23/07/2019 – E. Wendt*, S. Krzywinski*, M. Awais*, B. Bauer**, M. Harnisch***, B.-M. Wölfling***, E. Claßen***

Methodenentwicklung zur skalenübergreifenden Modellierung, Auslegung und digitalen Darstellung von Outdoor- und Schutzbekleidung

Das Ziel des Projektes bestand in der Erarbeitung von anwendungsnahen Grundlagen zur simulationsgestützt kombinierten Betrachtung von geometrischen, textilmechanischen und thermodynamischen Parametern und Prozessen zur Gestaltung und Auslegung von Outdoor-Textilien und -Produkten.

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*     Technische Universität Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), Dresden (Germany)
**   Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), Institut für Textil- und Verfahrenstechnik, Denkendorf (Germany)
*** Hohenstein Institut für Textilinnovation (HIT), Boennigheim (Germany)

Motivation und Zielsetzung

Bei der Auslegung von Funktionstextilien für Outdoor- und Arbeitsschutzbekleidung werden konstruktive Aspekte (Passform enganliegend oder weit, ergonomischer Komfort…) sowie thermodynamische und thermophysiologische Aspekte (Wetterschutz, Feuchtigkeits- und Temperaturmanagement) computergestützt derzeit weitestgehend losgelöst voneinander betrachtet, so dass eine ganzheitliche Produktgestaltung vorrangig auf Basis von empirischem Wissen vorgenommen wird. Das Ziel des Projektes bestand in der Erarbeitung von anwendungsnahen Grundlagen zur simulationsgestützt kombinierten Betrachtung von geometrischen, textilmechanischen und thermodynamischen Parametern und Prozessen zur Gestaltung und Auslegung von Outdoor-Textilien und -Produkten. Damit wird es zukünftig möglich, die bisher vorrangig an textilen Flächengebilden oder mehrlagigen Aufbauten experimentell oder simulationsgestützt ermittelten thermodynamischen Eigenschaften auch in ihrer Wirkung am Menschen unter Berücksichtigung der Produktform, der Körperform und des Aktivitätslevels vorherzusagen.

Vorgehensweise

Für die Untersuchungen wurden 5 sehr unterschiedliche Testpersonen sowie ein thermisches Manikin ausgewählt, die Körperformen im Scan-Prozess dreidimensional erfasst, die Körpermaße individuell bestimmt und die Daten dahingehend aufbereitet, dass sie in weiterführenden Simulationen Anwendung finden können. Des Weiteren wurden personenindividuelle Bekleidungssysteme (CS) für unterschiedliche Umgebungsbedingungen konstruiert und gefertigt. Das CS1 für warmgemäßigte Klimabedingungen (23°C, 50% RH) besteht aus einer Trekkinghose und einem Langarm-Shirt. Das CS2 für kühlgemäßigte Klimabedingungen (15°C, 40%RH) wird mit einer langen Unterhose sowie einer Fleece-Jacke komplettiert. Die Charakterisierung der dazu verwendeten Materialien erfolgte geometrisch, textilphysikalisch sowie thermodynamisch in Anlehnung an die für die jeweiligen Flächenkonstruktionen üblichen DIN-Normen und Vorschriften mit der an den Forschungseinrichtungen vorhandenen Standardprüftechnik bzw. mit entsprechend adaptierten Verfahren. In der geometrischen Charakterisierung wurden die textilen Flächen inklusive der sie konstituierenden Fasern und Garne hinsichtlich ihrer Porenmorphologie auf der Mikro-, Meso- und Makroskala analysiert. Die Bestimmung der textilphysikalischen und thermodynamischen Kennwerte umfasste das Kraft-Dehnungsverhalten, die Biegesteifigkeit, die Dicke, das Flächengewicht sowie die Bestimmung des Wärme- und Wasserdampfdurchgangswiderstandes. Die Ergebnisse dienten als Eingangsparameter sowohl zur Beurteilung des ergonomischen Tragekomforts in der Passformsimulation, zur Analyse und Homogenisierung der Porengrößen und -verteilung im Gesamtsystem (Bekleidung/Mensch), als auch als Eingangsparameter in der thermophysiologischen Simulation.

Besondere Aufmerksamkeit galt der Bestimmung der Größe und Verteilung der Megaporen, welche sich zwischen dem Bekleidungssystem und dem virtuellen Menschmodell bzw. zwischen mehreren Bekleidungsschichten ausbilden. Das darin vorhandene Mikroklima beeinflusst maßgeblich den thermophysiologischen Komfort. Dessen Charakterisierung und Quantifizierung ist eine Voraussetzung zur Durchführung der thermodynamischen Simulation und erfolgte im Anschluss an die Passformsimulation. Die Porengrößen und -verteilungen wurden materialabhängig (im Ergebnis der Passformsimulation sichtbar) und personenindividuell bestimmt und hinsichtlich ihres Einflusses auf die thermophysiologischen Kenngrößen systematisch analysiert. Trageversuche (TV) mit den Testpersonen sowie mit dem thermischen Manikin „Charlie“ wurden zur Bestimmung des thermophysiologischen Verhaltens für die Outdoor-Bekleidungssysteme genutzt. Sie ermöglichen die Ermittlung von objektiven und subjektiven Kenngrößen für den wahrnehmbaren Komfort. Für die Trageversuche wurde eine Testprozedur mit unterschiedlichen Aktivitätslevel (Ruhephase, Gehen mit 4km/h bzw. 6 km/h) und Umgebungsbedingungen definiert, die im weiteren Verlauf ebenfalls in der thermodynamischen Simulation modelliert wurde.

Ergebnisse und Anwendungen

Die Simulation des Wärmetransfers zwischen Mensch und Bekleidungssystem erfolgte im Rahmen dieses Projektes in einer kommerziell verfügbaren Software (Theseus FE) auf der Basis eines Simulationsmodells zur passiven (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) und aktiven (Schwitzen, Zittern, Vasomotion) Thermoregulation (Fiala-Physiology-Comfort-Modell - FPC-Modell). Dafür wurde der importierte individuelle Formkörper entsprechend dem Fiala-Modell unterteilt und den einzelnen Körpersegmenten dessen thermophysiologische Eigenschaften zugewiesen. Eine weitere Segmentierung (Definition von Air-Zonen) erfolgte in Abhängigkeit von der Größe und Verteilung des Megaporenvolumens/Mikroklimas und ist von der Schnittform der Bekleidung sowie von den textilphysikalischen Materialparametern abhängig. Für jede Air-Zone wurden charakteristische Kenngrößen definiert (Wärmeleitfähigkeit, spez. Wärmekapazität, Dicke und Flächengewicht des verwendeten Materials) und berechnet (Mikroklimavolumen, Nusselt-Zahl, Wärmeübergangskoeffizient). Die Simulation des Wärmetransfers erfolgte nach der zuvor in den Trageversuchen definierten Belastungs-Prozedur. Im Ergebnis können für jede definierte Air-Zone die Temperatur der Haut, die Temperatur und Feuchtigkeit des Mikroklimas, die Temperatur auf der Oberfläche der Bekleidung, die Schweißproduktion sowie die lokale und globale Komfortempfindung ausgewertet werden. Die Ergebnisse der Trageversuche bildeten die Grundlage für eine schrittweise Verbesserung der Modellierung. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Simulationsergebnisse im körpernahen Bereich sehr gut mit den Ergebnissen der Trageversuche übereinstimmen. In Körperbereichen, wo die Kleidung nicht eng am Körper anliegt und damit ein größeres Megaporenvolumen entsteht, gibt es zusätzliche Einflussgrößen (Ventilation innerhalb dieser Air-Zone durch Bewegung), die in der Simulation noch nicht ausreichend modelliert werden können.

Die entwickelte Methode ermöglicht es, möglichst frühzeitig im Produktentwicklungsprozess Aussagen über den thermischen Tragekomfort zu treffen, um das überwiegend anzutreffende Entwicklungsszenario in Form von Trial und Error zu überwinden und den zeitlichen und finanziellen Aufwand vom Entwurf einer Kollektion bis zum Prototypen zu reduzieren. Die Ergebnisse der Simulation tragen zum besseren Verständnis des Zusammenspiels der Komponenten Mensch-Bekleidung-Umgebung-Aktivität bei und können des Weiteren zur Validierung und Verbesserung der Simulationsroutinen verwendet werden.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 19472 BG der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 12-14, 10117 Berlin, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Kontakt:

Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), TU Dresden, Dresden
Dipl.-Ing. Ellen Wendt
E-Mail: ellen.wendt@tu-dresden.de
Tel.: +49 (0) 351 463-39327
http://tu-dresden.de/mw/itm