Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMWie muss der Herstellungsprozess eines Filtervliesstoffs geändert werden, damit das finale Produkt die geforderte Filterperformance besitzt? Dieser herausfordernden Fragestellung begegnen wir mit einem ganzheitlichen Modellierungsansatz.
Modellierung Prozessketten für Filtermedien: Die Kombination aus Modellierung und Simulation von Prozess und Produkt hilft dabei die Markteinführungszeit zu verkürzen.
Vom Prozess zum Produkt
Die Kombination aus Modellierung und Simulation von Prozess und Produkt hilft dabei, die Markteinführungszeit zu verkürzen.
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Modellbasierte Optimierung von Prozessketten für Filtervliesstoffe
Simulation und Modellierung für die Herstellung von Filtermedien: Von der Vliesstoffproduktion zur optimalen Filterleistung
Wie praktisch alle Filtermaterialien müssen auch Vliesstoffe für die Luftfiltration unterschiedliche Anforderungen gleichzeitig erfüllen:Sie sollen einen möglichst geringen Luftwiderstand bieten, Aerosole zuverlässig abscheiden und eine lange Standzeit erreichen. Diese wünschenswerten Eigenschaften des Materials hängen eng mit den Parametern des Herstellungsprozesses zusammen. Dieser Zusammenhang ist jedoch komplex und erschwert die gezielte Optimierung von Prozessen zur Herstellung von besseren Produkten. Wir kombinieren deshalb unsere Expertise in der Simulation von Vliesstoffprozessen mit unserer langjährigen Erfahrung bei der Modellierung von Filtereigenschaften. So lassen sich neue Filtermedien effizienter entwickeln und schneller zur Marktreife bringen.
Simulation von Vliesstoffprozessen
Ausgangspunkt des Prozesskettenmodells ist die Vliesstoffproduktion, speziell der Faserbildungsprozess. Es können verschiedene Produktionsmethoden wie z.B. Meltblowing, Electrospinning, Spunbond- oder Airlay-Prozesse simuliert werden. Hierfür entwickeln wir sowohl detaillierte Simulationswerkzeuge (FIDYST, VISPI) als auch beschleunigte Simulationen, die auf Effektivmodellen beruhen (SURRO). Die Modelle bilden die relevanten Anlagen- und Prozessparameter ab und liefern unter anderem Informationen zum Flächengewicht und zur Verteilung der Faserdurchmesser. Auch spezielle Prozessschritte, etwa die elektrostatische Aufladung durch Hydrocharging, können integriert werden.
Modellbasierte Vorhersage der Filtervlieseigenschaften
Die Ergebnisse der Prozesssimulation dienen als Eingabegrößen für die Evaluierung von Strömungswiderstand und Fraktionsabscheidegraden. Hierzu kommen angepasste analytische Modelle zum Einsatz. Diese verursachen im Vergleich zu 3D-Simulationen auf der Mikroskala praktisch keinen Rechenaufwand und sind dennoch durch ihre Parametrisierung flexibel anwendbar.
Durch die Einteilung der Vliesstoffe in Kategorien mit vergleichbarer Prozessführung lässt sich der Kalibrierungsaufwand deutlich reduzieren. Gleichzeitig berücksichtigt die Modellierung auch materialbedingte Veränderungen wie Verdichtungen beim Satinieren, Kalandrieren oder Plissieren.
Kalibrierung des Modells für die Fraktionsabscheidegrade eines Elektretmediums anhand der Daten des Referenzmaterials. Die Kreise zeigen gemessene Werte, die Linien die vom Modell berechneten Abscheidegrade.
Vorhersage der Fraktionsabscheidegrade für ein Material derselben Kategorie. Die Farben kennzeichnen unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten.
Konkretes Anwendungsbeispiel: FFP-Masken der nächsten Generation
Ein konkretes Einsatzgebiet des Prozesskettenmodells war die Weiterentwicklung filtrierender Halbmasken (FFP2). Ziel war es, den Atemwiderstand deutlich zu senken und gleichzeitig die Filterleistung zu erhöhen.
Im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt »Sula« (Sicherer und leichter atmen, Laufzeit von 2022 bis 2025) arbeiteten wir dazu eng mit den Unternehmen Reifenhäuser Reicofil (Hersteller von Vliesstoffanlagen) und der IMSTec GmbH (Entwickler und Produzent technischer Systeme, u.a. für Schutzmasken) zusammen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch die Modellierung der Prozessketten im Vergleich zur klassischen versuchsbasierten Entwicklung viele hundert Arbeitsstunden einsparen lassen.
Modularer Ansatz mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten
Das Konzept der modellbasierten Abbildung von Prozessketten ist nicht auf Vliesstoffe für die Luftfiltration beschränkt. Es kann ebenso bei Materialien für die Flüssigfiltration eingesetzt werden.
Darüber hinaus eignet sich der Ansatz, um die Qualität von Vliesstoffen gezielt zu verbessern, beispielsweise hinsichtlich einer gleichmäßigen Verteilung des Fasermaterials. Dadurch entstehen zusätzliche Möglichkeiten, Herstellungsprozesse effizienter zu gestalten und Produkteigenschaften gezielt zu optimieren.