RWTH Aachen testet 3-D-Wärmeschutz-Textilien in einer Simulation

Im Rahmen des Forschungsprojektes „HEATex“ entwickelte das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University Hitzeschutztextilien als Unterbekleidung. Zusätzlich zu experimentellen Versuchen werden die Wärmetransport-Eigenschaften des mehrschichtigen Hitzeschutztextils unter Einfluss von Kontaktwärme simuliert. Durch die Simulation kann eine qualitative Voreinschätzung der Hitzeschutzwirkung verschiedener Lagenaufbauten durchgeführt werden. Das Simulationsmodell wurde mit der Simulations-Software „Abaqus/CAE“ des Pariser Software-Unternehmen Dassault Systemes SE durchgeführt.

Mit dieser Vorgehensweise können Kosten und Aufwand zukünftiger Vergleiche erkennbar reduziert werden. Die Ergebnisse des Simulationsmodells zeigen denn auch eine grundsätzliche Ähnlichkeit zu den bisher genutzten experimentellen Versuchsergebnissen.

Tatsächlich sind solche Textilien und Materialien in Deutschland für etwa 10 Prozent der Erwerbstätigen ausgesprochen notwendig: An ihren Arbeitsplätzen sind sie hohen Temperaturen ausgesetzt (Metall-, Glas-, Keramik und Stahlproduktion sowie Schmieden, Gießereien, Feuerwehr etc.). Während des Arbeitseinsatzes kommt es regelmäßig zu Verbrühungen und schlimmstenfalls zum Hitzeschlag, der bei einer Körpertemperatur von über 40 °C eintritt. Mit Hilfe der Wärmeschutz-Textilien wird ein direkter Kontakt von äußerer Schutzkleidung und Haut verhindert sowie die Aufnahme und der Transport von körpereigener Feuchtigkeit verbessert.

Wie werden die Wärmeschutz-Textilien getestet?

Die textilen Schichten der Unterbekleidung werden im Test als Vollmaterialien mit isotropen Materialeigenschaften angenommen. Lufteinschlüsse innerhalb textiler Schichten und der Einsatz unterschiedlicher Materialien in einer Schicht werden durch Anpassungen der Materialparameter berücksichtigt. Letztlich werden gemittelte Parameter verwendet. Die Endtemperatur der Simulation ist mit 79,2 °C geringfügig höher als vergleichbare Endtemperaturen, die bei in vitro Versuchen an Hitzeschutztextilien mit Kontaktwärme und ohne Druck gemessen werden. In der Realität sind die Textilien ja tatsächlich von Luft umgeben. Eine Zirkulation der Luft am Textil, die durch Temperaturdifferenzen verursacht wird, führt dabei zu einer Abkühlung des Textils durch natürliche Konvektion. Dieser Effekt wird durch erzwungene Konvektion in Form von Luftbewegungen in der Versuchsumgebung verstärkt. Letztlich lässt sich sagen, so die Autoren des Institut für Textiltechnik, dass eine gewisse Ungenauigkeit in den Materialparametern dazu führt, dass die Endtemperaturen aus Simulation und Versuchen trotz einiger Vereinfachungen in derselben Größenordnung liegen.

Mit Hilfe der Simulation können Textilien in einem ersten Schritt effizient und schnell voreingeschätzt werden. Außerdem ermöglicht der komponentenweise Aufbau der Simulation schnelle Veränderungen von Materialparametern oder eine Änderung des Lagenaufbaus. Alles zusammen genommen kann dies zur Optimierung der Hitzeschutzbekleidung genutzt werden. Benutzt man eine solche Simulation, so ist besonders auf die Genauigkeit der verwendeten Materialparameter zu achten. Weitere physikalische Effekte, wie Strahlungseinflüsse, können bei Bekanntheit der Parameter in die Simulation integriert werden. Im übrigen wird von den Autoren empfohlen die benötigte Rechenleistung durch Vereinfachungen und Ausnutzungen von Symmetrien in der Geometrie zu minimieren.

Eine ausführliche Fassung von Kevin Krause, Paul Grünefeld, Lena Barth, Lukas Lechthaler, Christoph Peiner und Thomas Gries ist in melliand Textilberichte 1/2020 erschienen.