Schonende Pflege

Die Entwicklung von Zahnbürsten und Zahnpasten war bisher langwierig, da eine Vielzahl von realen Proben auf Prüfständen zu untersuchen war. Durch eine neue, von Fraunhofer IFM entwickelte Simulationsmethode lassen sich nun insbesondere das Reinigungs- und Abrasionsverhalten virtuell prüfen.

15. März 2016

Wie neue Simulationsmethoden die Produktentwicklung auf ganz neue Grundlagen stellen können, zeigt eine neue Methode des Freiburger Fraunhoferinstituts für Werkstoffmechanik (IWM). Bisher erforderte die Entwicklung solcher Produkte für die Zahnpflege umfangreiche Versuchsreihen. So können die Borsten der Zahnbürsten abgerundete oder spitz, hart oder weich und unterschiedlich lang sein. Ebenso kann eine Zahncreme unterschiedliche Anteile von abrasiven Beimischungen enthalten. Also müssen die Entwickler die Auswirkungen vieler Parameter auf Prüfständen untersuchen. Zudem lässt sich immer nur das Gesamtsystem aus Zahnbürste, Zahnpasta und Zahnschmelz untersuchen. Dadurch lässt sich im Experiment schwer beurteilen, welchen Einfluss jeder einzelne Parameter ausübt.

Ein neuartiges Simulationsverfahren, entwickelt vom Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, soll nun Abhilfe schaffen. "Mit unserem Verfahren können Hersteller von Zahnpflegeprodukten schnell, kostengünstig und zuverlässig erfassen, welchen Einfluss die jeweiligen Faktoren auf die Reinigung haben", sagt Dr. Christian Nutto, Wissenschaftler am IWM. "Anders als im Experiment lassen sich die einzelnen Parameter in der Simulation einfach variieren – sei es die Größe, die Form oder auch die Menge der abrasiven Partikel in der Zahnpasta, sei es das Material, aus dem sie bestehen, oder die Form und die Elastizität der Bürstenfilamente. Wir können die Untersuchungen viel breiter anlegen, als dies bei realen Tests möglich wäre – was sich in der Qualität der Produkte bemerkbar macht."

Ein wichtiger Bestandteil von Zahnpasten sind Putzkörper (Abrasivstoffe), die den Zahnbelag mechanisch entfernen. Eine Paste sollte nicht zu abrasiv sein, da sie sonst über Jahre hinweg den Zahnschmelz schädigen könnte, der sich nicht regeneriert. Noch sensibler zeigen sich die aus Dentin ("Zahnbein") bestehenden Zahnhälse. Wer freiliegende Zahnhälse hat, sollte daher eine Zahncreme mit geringem Abrieb wählen, empfiehlt die Bundeszahnärztekammer.

Für die Auslegung von Produkten der Zahnpflege setzt Christian Nutto auf die am IWM entwickelte Simulationssoftware SimPartix, welche die Partikelsimulationsmethode "Smoothed Particle Hydrodynamics" verwendet, kurz SPH. "Wir geben dabei Eigenschaften wie Fließfähigkeit, Dichte, Form und Füllfaktor der Abrasivpartikel vor", erläutert Nutto. Auch Parameter für den Zahnschmelz werden berücksichtigt. Das virtuelle Zahnbürstenfilament streicht dann über den Zahnschmelz: Die Simulation ermittelt, wie die scheuernden Partikel mit dem elastischen Filament wechselwirken. Zudem berechnet sie die Reinigungswirkung, und wie aggressiv die Abrasivpartikel auf den Zahnschmelz wirken.

Das Team der Gruppe "Pulvertechnologie, Fluiddynamik" kann dabei sowohl die Geschwindigkeit variieren, mit der sich die Borsten über den Zahnschmelz bewegen, als auch die Kraft, mit der sie aufgedrückt werden. Zur Integration der Partikelsimulation in standardisierte Simulationsprogramme hat das Team um SimPartix in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI ein zusätzliches Softwaretool entwickelt.