Integrierte Prozesssimulation der pulvermetallurgischen Herstellung am Beispiel von Porzellan-Fliesen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich, seit 2/2022; Dr.-Ing. Rolf Janssen
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418788750

Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren sind weltweit in vielen technischen Bereichen als kostengünstige Herstellungsroute etabliert. Obwohl diese auf Pulvern basierende Technologie seit langen bekannt ist und die wichtigsten Mechanismen gut verstanden werden erfolgt die Prozessgestaltung und -optimierung nach wie vor vor allem anhand von Erfahrungswerten und experimentell bestimmten Daten; nutzbare Vorhersage-Modell liegen nur bedingt vor und sind allenfalls für die Beschreibung einzelner Aspekte von Teilschritten einsetzbar. Die Abbildung der gesamten Prozessroute in einen “durchgängigen“ Modell steht bisher noch nicht zur Verfügung, sodass die digitalen Abbildung einer pulvermetallurgischen Herstellung und eine darauf aufbauende Vorhersage und Steuerung der resultierenden Produktqualität neuer Ansätze bedarf.Im Rahmen des beantragten Vorhaben wird ein Team aus deutschen und brasilianischen Wissenschaftlern die seit einiger Zeit zur Verfügungen stehenden diskreten Modellierungsansätze aufgreifen und – nach unserer Kenntnis erstmalig - für eine umfassende Modellierung der pulvermetallurgischen Prozesskette nutzen. Dabei wird auch die drucklose Sinterverdichtung in Anwesenheit einer flüssigen Phase quantitativ modelliert, da diese Variante im Vergleich zum in der Sintermodell-Literatur beschriebenen Festphasensintern in vielen Fällen Kostenvorteile in der massentechnischen Herstellung ermöglicht. Am Beispiel dient dabei die Herstellung von Porzellanfliesen – die dabei entwickelnde Modellierungswerkszeuge sollen aber so allgemein gehalten werden das später auch eine Anpassung an andere Bereiche der Pulvermetallurgie mittels modifizierte Parameter/Algorithmen möglich sein wird. Die Modellierung der Prozesskette Pulver→Bauteil→Eigenschaften wird dabei auch erlauben, neue Produkte bzw. den Einsatz neuer Aufbereitungstechniken und Sinteröfen im Vorwege zu analysieren und so Kosten- und Performancevorteile zu nutzen die ansonsten auf Grund des hohen Investitionsbedarfs einer empirischen Optimierung unerkannt bleiben würden. Zentrale Schwerpunkte des beantragten Projekts sind (i) die Entwicklung einer mit in der Industrie einsetzbaren Computerhardware nutzbaren Modellkette vom Pulvergemisch bis zur Bauteileigenschaft, (ii) einen Algorithmus zur Beschreibung der Verdichtung bei Flüssigphasensintern, (iii) den Transfer der Daten von einem diskreten Element zu einem diskreten Bond-Modell, und (iv) die begleitende experimentelle Validierung des Models in Hinblick auf die Vertretbarkeit der für die Minimierung des Rechenaufwands notwendigen Vereinfachungen.Die Arbeiten werden wie in den bisherigen Kooperationen in enger Zusammenarbeit der beiden Partnerteams durchgeführt. Beide Gruppen verfügen sowohl über spezifische Modellierungstools, experimentelle Anlagen sowie eine ausgewiesene Kompetenz im Themengebiet, sodass exzellente Voraussetzungen für eine erfolgreiche Bearbeitung der anspruchsvollen Aufgabenstellung vorliegen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Partnerorganisation: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; (CAPES); Setor bancario Norte
• Kooperationspartner: Professor Dr. Wilson Acchar; Professor Sergio Yesid Gómez; Professor Dachamir Hotza; Professor Dr. Agenor De Noni
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Maksym Dosta, bis 1/2022