Im Mikrokosmos der Filterfasern ist die Zukunft der Filtration verborgen. Mit Computersimulationen, Röntgen- und Kernspintomografie sind Forscher von MANN+HUMMEL dem Geheimnis immer feinerer und leistungsstärkerer Filter auf der Spur – und dabei weltweit führend.

Schon in meinem Studium an der Universität Karlsruhe (TH) hat mich die Partikeltechnik in Filtermedien fasziniert: Was passiert mit Partikeln an Fasern, wie bauen sie Strukturen auf, welche Abläufe gibt es in den porösen Strukturen, die eigentlich nicht zugänglich sind, und wie kommt man ihnen mit der Simulation auf die Spur? Auch dass ich überprüfen kann, ob mein Verständnis von diesen Dingen das Richtige ist, hat mich verblüfft.

Die aus der Medizin bekannte Röntgen- und Kernspintomografie gibt uns die Instrumente in die Hand, dass wir diese Tausendstel-Millimeter-Strukturen sichtbar machen können. Ich kann am Bildschirm sogar durch diese normalerweise nicht sichtbaren Fasern durchlaufen und mir vorstellen, wo die Partikeln hängen bleiben, wo die Struktur besser ist oder weniger gut.

- Virtual 3D fiber structure of a filter media - Virtuelle 3D Faserstruktur eines Filtermedium

Virtuelle 3D Faserstruktur eines Filtermedium

Dieses spannende Thema der virtuellen Entwicklung von Filtermedien treiben wir bei MANN+HUMMEL seit Jahren mit Hochdruck voran. Bisher arbeitet man in der Medienherstellung in Pilotanlagen oft mit porösem Material, von dem man gar nicht genau weiß, wie es aufgebaut ist. Man nimmt Fasern hinzu, verdichtet sie oder ändert andere Parameter, und prüft dann in Versuchen, ob die Filtration funktioniert oder nicht.

Wie in der Automobilproduktion mit Computer Aided Design (CAD) und Computer Aided Engineering (CAE) gibt es mit leistungsstarken Simulationstools nun aber neue Möglichkeiten, zielgerichtet auf der Basis von Hypothesen und Wissen, deutlich bessere Medien zu entwickeln. Zum Beispiel, indem ich die Fasern vorne etwas offener gestalte, die Struktur hinten etwas verdichte, oder die eine oder andere Lage hinzufüge.

Die Automobilhersteller brauchen für ihre modernen abgasoptimierten Motoren immer bessere Filter, die feiner abscheiden, mehr Partikel speichern, weniger Druckverlust haben und kompakter sind. Diese Ziele widersprechen sich und sind nicht so einfach zu erreichen. Deshalb treiben wir, vielfach in Kooperation mit renommierten Universitäten und Forschungsinstituten, auch in der Medienentwicklung den Einsatz von Simulationstools voran. Wir wollen herauszufinden, wie die Physik in den Medien aussieht und was dort passiert, um die Potenziale zu erkennen, wie man die Medien weiter verbessern kann. Das große Potenzial sehe ich darin, dass wir mit Simulationstools wirklich vorab eine Struktur erzeugen und dann in Zusammenarbeit mit unseren Medienlieferanten produzieren. Wie CAD heute in der Konstruktion wird bei Filtermedien die virtuelle Entwicklung künftig nicht mehr wegzudenken sein.

Es wird aber noch spannender, denn eine weitere Herausforderung heißt Skalenverknüpfung. Ich brauche nicht nur ein tolles Medium, ich muss auch wissen, wie es sich verändert, wenn es als Falte geformt ist und alle beweglichen Akteure, wie Fasern, Partikel und Falten, miteinander interagieren. Das heißt, die Simulationen erstrecken sich sowohl auf die Skala der Medienmikrostruktur als auch auf die Skala des Elements, das Zentimetergröße hat. Auch dafür muss man Modelle entwickeln und diese beiden Skalen zu einem Gesamtwerk verknüpfen, um aus einem virtuellen Medium ein virtuelles Filterelement zu berechnen, das später verkauft wird.

Damit haben wir zukünftig die Chance, mit der Simulation Szenarien abzufahren. Wir können uns aber auch Extremfälle überlegen, wie besonders staubige Umgebung oder Feuchtigkeit, und dann gezielt Einflussvariablen ändern, die sich in der Realität so nicht isolieren lassen. Wissensbasiert entwickeln wir dann innovative Filtrationslösungen für die Motoren von Morgen. Das ist unsere Vision.

Das Schöne an dieser Arbeit für mich persönlich ist, dass ich dieses Gebiet in den letzten 17 Jahren mitgestalten und Meilensteine setzen konnte. Meist gibt man sein Thema ab, wenn man von der Uni in die Industrie wechselt. Ich habe die Riesenchance, mein Lieblingsthema Simulation zusammen mit meinem internationalen Team fortzusetzen und immer noch über neue Ufer hinauszuführen.