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

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Vorhaben wurden 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 (DEM) wurden die Interaktionen scharfkantiger dreidimensionaler Partikel untereinander und mit deformierbaren Werkzeug- und Werkstückoberflächen modelliert. Der eigentliche Abtragsmechanismus infolge mikroskopischer Bruchvorgänge wurde simuliert und quantifiziert. Typischerweise spielt in derartigen Scherströmungen die Wechselwirkung der Partikelsysteme mit dem Fluid (Slurry) und den umliegenden Oberflächen eine wesentliche Rolle. Deshalb wurde das Fluidverhalten mit Hilfe der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) modelliert und eine vollständige Kopplung der DEM und Strömungssimulation durch geeignete Kontaktdynamik erarbeitet. Damit lassen sich Effekte wie die Strömungsbeeinflussung durch ruhende Partikel oder Cluster, lokale Druckänderungen und Kavitation im Fluid sowie Entmischungsvorgänge der Partikel erfassen. Die gekoppelten DEM und SPH Verfahren wurden in den open source code LIGGGHTS implementiert. Die entwickelten theoretisch-numerischen Grundlagen und Software wurden auf den Sägeprozess von Silizium-Wafern angewendet und mit den makroskopischen technologischen Parametern wie Abtragsrate, Drahtgeschwindigkeit und Läppdruck korreliert. In Ergänzung zum ursprünglichen Antrag wurde ein neuen Versagensmodells zur Simulation des Bruchverhaltens von trockenen Partikelsystemen entwickelt, worin das Mohr-Coulomb Kriterium mit dem probabilistischen Weibull-Konzept verknüpft wurde. Begleitend zu den numerischen Simulationen wurden die Prozesse im Scherspalt und Schnittspalt an eigens dafür entwickelten Versuchsanordnungen experimentell mit der Stereo-Mikroskopie unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitskameras untersucht. Durch den Vergleich der numerischen Simulationen mit diesen Experimenten konnten neue Phänomene erkannt werden. Es zeigte sich eine zufriedenstellende Übereinstimmung. Im Vergleich zu bisher bekannten Modellen für die Simulation von Partikelsystemen wurden alle relevanten Phänomene berücksichtigt und folgende Fortschritte erzielt: • Modellierung von Geometrie und Durchdringung scharfkantiger 3D polyederförmiger Partikel in der DEM und Erarbeitung eines allgemeingültigen Kontaktgesetzes. • Berücksichtigung der vollständigen Interaktion zwischen den bewegten Partikeln und dem strömenden Fluid durch Kopplung von DEM und SPH, wozu neue Gesetze für die Kraftwechselwirkung zwischen Festkörper- und Fluidpartikeln entwickelt wurden. • Bei der Simulation von Zerkleinerungsprozessen konnte die Abhängigkeit der Partikelfestigkeit von ihrer Größe berücksichtigt werden. Aufgrund der enormen Verbreitung verfahrenstechnischer Nass-Bearbeitungs-Prozesse mit Abrasivpartikeln bei der Werkstoffbearbeitung und -trennung wird durch den erreichten Erkenntnisgewinn eine besseres wissenschaftliches Verständnis der elementaren Abtragsmechanismen erwartet. Ebenso können die gewonnenen Erkenntnisse zur Optimierung der technologischen Prozessparameter dienen und zur Steigerung der Effizienz und Produktqualität beitragen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Contact forces of polyhedral particles in discrete element method”. In: Granular Matter 15.3 (2013)
  B. Nassauer und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10035-013-0417-9)
• “Polyhedral particles for the discrete element method: Geometry representation, contact detection and particle generation”. In: Granular Matter 15.1 (2013). cited By 29, S. 85–93
  B. Nassauer, T. Liedke und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10035-012-0381-9)
• “Numerical and experimental investigations of micromechanical processes during wire sawing”. In: International Journal of Solids and Structures 51.14 (2014)
  B. Nassauer, A. Hess und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2014.03.040)
• “Entwicklung einer 3D Diskrete Elemente Methode mit polyederförmigen Partikeln zur Simulation der fluidgekoppelten Prozesse beim Drahtsägen .” Diss. Freiberg: TU Bergakademie Freiberg, 2015, 121 S.
  B. Nassauer
  
• “Experimental and numerical study of interaction between particle loaded fluid and a rough wall with micropillars”. In: Tribology International 83 (2015)
  V. Mikulich, B. Nassauer, M. Kuna und C. Brücker
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.10.009)
• “Impact of micromechanical parameters on wire sawing: a 3D discrete element analysis”. In: Computational Particle Mechanics 2.1 (2015)
  B. Nassauer und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40571-015-0036-9)
• “Development of a coupled discrete element (DEM)–smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation method for polyhedral particles”. In: Computational Particle Mechanics 3.1 (2016)
  B. Nassauer, T. Liedke und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s40571-015-0097-9)
• “DEM simulation of polyhedral particle cracking using a combined Mohr–Coulomb–Weibull failure criterion”. In: Granular Matter 19.3 (2017), S. 41
  A. Gladkyy und M. Kuna
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10035-017-0731-8)