Mikromechanische Modellierung und Simulation von funktionalen Papieren

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405422877

Das Verständnis der Funktionalität von Papieren greift auf die mikrostrukturellen Details des zu untersuchenden Papiermaterials zurück, die grundsätzlich neben dem verwendeten Grundfasermaterial, ein entscheidender Faktor für die Funktionalisierung und für das Design im Hinblick auf spezifische Anwendungen von großer Bedeutung ist. In der ersten Periode wurden ein mikromechanisches Modell und kohäsive Finite-Elemente-Simulationen sowie eine statistische Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehung mithilfe von maschinellem Lernen aus massiven Simulationsergebnissen erfolgreich abgeschlossen. Nun gilt es in der beantragten Periode, die im Paketantrag in verschiedenen Teilprojekten im Fokus stehenden chemischen Funktionalisierungen und deren Einfluss auf die mechanischen Eingeschalten der Fasern, des Faser-Faser-Verbunds und schließlich des gesamten Fasernetzwerks in die Simulationsmodelle zu integrieren. Ziel ist es dabei auch, in Kooperation mit den experimentell ausgerichteten Teilprojekten im Rahmen der Fortsetzung, die mikromechanischen Eigenschaften mittels angepasster Simulationsmodelle zu untersuchen, um im Hinblick auf die geplante Funktionalisierung, sowohl unter trockenen, als auch unter feuchten Bedingungen, wegweisende Kenntnisse bezüglich der Auslegung des Designraumes für funktionale Papiere zu erhalten. Ferner sind mikroskopische Details der Papiermaterialien in erster Linie von stochastischer Natur. Die scheinbar räumlich statistische Anordnung der Fasern und damit der Porenstruktur, die zum einen vom verwendeten Fasermaterial, und zum anderen stark vom Herstellungsprozess abhängig ist, kann dank moderner graphischer Bildgebungsverfahren auf ihre mikroskopischen Details hin untersucht werden. Diese Verfahren bieten der Modellbildung eine Reihe von neuen Möglichkeiten, praxisnahe und realistische Geometriemodelle zu generieren, welche für numerische Simulationsrechnung hilfreich ist. Aus diesen Modellen lassen sich dann statistische Merkmale analysieren, bzw. die Modellgeometrie direkt aus den Bildern erhalten, um anschließend daran die Simulation zu den mechanischen Eigenschaften durchzuführen. Letzteres verfolgt das weitere Ziel, durch fortgeschrittene Bildgebungsverfahren, eine eins-zu-eins Mikrostruktur abzuleiten und damit einen sogenannten „Digitalen Zwilling“ zu rekonstruieren. Dieser soll genutzt werden, um: a) Materialparameter anhand der Experimente zu bestimmen; b) Validierung der Simulationsmodelle durchzuführen; c) Rekonstruktion von Geometriemodellen für die Simulation zu erstellen; d) statistische Merkmale abzuleiten und realistische Fasernetzwerke im Anschluss zu konstruieren, die im Sinne von statistisch gleich verteilt sind. Die komplexe Struktur-Eigenschaftsbeziehung der Fasernetzwerke durch chemische Modifikation wird ferner, mittels einer von uns entwickelten, auf maschinellem Lernen basierenden Sensitivitätsanalyse untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen