Mikromechanische Abtragsprozesse bei der Werkstoffbearbeitung mit fluidgekoppelten Partikelsystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Brücker; Professor Dr. Meinhard Kuna
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 199949330

In diesem Vorhaben werden die festkörpermechanischen und strömungsmechanischen Wechselwirkungen von Partikelsystemen bei verfahrenstechnischen Nass-Bearbeitungs-Prozessen mit ungebundenen Abrasivpartikeln wie Drahtsägen, Polieren oder Läppen auf mikromechanischer Ebene erforscht. Mit Hilfe der Diskreten-Element-Methode werden die Interaktionen scharfkantiger dreidimensionaler Partikel untereinander und mit deformierbaren Werkzeug- und Werkstückoberflächen modelliert. Der eigentliche Abtragsmechanismus infolge mikroskopischer Bruchvorgänge wird simuliert und quantifiziert. Die Prozesse im Scherspalt und Schnittspalt werden an eigens dafür entwickelten Versuchsanordnungen experimentell mit der Stereo-Mikroskopie unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras untersucht. Das Ziel ist es, die Kontaktdynamik von Partikelsystemen in diesen Scherströmungen in Wechselwirkung mit den Oberflächen bei hohen Stoßgeschwindigkeiten und Rotationen unter dem Einfluss unterschiedlicher Rauhigkeitsstrukturen und Materialeigenschaften der Partikel und Wände zu verstehen. In der zweiten Antragsphase steht die Rückwirkung der Partikelsysteme auf die Strömung im Zentrum der aufeinander abgestimmten experimentellen und numerischen Untersuchungen. Letztere werden mittels der vollständigen Kopplung von Diskrete-Elemente-Methode und Strömungssimulation erfolgen. Damit lassen sich Effekte wie die Strömungsbeeinflussung durch ruhende Partikel oder Cluster, lokale Druckänderungen im Fluid sowie Entmischungsvorgänge der Partikel erfassen. Aufbauend auf den dazu geplanten Grundlagenuntersuchungen an einem Scherspaltmodell unter definierten Randbedingungen werden die entwickelten Methoden für den Sägeprozess von Silizium-Wafern angewendet und mit den makroskopischen technologischen Parametern wie Abtragsrate und Oberflächenqualität korreliert. Aufgrund der enormen Verbreitung dieser Verfahren bei Werkstoff bearbeitenden Technologien wird durch den erreichten Erkenntnisgewinn eine deutliche Steigerung der Effizienz und Produktqualität erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen