IMM COLOGNE 2020: NOCH DRINNEN ODER SCHON DRAUßEN?

  • "Das Haus 2020“ by MUT Design bringt spanisches Lebensgefühl auf die imm cologne
  • Guest of Honor für Das Haus auf der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne 2020 ist das junge Designteam MUT aus Valencia.
  • Der Entwurf der Spanier thematisiert u.a. die Sehnsucht nach einem Wohnkonzept, in dem sich Rückzugsmöglichkeiten und Outdoor-Leben nachhaltig verbinden lassen.

„Das Haus“ steht auf der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne: ein programmatischer Entwurf dazu, wie wir in Zukunft wohnen könnten. Für sieben Tage im Januar wird es jedes Jahr neu gebaut, gestrichen und liebevoll eingerichtet, von Tausenden besucht, diskutiert und fotografiert. In der Kölner Wohnhaus-Simulation aus Architektur, Interior Design und Möblierung wird einem Designer oder Designteam die Möglichkeit für ein persönliches Statement zum zeitgenössischen Wohnen gegeben.

  • "Das Haus 2020“ by MUT Design bringt spanisches Lebensgefühl auf die imm cologne
  • Guest of Honor für Das Haus auf der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne 2020 ist das junge Designteam MUT aus Valencia.
  • Der Entwurf der Spanier thematisiert u.a. die Sehnsucht nach einem Wohnkonzept, in dem sich Rückzugsmöglichkeiten und Outdoor-Leben nachhaltig verbinden lassen.

„Das Haus“ steht auf der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne: ein programmatischer Entwurf dazu, wie wir in Zukunft wohnen könnten. Für sieben Tage im Januar wird es jedes Jahr neu gebaut, gestrichen und liebevoll eingerichtet, von Tausenden besucht, diskutiert und fotografiert. In der Kölner Wohnhaus-Simulation aus Architektur, Interior Design und Möblierung wird einem Designer oder Designteam die Möglichkeit für ein persönliches Statement zum zeitgenössischen Wohnen gegeben. In breiter Stilvarianz – mal minimalistisch, mal extravagant, mal nüchtern, mal sinnlich – verschmelzen hier aktuelle Trends und Produkte zu einem abgestimmten Interior-Design. Als Guest of Honor für die neunte Ausgabe von Das Haus auf der imm cologne 2020 (13.-19.1.) nominierte die Koelnmesse nun das junge spanische Designteam MUT.

„Ein Projekt wie Das Haus gibt einem Designer eine einmalige Gelegenheit, etwas zu schaffen, das frei ist von Produktions- und Marktbedingungen, und dabei gleichzeitig seine Entwürfe in ihrer Wirkung auf den Raum zu verstehen und neu zu entdecken“, so MUT über die Herausforderung, ein voll eingerichtetes Haus für die internationale Einrichtungsmesse imm cologne zu gestalten.

„In unserem Entwurf wollen wir noch etwas weiter gehen und untersuchen das Potenzial von Architektur und Interior Design, den Raum nach außen zu öffnen.“ Damit kommt der architektonischen Dimension von Das Haus dieses Mal eine besondere Bedeutung zu. „Leben am Mittelmeer ist gleichbedeutend mit Leben im Freien“, so MUT über die Inspiration durch ihre traditionelle Wohnkultur. „Seit jeher haben unsere Häuser immer ein Stück Natur ins Innere integriert.“

Das 2010 von Alberto Sánchez und Eduardo Villalón gegründete Designstudio gehört zu den erfolgreichsten Teams der „neuen Welle“ spanischen Designs. In ihrem Heimatort Valencia, einem der Design-Hot Spots Spaniens, der auch durch die umliegende traditionelle Möbel- und Keramikindustrie gestärkt wird, entwerfen sie Möbel, Teppiche, Fliesen und Leuchten für den Einrichtungsbereich und gestalten Hotels und Ausstellungen. Charakteristisch ist allen ihren Arbeiten eine Tendenz zu schlichten, weichen Kreisformen. Ihre unter anderem mit dem Red Dot ausgezeichneten Entwürfe zeigen Formen, die auf unbestimmte Art verfremdet wirken; oder sie überführen eine vertraute Form in ein modernes Design. Zu ihren internationalen Kunden zählen u.a. Expormim, GAN, Ex.t, Sancal, Preciosa Lighting, Bolia, E interiors, Harmony Inspire, Missana und LZF.

Der Name MUT kommt aus dem Valenzianischen (einer Variante des Katalanischen) und bedeutet so viel wie die Aufforderung „Ruhe!“, mit der man sich Gehör verschaffen will. Die Designer können sich aber auch mit der im Deutschen angelegten Bedeutung von „Mut“ identifizieren: „Das ergänzt unser Selbstverständnis perfekt, weil es heute viel Mut verlangt, seine eigene Linie zu vertreten und nicht mit dem Strom der Trends zu schwimmen“, so die Spanier. Und tatsächlich fallen ihre Entwürfe vor allem durch Emotionalität und eine sprechende Formensprache auf.

Mit MUT bleibt Das Haus dieses Mal bewusst in der europäischen Designsphäre, wählt aber ein ausgesprochen progressives Team mit zeitgemäßem Profil. „MUT ist weniger ein klassisches Designteam als eine multidisziplinäre Gemeinschaft Gleichgesinnter, wie es sie heute in den unterschiedlichsten Konstellationen gibt: modern, flexibel, kreativ. Sie arbeiten in überraschend diversen Bereichen und sind Produktdesigner, Creative Director, Grafiker, Interior Designer und Editeure in einem“, kommentiert der Creative Director der imm cologne Dick Spierenburg die Entscheidung für MUT. „Damit stehen sie für eine neue Generation von Designstudios, die auf eine veränderte Marktlandschaft reagieren, in der hohe Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit und den Ideenreichtum der Designer gestellt werden.“
 
„Das Haus“ – halb Designerportrait, halb Wohnbeispiel
„Das Haus – Interiors on Stage“ ist die Simulation eines Wohnhauses auf der internationalen Einrichtungsmesse imm cologne. Die Messe errichtet dafür inmitten der Pure Editions-Halle 3.1 ein rund 180 qm großes Haus, das nach Plänen eines jedes Jahr neu nominierten Designers gestaltet wird. Die von ihr/ihm ausgewählten Möbel, Farben, Materialien, Beleuchtungen und Accessoires summieren sich zu einem individuell konfigurierten, ganzheitlich angelegten Interior Design. Das Projekt thematisiert dabei nicht nur die gegenwärtigen Einrichtungstrends, sondern auch die Publikumssehnsüchte und den gesellschaftlichen Wandel.
          
Das Haus von 2012 bis 2019 – acht Ideen vom Wohnen
2012 eröffnete das indisch-britische Designerteam Nipa Doshi und Jonathan Levien das neue Format und inszenierte einen quasi organisch gewachsenen Raum, der ein kommunikatives Miteinander von Bewohnern und Kulturen ermöglicht. 2013 führte der italienische Produktdesigner Luca Nichetto das Design-Event als elegantes, sich der Natur nach allen Seiten öffnendes Ensemble fort. 2014 machte die dänische Designerin Louise Campbell Das Haus zu einem Low-Tech-Ruhepol im Messetrubel und zum Modell für die Vereinbarkeit gegensätzlicher menschlicher Naturen und Stile. 2015 hinterfragte das chinesische Architektenpaar Rossana Hu und Lyndon Neri tradierte Wohnrituale, indem es mit klassischen wie modernen Möbeln übervoll ausgestattete „Wohnkäfige“ in eine an enge Shanghaier Gassen erinnernde Raumkonstruktion setzte, die den Besucher zum Voyeur machte und zur Reflektion animierte. 2016 hatte der deutsche Designer Sebastian Herkner ein Heimspiel: Mit seinem runden Haus schuf er ein – für Menschen wie für Kulturen – barrierefreies, luftiges Haus, das nur von beweglichen Vorhängen begrenzt wurde, um wechselnde Perspektiven zuzulassen. Das transatlantische Haus von Todd Bracher, das die Messebesucher 2017 in Köln besuchen konnten, lebte von der Reduktion aufs Wesentliche. Während die tschechische Designerin Lucie Koldova Das Haus 2018 zu einem Experiment über die emotionale Dimension unterschiedlicher Lichtszenarien machte, verwirklichte das in Rotterdam ansässige Studio Truly Truly seine Idee eines von Stimmungen gelenkten, „bewegten“ Wohnens mit einem Entwurf organisch ineinander übergehender Wohnbereiche.

Weitere Informationen:
imm cologne mut design Koelnmesse GmbH
Quelle:

Koelnmesse GmbH
Design Press Talk imm cologne 2020 in Valencia, 18. September 2019/ Studio

DIGITALE PROZESSKETTE SICHERT ZUKUNFT DES LEICHTBAUS © Reed Exhibitions Deutschland GmbH
10.09.2019

DIGITALE PROZESSKETTE SICHERT ZUKUNFT DES LEICHTBAUS

  • Vom 10. bis 12. September auf der COMPOSITES EUROPE
     
  • Ideenschmiede für Multimaterial-Leichtbau
     
  • „Ultralight in Space“: Marktstudie untersucht Raumfahrt-Leichtbautrends

Wo Bewegung im Spiel ist, wird Gewicht schnell zum Energie-Vernichter. Wie der Leichtbau zu effizienteren und besseren Autos, Flugzeugen und Maschinen beiträgt, zeigt das Lightweight Technologies Forum (LTF) vom 10. bis 12. September im Rahmen der COMPOSITES EUROPE in Stuttgart. Im Mittelpunkt des Forums steht die wirtschaftliche Umsetzung des materialübergreifenden und ganzheitlichen System-Leichtbaus. Der Weg dorthin führt über die Digitalisierung der Prozesskette.

  • Vom 10. bis 12. September auf der COMPOSITES EUROPE
     
  • Ideenschmiede für Multimaterial-Leichtbau
     
  • „Ultralight in Space“: Marktstudie untersucht Raumfahrt-Leichtbautrends

Wo Bewegung im Spiel ist, wird Gewicht schnell zum Energie-Vernichter. Wie der Leichtbau zu effizienteren und besseren Autos, Flugzeugen und Maschinen beiträgt, zeigt das Lightweight Technologies Forum (LTF) vom 10. bis 12. September im Rahmen der COMPOSITES EUROPE in Stuttgart. Im Mittelpunkt des Forums steht die wirtschaftliche Umsetzung des materialübergreifenden und ganzheitlichen System-Leichtbaus. Der Weg dorthin führt über die Digitalisierung der Prozesskette.

Von der Idee bis zum Bauteil – das ist der Weg, den das Lightweight Technologies Forum aufzeigen und begleiten will. Dazu bringt das Forum in Stuttgart aktuelle Leichtbau-Projekte zusammen, unter anderem aus dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt und dem Maschinenbau – jenen Branchen, die durch ihre hohen Anforderungen an Materialien, Sicherheit und Zuverlässigkeit als Impulsgeber für viele Branchen gelten.
Die Gemeinsamkeit der vorgestellten Projekte: Eine durchgängig digitale Prozesskette trägt entscheidend zur Umsetzung der Innovationen bei. Ein weiterer Schwerpunkt sind Verbindungs- und Fügetechniken im Multimaterial-Leichtbau.

„Das Lightweight Technologies Forum versteht sich auch als branchen- und materialübergreifende Ideenschmiede, in der die Beteiligten über neue Konzepte nachdenken. Dazu holen wir erfolgreiche Vorzeige-Projekte nach Stuttgart“, sagt Olaf Freier, der beim Veranstalter Reed Exhibitions das Programm des Forums verantwortet.

Digitalisierung und Bionik gewinnen an Bedeutung
Unterstützung bei der Gestaltung des Forums kommt von der Automotive Management Consulting (AMC). Das Beratungshaus hat sich auf Leichtbaustrategien, Prozesse und Strukturen in der Automobilindustrie spezialisiert. „Leichtbau erfordert ein übergreifendes, systemisches Denken“, sagt Rainer Kurek, Geschäftsführer der AMC. „Vor allem aber ist die Digitalisierung der Prozesskette ein entscheidender Faktor. Nur durch eine virtuell- und simulationsgetriebene Gestaltungsarbeit entstehen konkurrenzfähige Leichtbau-Produkte, weil sie schneller auf den Markt kommen, die Prozess-Sicherheit garantieren und in der Entwicklung wesentlich kostengünstiger sind“, so Kurek weiter.
 
„Ultralight in Space“: Marktstudie zu Leichtbau-Trends in der Raumfahrt-Industrie
Vorreiter in Sachen Ultra-Leichtbau ist seit jeher die Raumfahrt, die als Innovationsmotor viele Disziplinen zu neuen Höchstleistungen treibt. Die neuesten technischen Trends werden derzeit mittels einer Marktstudie untersucht, die AMC gemeinsam mit dem luxemburgischen Raumfahrt-Zulieferer GRADEL realisiert. Die Ergebnisse werden am 10. September erstmals im LTF in Stuttgart vorgestellt.
„Auch wenn die Raumfahrt eine Nischen-Branche ist: Technische Lösungen, die hier den hohen Material-Ansprüchen genügen, beeinflussen auch andere Industrien zukunftsweisend. Darum ist es wichtig, die Kundenbedürfnisse, die Leichtbau-Strategien, Prozesse, Strukturen und Werkstoff-Entscheidung dieses Marktes zu kennen“, ist sich Rainer Kurek sicher.

 Wie wichtig die Raumfahrt für die Entwicklung neuer Technologien ist, unterstreicht auch Claude Maack, Geschäftsführer von GRADEL: „Sämtliche Bauteile sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Bereits beim Raketenstart müssen sie enormen Beschleunigungskräften standhalten. Im Weltall müssen die Materialien der Strahlenbelastung widerstehen ¬- und das über viele Jahre. Dazu kommen die hohen Temperaturunterschiede zwischen minus 185 und plus 200 Grad Celsius – alle paar Stunden im Wechsel von einem zum anderen Extrem.“

Die Frage des Materials: Composites besitzen größtes Wachstumspotential
Den größten Marktanteil unter den Leichtbauwerkstoffen haben derzeit Metalle – das größte Wachstumspotenzial wird aber den Faserverbundwerkstoffen zugeschrieben. Sie spielen ihre Stärken im Leichtbau immer öfter aus. Im Ausstellungsbereich zeigt das LTF, wie Glasfaserverstärkte (GFK) und Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) im Materialmix mit anderen Werkstoffen ihre Stärken in hybriden Strukturbauteilen zur Geltung bringen.

Zu sehen ist unter anderem ein ein Ultraleichtbausitz der Automotive Management Consulting (AMC), Alba tooling & engineering sowie der csi entwicklungstechnik GmbH, der 2018 als Machbarkeitsstudie - basierend auf der Leichtbau-Innovation xFK in 3D - im LTF als virtueller Prototyp vorgestellt wurde.
Der innovative, nur 10 kg wiegende Ultraleichtbausitz basiert auf einem besonderen Wickelverfahren für Faserverbundbauteile. Der „xFK in 3D-Prozess“ nutzt eine mit Harz imprägnierte Endlosfaser, aus dem Bauteile belastungsgerecht gewickelt und abfallfrei hergestellt werden.

Infrage kommt das Sitzkonzept für so genannte Hypercars, Sportwagen oder künftige Lufttaxis. Vor wenigen Wochen wurde der Prototyp der Öffentlichkeit präsentiert und bereits kurz darauf mit dem German Innovation Award ausgezeichnet.
In der benachbarten Lightweight Area präsentieren Aussteller weitere Leichtbau-Lösungen, darunter Strukturbauteile, Halbzeuge, technische Textilien, Klebstoffe und Kunstharze für den Automobilbau und die Luftfahrt- und Raumfahrt.

Insgesamt treffen die Besucher des Lightweight Technologies Forum und der COMPOSITES EUROPE auf 300 Aussteller aus 30 Nationen, die in Stuttgart die gesamte Prozesskette faserverstärkter Kunststoffe zeigen – von Materialien über Maschinen für die Verarbeitung bis zu konkreten Anwendungsbeispielen aus Automobilbau, Luftfahrt, Maschinenbau, Bauwesen, Windkraft sowie Sport- und Freizeitsektor. Einen besonderen Fokus richtet die Messe neben neuen Produkten auf die Fortschritte der Prozess-Technologien für die Serienfertigung.
 

(c) Messe Frankfurt Exhibition GmbH
09.04.2019

SO WIRD BEKLEIDUNG IN ZUKUNFT PRODUZIERT

Individualisierung, Automatisierung, Digitalisierung: Microfactories sind der Ansatz für die Zukunft der Bekleidungsproduktion und das Thema der Texprocess vom 14. bis 17. Mai 2019 in Frankfurt am Main.

„Heute das Lieblingsdesign per App an den Hersteller senden und morgen den individuell designten und passgenauen Sneaker oder das Hemd anziehen. Das ist längst keine Zukunftsmusik mehr“ sagt Michael Jänecke, Director Brand Management Technical Textiles and Textile Processing bei der Messe Frankfurt. „Dahinter stehen jedoch komplexe Produktions-, Verarbeitungs- und Logistikprozesse. Microfactories sind der progressive Ansatz, anhand voll vernetzter Prozesse die Textilverarbeitung schneller, flexibler und auch nachhaltiger weil lokaler zu machen. Und gleichzeitig individualisierte Produkte herzustellen.“

Individualisierung, Automatisierung, Digitalisierung: Microfactories sind der Ansatz für die Zukunft der Bekleidungsproduktion und das Thema der Texprocess vom 14. bis 17. Mai 2019 in Frankfurt am Main.

„Heute das Lieblingsdesign per App an den Hersteller senden und morgen den individuell designten und passgenauen Sneaker oder das Hemd anziehen. Das ist längst keine Zukunftsmusik mehr“ sagt Michael Jänecke, Director Brand Management Technical Textiles and Textile Processing bei der Messe Frankfurt. „Dahinter stehen jedoch komplexe Produktions-, Verarbeitungs- und Logistikprozesse. Microfactories sind der progressive Ansatz, anhand voll vernetzter Prozesse die Textilverarbeitung schneller, flexibler und auch nachhaltiger weil lokaler zu machen. Und gleichzeitig individualisierte Produkte herzustellen.“

Auf der kommenden Texprocess erhalten Fachbesucher bei insgesamt vier Microfactories einen Einblick davon, wie integrierte Textilverarbeitung funktioniert und wo Microfactories bereits zum Einsatz kommen.
 
Digital Textile Micro Factory: On-Demand und Virtual Reality
Nach dem Erfolg der letzten Veranstaltung zeigt die Texprocess in Zusammenarbeit mit den Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) sowie Partnern aus der Industrie in der Halle 4.1 erneut eine Digital Textile Micro Factory und damit voll vernetzte Produktionsketten live. Neu: Die Digital Textile Micro Factory zeigt insgesamt drei Produktionslinien – je eine für die Herstellung von Bekleidung, eines 3D-gestrickten Schuhs sowie zur Verarbeitung technischer Textilien etwa für die Automobil- oder Möbelindustrie.

Fashion-Linie integriert virtuelle Prototypen und Kundeninteraktion
Zentrale Rolle in der Digital Textile Micro Factory spielt die Modeindustrie. Der digitale Zwilling des Kunden als Ausgangspunkt für individualisierte und passgenaue Kleidung gewinnt in den Entwicklungsabteilungen der Bekleidungsindustrie und zur Abstimmung mit Fertigungsbetrieben zunehmend an Bedeutung und ist im Kontext der Fashion-Linie der Micro Factory zentrales Thema.

Die Fashion-Linie zeigt die Stationen CAD/Design, Druck, Zuschnitt, Konfektion, Finishing und Labeling. Neue Ansätze verbinden zudem 3-D Bekleidungssimulation mit direkter Datenübergabe in Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR). Anstatt dem Kunden physische Muster der zu produzierenden Bekleidung zu präsentieren, werden Muster virtuell visualisiert. Der Kunde hat während des Produktionsprozesses direkten Einfluss auf die Gestaltung des Produktes. Diese direkte Interaktion zwischen 3-D Simulation von Bekleidung, der Darstellung in VR/AR auf der Hardware des Kunden und direkter Produktion wurde so noch nie gezeigt. Partner der Fashion-Linie sind: Assyst (CAD/Design), Mitwill (Material), Caddon, ErgoSoft, Mimaki sowie Multiplot (Druck), Zünd (Zuschnitt), Juki (Konfektion), Veit (Finishing) und Vuframe (AR/VR).

3D-Strick auf dem Weg zu Industrie 4.0
Vom 3D-Objekt zum fertigen Prototypen in 18 Minuten: Auch im Bereich Stricken hat die Zukunft begonnen. Die Digital Textile Micro Factory der Texprocess und Techtextil zeigt einen Workflow, der es erlaubt aus kundenspezifischen Fußgeometrien direkt 3D-gestrickte Schuhoberstoffe zu produzieren.
Die 3D-Strick-Linie der Micro Factory zeigt den Ablauf von der 3D-Modellentwicklung, über die softwareseitige Interpretation des 3D-Daten-satzes in ein geometrietreues Strickprogramm und die Entwicklung eines Designansatzes zur Erstellung der finalen Strickdaten bis zur Erstellung eines 3D-gestrickten Prototypen. Stricken, das textile additive Fertigungsverfahren. Partner der 3D-Strick-Linie ist Stoll.

Verarbeitung technischer Textilien in der Micro Factory
Industrie 4.0 live: Das automatisierte und kundenindividuelle Verarbeiten von technischen Textilien bis zum fertigen Produkt steht im Fokus der dritten Fertigungslinie der Digital Textile Micro Factory 2019. Fachbesucher erleben hier On Demand-Inkjetdruck und vernetzte Maschinen mit integrierter Sensorik, die in Bussysteme eingebunden sind –ein Zukunftsthema für die vernetzte Fertigung. Ein Roboterarm mit Greifer für textile Anwendungen sortiert Zuschnittteile vom Cutter in ein freifahrendes Open-Shuttle. Nähaufträge werden automatisiert zu den Nähstationen gebracht. Der Auftragsfortschritt wird durch Tracing und Tracking im Fertigungsablauf an einzelnen Stationen durch Auto-ID demonstriert. Zusätzlich wird die Integration von kreativen Ideen aus der Cloud in die Produktion von technischen Produkten gezeigt. Technik trifft Kreativität. Partner der technischen Linie sind: Mitwill (Design), ErgoSoft (RIP), Caddon (Farbmanagement), HP (großformatiger Inkjetdruck), Zünd (Zuschnitt), Dürkopp Adler (Vernetzung, Integration Open Shuttle, Nähtechnologie), Veit (Finishing), Next Robotics (Materialhandling).

Smart Textiles Micro Factory: industrienahe Produktion smarter Textilien
Das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen produziert gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung in ihrer „Smart Textiles Micro Factory“ im Übergang der Hallen 4.1 und 5.1 ein smartes Kissen, das dem Nutzer anhand integrierter LEDs neue Interaktionsmöglichkeiten bietet. Die Projektpartner stellen damit die industrienahe Fertigung eines smarten Textils vom Design bis zum fertigen Produkt exemplarisch dar. Der Prototyp des Kissens wurde zuvor auf der Heimtextil 2019 vorgestellt. An der „Smart Textiles Micro Factory“ beteiligen sich das ITA (Projektkoordination), die Gerber Technology GmbH (Cutting), das Korea Institute of Industrial Technology KITECH (Elektronik), die VETRON TYPICAL Europe GmbH (Nähen), die Wear it GmbH (Produktdesign und Konzeption) und die ZSK Stickmaschinen GmbH (Stickerei).
 
World of Digital Fashion: Customizing von Bekleidung
Unter dem Begriff «World of Digital Fashion» haben sich sechs Unternehmen aus den Bereichen Visualisierung, CAD-Schnittsystem, automatische Körpermaßermittlung sowie Zuschnitt- und Prozessautomatisierung zusammengefunden. Gemeinsam zeigen sie in Halle 4.0 die Integrations- und Kombinationsmöglichkeiten ihrer Produkte in verschiedenen Workflows innerhalb der Wertschöpfungskette und machen die digitale Prozesskette live erlebbar. Im Mittelpunkt steht das Customizing von Bekleidung und Mode. Partner der „World of Digital Fashion“ sind: Browzwear Solutions und Tronog (Visualisierung), Software Dr. K. Friedrich (CAD), Fision (automatische Körpermaßermittlung), Bullmer (Zuschnitt) sowie die Gertsch Consulting und Mode Vision (Prozessautomatisierung).

Microfactory von Efka und Gemini: einfach umsetzbar
Der Hersteller von Antrieben von Industrienähmaschinen Efka zeigt in Zusammenarbeit mit dem CAD-anbieter Gemini die Produktion eines Trikots, das individuell designt werden kann. Im Mittelpunkt der anwendungsnahen Microfactory steht die Verknüpfung mit der Nähproduktion, die eine heute schon wirtschaftliche, teilautomatisierte Lösung darstellt. Es wird eine einfach-umsetzbare Lösung vorgestellt, welche die meisten Unternehmen schon mit vielen vorhandenen Ressourcen und Strukturen umsetzen können.

 

Weitere Informationen:
Texprocess
Quelle:

Messe Frankfurt Exhibition GmbH

10.10.2017

IMM COLOGNE 2018: DAS BADEZIMMER KOMMT NACH KÖLN

  • Die imm cologne wird um Einrichtungsideen rund um das Bad bereichert
  • Zahlreiche Sanitär-Anbieter präsentieren sich im Angebotssegment Pure Architects den Design-Entscheidern
  • Pure Architects bietet attraktive Synergien zum Bad mit dem Trendthema Licht

 

  • Die imm cologne wird um Einrichtungsideen rund um das Bad bereichert
  • Zahlreiche Sanitär-Anbieter präsentieren sich im Angebotssegment Pure Architects den Design-Entscheidern
  • Pure Architects bietet attraktive Synergien zum Bad mit dem Trendthema Licht

 
 Vom 15. bis 21. Januar 2018 geht auf der Kölner imm cologne das neue Messeformat Pure Architects an den Start - mit starker Beteiligung führender Sanitärmarken. Entspannende Wellness-Stunden oder Fitness-Kult, Landhausstil oder Urban Chick, Parkett oder Fliesen in Holzoptik, Pendelleuchten überm Echtholz-Waschtisch, dekoratives Schaffell oder trendige Zementfliesen: Das Bad wird immer stärker als Wohnraum wahrgenommen und genutzt. Die Koelnmesse sieht die gestiegene Anspruchshaltung von Bauherren an ihr neues Badezimmer auch in der zunehmenden Zahl einzelner Aussteller aus dem Produktbereich Badezimmer widergespiegelt. Ihr neues Angebot einer spezifischen Präsentationsplattform auf der imm cologne stößt aktuell auf großes Interesse in der Sanitärbranche. Die Besucher der imm cologne erhalten damit schon im Januar 2018 die Möglichkeit, live zu sehen und zu erleben, wie die Grenzen zwischen Bad und Wohnen im Interior Design immer mehr verschwimmen.
 
imm cologne schafft ideale Rahmenbedingungen für Sanitärsortimenter
Mit den neuen Gestaltungsmöglichkeiten öffnen sich für Sanitärsortimente auch Türen zu neuen Präsentationsformen. Die internationale Einrichtungsmesse imm cologne hat nun extra für Sortimente, die wie das Bad eine Verbindung mit der Architektur eingehen ein eigenes Format entwickelt: Pure Architects. Die Teilnahme führender Marken der Sanitärbranche bestätigt den Bedarf und das gelungene Kölner Lösungsangebot zur Integration des Bades in den Lifestyle-Kontext einer Einrichtungsmesse. Die Sanitärunternehmen versprechen sich von der Zielgruppenausrichtung bei Pure Architects und von dem Auftritt in neuer Nachbarschaft mit anderen Interior Design-Sortimenten neue Impulse.

Premiere mit namhaften Bad-Marken
Bei der Premiere zur imm cologne 2018 sind wichtige Player dabei. Neben Spa-Konzepten und Badmöbeln werden auch Bad- und Duschwannen, Armaturen, innovative Dusch-WCs, Spiegel, Accessoires sowie Saunen zu sehen sein. Bis dato werden Marken wie Antonio Lupi, burgbad, Bette, Klafs, Vola, Geberit, Laufen, Vallone, Tece oder Emco zu den Ausstellern der Auftaktveranstaltung gehören. "Wir haben auch in den letzten Jahren immer mal wieder auf der imm cologne ausgestellt. Das neue Konzept Pure Architects mit seiner stringenten Zielgruppenausrichtung hat uns überzeugt, wiederzukommen", erläutert Sabine Meissner, Leiterin Marketing burgbad. Auch bei dem Badmöbel-Spezialisten aus dem Sauerland steht nicht die Präsentation des Gesamtsortiments auf dem Plan. Das Standkonzept von Pure Architects bietet sich dazu an, sich auf eine zentrale Produkt- oder Markenaussage zu konzentrieren. "Wir stellen zur imm cologne 2018 unser innovatives Spiegelschrank-Programm RL40 vor, das Raumkonzept und Beleuchtungslösung gleichermaßen ist. Das ist ein erklärungsbedürftiges Produkt, und bei Pure Architects finden wir die geeignete Plattform, um einer Interior-affinen Klientel auch mal ein oder zwei Sätze mehr dazu sagen zu können" so Meissner weiter.
 
Badprodukte im Kontext von trendigen Interior Design-Welten und Lichtinstallationen
Im Unterschied zu Branchenmessen ist es in erster Linie der Kontext, der Sanitärunternehmen zu einer Teilnahme an der imm cologne motiviert: die Interior Design-Welten der großen Einrichtungsmarken genauso wie das avancierte Design kleinerer Design-Editeure. Auch die anderen Sortimentsbereiche von Pure Archtitects sind geeignet, die Eindrücke der Fachbesucher und Endverbraucher von einer ganzheitlichen Planung des Wohnbereichs Bad zu komplettieren.
 
Eine weitere attraktive Schnittmenge mit der Badplanung ist mit dem Thema Licht gegeben, das im nächsten Jahr nicht nur in Pure Architects - als Technisches Licht - in den Focus gerückt, sondern auch im Übrigen Pure-Bereich - als Dekoratives Licht - prominent besetzt wird. So wird etwa die visionäre Wohnraumsimulation "Das Haus" 2018 durch die tschechische Lichtdesignerin Lucie Koldova interpretiert.
Ergänzend zum Produktangebot vor der Wand sind aber auch Sortimente wie etwa Hersteller von Fliesen und Bodenbelägen für das Badezimmer vor Ort. Mit dem Wand- und Bodenbelag-Anbieter Bärwolf etwa stellt einer der führenden Anbieter von Mosaiken und Dekorationen seine neuen Einrichtungsideen aus. Der Feinsteinzeugfliesen-Hersteller Florim, unter anderem für seine Keramikplatten in Übergröße bekannt, liefert inspirierende Fliesen für Architekten und Planer. Und mit TheSize Surfaces stellt ein junges Unternehmen mit starker Exportausrichtung auf der imm cologne aus, das auf die Erfahrung von mehr als 40 Jahren auf dem Gebiet des Natursteins zurückgreifen kann und seine Platten auf dem Markt unter der Marke Neolith vertreibt.

Für Aussteller aus dem Themenbereich Bad bietet Pure Architects die einmalige Gelegenheit, ihre kreativen Ideen für zeitgemäße Badezimmerwelten im Kontext einer internationalen Einrichtungsmesse zu zeigen. Die Besucher erhalten die Möglichkeit live zu erleben, wie die Grenzen zwischen Bad und Wohnen im Interior Design immer mehr verschwimmen.

 

imm cologne und LivingInteriors © Koelnmesse
26.01.2016

IMM COLOGNE/LIVINGINTERIORS: BRANCHE STARTET ERFOLGREICH INS NEUE JAHR

  • 80.000 Fachbesucher aus 128 Ländern
  • Deutlich mehr Besucher aus Europa
  • 1.185 Anbieter aus 50 Ländern
  • LivingInteriors glänzte mit Smarthome

Vom 18. bis 24. Januar 2016 zeigten zur imm cologne und LivingInteriors 1.185 Unternehmen aus 50 Ländern die Einrichtungstrends des kommenden Jahres. Entscheidungsrelevante Einkäufer aus dem Handel sorgten während der ersten fünf Tage für einen dynamischen Messeverlauf. Mit rund 80.000 Fachbesuchern aus 128 Ländern verzeichnete die Veranstaltung einen leichten Zuwachs (4,8 Prozent) bei den Fachbesuchern im Vergleich zu 2014. Der Anteil der Besucher aus dem Ausland lag bei 46 Prozent (bezogen auf die Fachbesuchertage). Gut entwickelt haben sich die Besucherzahlen aus Übersee, aber vor allem bei Besuchern aus Europa registrierte das Messedoppel ein eindeutiges Plus.

  • 80.000 Fachbesucher aus 128 Ländern
  • Deutlich mehr Besucher aus Europa
  • 1.185 Anbieter aus 50 Ländern
  • LivingInteriors glänzte mit Smarthome

Vom 18. bis 24. Januar 2016 zeigten zur imm cologne und LivingInteriors 1.185 Unternehmen aus 50 Ländern die Einrichtungstrends des kommenden Jahres. Entscheidungsrelevante Einkäufer aus dem Handel sorgten während der ersten fünf Tage für einen dynamischen Messeverlauf. Mit rund 80.000 Fachbesuchern aus 128 Ländern verzeichnete die Veranstaltung einen leichten Zuwachs (4,8 Prozent) bei den Fachbesuchern im Vergleich zu 2014. Der Anteil der Besucher aus dem Ausland lag bei 46 Prozent (bezogen auf die Fachbesuchertage). Gut entwickelt haben sich die Besucherzahlen aus Übersee, aber vor allem bei Besuchern aus Europa registrierte das Messedoppel ein eindeutiges Plus.

"Dieses Ergebnis zeigt, die imm cologne ist als Business-Event für die globale Einrichtungsbranche unerreicht", fasst Gerald Böse, Vorsitzender der Geschäftsführung der Koelnmesse GmbH, die Ergebnisse zusammen.

"Hier handelt die Welt mit der Welt und daraus ergeben sich viele neue Chancen für exportorientierte Unternehmen. Gleichzeitig hat dieses Messedoppel wieder bewiesen, dass sich Business und Inspiration nicht ausschließen", so der Messechef weiter. "Die imm cologne war eine wunderbare Möbelschau, mit der wir sehr erfolgreich in das Möbeljahr 2016 gestartet sind. Viele Neuheiten, Innovationen und tolle Modelle in allen Preislagen stimmen uns zuversichtlich, dass die deutsche Möbelindustrie auch in diesem Jahr ein Umsatzplus erzielen wird", ergänzte Dirk-Uwe Klaas, Hauptgeschäftsführer des Verbandes der Deutschen Möbelindustrie (VDM). Dies bestätigte auch Hans Strothoff, Präsident des Bundesverbands des Deutschen Möbel-, Küchenund Einrichtungsfachhandels (BVDM): "Diese imm cologne machte Lust auf Möbel. Selten war die Stimmung bei Industrie und Handel so gut wie auf dieser Messe. Überall nur gut gelaunte Gesichter und großer Optimismus. Die imm cologne hat die Branche mit Schwung regelrecht ins neue Geschäftsjahr katapultiert."

Die Atmosphäre bei den Besuchern war gekennzeichnet durch Business, Networking und der Suche nach Trends. Nicht nur bei den Ausstellern, sondern auch bei den Besuchern ist die imm cologne in den letzten Jahren in Punkto Internationalität auf Wachstumskurs. 2016 kamen deutlich mehr Einkäufer aus Europa, hier vor allem aus den Niederlanden, Großbritannien, Spanien sowie Österreich, zum anderen wurde ein deutliches Plus bei den Besucherzahlen aus Übersee, hier besonders aus den USA , China und Indien, verzeichnet. Insgesamt 120.000 Besucher - Schätzungen des letzten Messetages miteinbezogen - ließen sich von den Einrichtungswelten inspirieren.

Neben den gezeigten Produkten zählten einmal mehr "Das Haus", die begehbare Wohnhaus-Simulation, die in diesem Jahr von Sebastian Herkner gestaltet wurde, und die Sonderausstellung "Smart Home" in LivingInteriors zu den Höhepunkten der diesjährigen Messe. Dort zeigten zahlreiche Unternehmen, welche Lösungen für ein intelligentes, vernetztes Zuhause heute schon realisierbar sind.

Die Trends der imm cologne / LivingInteriors 2016

Wohnen wird noch einmal wohnlicher Gemütlichkeit und Geborgenheit sind in den eigenen vier Wänden immer wichtiger. Dabei lässt sich eine große Kombinationsfreude feststellen. Möbel und Dekorationen, aber auch Accessoires und Heimtextilien, die den Menschen individuell gefallen, werden frei kombiniert. So entstehen einzigartige Wohnungen, genauso einzigartig wie ihre Bewohner.

Mid-Century-Design hat HochkonjunkturIn allen Angebotssegmenten gibt es auffällig viele Möbel, die an Entwürfe der 1940er bis 1960er Jahre erinnern. Diese Möbel sind materialsparsam, leicht, filigran und vor allem kleiner. Der Trend erklärt sich durch kleineren Wohnraum in den Städten, aber auch durch die allgemeine Nostalgiesehnsucht. In unsicheren Zeiten bewähren sich zierliche Mid-Century-Möbel wie ein guter alter Freund.

Natürliche Materialien auf dem Vormarsch

Es sind Holz, Glas, Stein und Metall: Natürliche Materialien sind besonders beliebt. Neben dem hohen Anteil an Holz, zum Beispiel bei Tischplatten, Stuhl- und Tischgestellen, kommt als Tischplatte vermehrt wertvoller Naturstein hinzu. Darunter der europäische Klassiker "Marmor", aber auch südamerikanische Exoten mit besonders individueller Maserung. Auch echte Baumrinde als Wandverzierung kommt.

Die nächste imm cologne findet vom 16. bis zum 22. Januar 2017 in Köln statt - dann im Doppel mit der LivingKitchen, dem internationalen Event für alle Themen rund um die Küche.