Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWMWie beeinflusst die Mikrostruktur von Cellulosefasern den Flüssigkeitstransport? Digitale Materialmodelle helfen dabei, Flüssigkeiten in Hygieneprodukten gezielt zu verteilen und schneller zu transportieren. Gemeinsam mit Procter & Gamble haben unsere Forschenden untersucht, wie sich die mikroskopische Struktur von Cellulosefaserschichten auf ihre Transporteigenschaften auswirkt. Mit Computertomographie, Simulation und GeoDict analysieren wir reale Materialien und entwickeln virtuelle Strukturmodelle für leistungsfähigere Hygieneprodukte.
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In modernen Hygieneprodukten übernehmen Cellulosefaserschichten eine entscheidende Funktion: Sie steuern die Verteilung von Flüssigkeiten und unterstützen deren schnellen Abtransport, wie etwa in Windeln.
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Simulation für leistungsfähige Hygieneprodukte
Cellulosefasermaterialien virtuell entwickeln und optimieren
Flüssigkeitstransport in Hygieneprodukten
Ziel dieses gemeinsam mit der Firma Procter &Gamble durchgeführten Projektes war es, die effektiven Transporteigenschaften einer Cellulosefaserschicht mit Hilfe von numerischen Simulationen zu bestimmen. Diese Faserschicht ist eine der vielen verschiedenen Schichten, welche in modernen Hygieneprodukten benutzt werden, um zielgerichtet Flüssigkeit zu verteilen und schnell wegzutransportieren. Um die Funktionalität von Hygieneprodukten auch mit Hilfe von Simulationen weiter zu verbessern, ist es notwendig, Permeabilitäten und Kapillardruck-Sättigungskurven der einzelnen Materialien und Schichten genau zu kennen und zukünftig durch ein virtuelles Materialdesign diese situationsangepasst voraus entwickeln zu können.
Strukturmodelle mittels GeoDict
Zur Erfassung der Struktur der Fasern wurden dreidimensionale computertomographische Aufnahmen der Schicht angefertigt (siehe erste Abbildung). Diese 3D-Bilder wurden dann segmentiert und somit dreidimensionale geometrische Strukturmodelle der Schicht gewonnen. Mit Hilfe der am Fraunhofer ITWM entwickelten Software GeoDict konnten dann direkt auf diesen Bildern richtungs- und sättigungsabhängige Permeabilität und Kapillardruckkurven berechnet werden. Die Hauptschwierigkeit stellt dabei die Größe der Tomographiebilder dar. Ein einziges 3D-Bild kann dabei bis zu 4000³ Voxel enthalten, d.h. bis zu 60 GB groß sein!
Dreidimensionale Aufnahme einer Cellulosefaserschicht
Dreidimensionale Aufnahme einer Cellulosefaserschicht
Mit GeoDict erstelltes Modell der Cellulose-Faserschicht mit einer inhomogenen Verteilung der Fasern.
Virtuelle Cellulosefasermedien
Die Bestimmung der Materialparameter auf Basis einer Tomographieaufnahme ist allerdings nur der erste Schritt, da er nur erlaubt, bereits vorhandene Materialien zu untersuchen. Um die Auswirkungen möglicher Materialvariationen auf die Funktion der Produkte studieren zu können, benötigt man virtuell erzeugte 3D Strukturmodelle. GeoDict erlaubt das Erstellen solcher Strukturmodelle (siehe zweite Abbildung). In diesem Projekt wurde nun untersucht, inwieweit sich die - wie in der ersten Abbildung ersichtlich - ungleichmäßige Verteilung der Fasern auf die Materialparameter auswirkt, indem Modelle mit einer gleichmäßigen Faserverteilung mit Modellen mit Faseragglomeraten verglichen wurden.
Unsere Projektpartner:
Procter&Gamble