Modellieren von Faserstrukturen

GeoApp: Generate Nonwoven Statistical Digital Twin

Die GeoApp Generate Nonwoven Statistical Digital Twin wurde ursprünglich entwickelt, um digitale Zwillinge von Vliesstoffstrukturen zu erstellen. Heute ist sie jedoch weit mehr als das: Sie eignet sich ebenso hervorragend für die Modellierung einer Vielzahl faserbasierter Materialien, darunter faserverstärkte Verbundstoffe, faserbasierter Gasdiffusionsschichten in Brennstoffzellen und verschiedene Arten von Filtermedien.

Bevor der digitale Zwilling erstellt werden kann, wird die Originalprobe zunächst in GeoDict aufbereitet. Dieser Prozess umfasst das Importieren und Segmentieren der Zielstruktur mithilfe von ImportGeo-Vol sowie die anschließende Analyse mit FiberFind-AI oder alternativ den direkten Einstieg in die Analyse einer bereits segmentierten Probe.

Die Erstellung von Strukturen mit gekrümmten Fasern ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die durch die GeoApp erheblich vereinfacht wird. Sie optimiert den digitalen Zwilling automatisch, sodass er den stochastischen geometrischen Eigenschaften des Originalmaterials entspricht.

Der Prozess startet mit der Auswahl der Ziel-Ergebnisdatei IdentifyFibers.gdr (generiert durch FiberFind-AI) und der Definition der Optimierungsparameter. Dabei hält die GeoApp fixe Werte für Schlüsselmerkmale wie Faserdurchmesser, -länge, -orientierung und Faseranteil ein, während sie gleichzeitig die Faserkrümmung und -lockigkeit dynamisch anpasst. Dies gewährleistet, dass der finale digitale Zwilling die charakteristischen Merkmale der Originalprobe präzise widerspiegelt.

GeoDict Publikationen

[1] Grießer A., Westerteiger R., Glatt E., Hagen H., Wiegmann A., Identification and analysis of fibers in ultra-large micro-CT scans of nonwoven textiles using deep learning, The Journal of The Textile Institute, 114(11), 1647–1657, 2023. https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00405000.2022.2145429

[2] Grießer A., Westerteiger R., Glatt E., Hagen H., Wiegmann A., Deep learning based segmentation of binder and fibers in gas diffusion layers, Next Materials, Volume 6, January 2025, 100411. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949822824003083

GeoApp Features

Optimierung der Dichteverteilung

Für faserbasierte Strukturen mit höherer Komplexität bietet sich eine zusätzliche Optimierung des digitalen Zwillings an, die auf der Dichteverteilung entlang der Dicke basiert. Hierfür wird die Ergebnisdatei Thickness Estimation.gdr aus dem MatDict-Modul herangezogen. Diese Datei enthält 1D-statistische Daten zur Dichteverteilung der Originalstruktur, die gezielt zur weiteren Verfeinerung des digitalen Zwillings eingesetzt werden können.

Steigerung der Zeiteffizienz

Um die Suchzeit nach dem optimalen statistischen digitalen Zwilling zu minimieren, empfiehlt es sich, zunächst Downsampling oder einen kleineren Probenausschnitt für die initiale Optimierung zu verwenden. Sobald die optimalen Parameter ermittelt sind, können diese auf die vollständige Struktur skaliert werden, um den finalen digitalen Zwilling zu erzeugen.

Für folgende Module ist eine Lizenz notwendig:

Notwendiges Modul FiberFind-AI

Diese Module und GeoApps werden oft mit der "Generate Nonwoven Statistical Digital Twin" GeoApp kombiniert:

Import & Bildverarbeitung ImportGeo-Vol  
Bildanalyse FiberFind-AI MatDict
Materialmodellierung FiberGeo  
Simulation & Vorhersage    
Schnittstellen    

Welche Module für Sie am besten passen, ist abhängig von der Art Ihrer Anwendung.