Untersuchung der Teilchenrotation und -translation beim Sintern metallischer Pulverhaufwerke mit Hilfe der Mikrocomputertomographie

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Joachim Ohser
• Subject Area: Glass, Ceramics and Derived Composites
• Term: from 2001 to 2005
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5283348

• Final Report Year: 2006

Final Report Abstract

Zielstellung des Forschungsvorhabens waren Aufklärung und Darstellung von Verdichtungsvorgängen innerhalb verschiedener technologischer Stadien der pulvermetallurgischen Verfahrenstechnik. Im ersten Teil des Projekts konnten kontrastreiche 3d Aufnahmen von Pulverhaufwerken aus 1 mm Kupferkugeln erzeugt und mit Hilfe der zur Verfolgung der Teilchenbewegungen erstellten Bildanalysesoftware ausgewertet werden. Erstmals konnte so ein Zusammenhang zwischen der Teilchenbewegung und der Schwellung von 3d Sinterkörpern nachgewiesen werden. In der Sintertechnik werden feine Pulver verwendet. Daher wurden in der zweiten Etappe des Forschungsvorhabens Teilchendurchmesser von 100 μm untersucht. Dadurch kommt man der pulvermetallurgischen Praxis deutlich näher. Zugleich wird die Partikelzahl auf ein Vielfaches erhöht (ca. 10.000 im Vergleich zu weniger als 100). Diese hohe Partikelzahl und das ungünstigere Verhältnis von Pixelgröße zu Partikeldurchmesser (1/20 im Vergleich zu 1/40) stellten im zweiten Projektteil deutlich höhere Anforderungen an die für Segmentierung und Bewegungsverfolgung einzusetzenden Verfahren. Diese Herausforderung wurde gemeistert, auch für die ßildserie mit feinem Pulver konnten die Sinterpartikel über die acht untersuchten Zeitschritte verfolgt werden. Die Mittelpunkte der Sinterkugeln bilden ein dreidimensionales (zufälliges) Punktfeld, Bei den im zweiten Projektteil erreichten hohen Kugelanzahlen bietet die statistische Analyse dieses Punktfelds die Möglichkeit, den Sinterprozess genauer zu beschreiben. Aufbauend auf Überblicksstatistiken und der Analyse der Nachbarschaftsbeziehungen sollte das (räumliche) Punktfeld der Partikelzentren modelliert werden. Dazu waren zunächst Gibbssche Punktprozesse anvisiert, die sich jedoch wegen der für diese Modellklasse kaum erreichbaren Volumendichte als nicht geeignet erwiesen. Alternativ wurden daher zufällige dichte Kugelpackungen untersucht, die mit Modifikationen erfolgreich für die Modellierung einzelner Zustände verwendet werden konnten. Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass modifizierte zufällige dichte Kugelpackungen für die Simulation der Struktur von Sinterkupfer am Beginn des Sinterprozesses geeignet sind. Drei Modifikationsmöglichkeiten wurden untersucht und rein empirisch angewendet. Die Wirkung der Modifikationen, insbesondere in Kombination, ist Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten, die in einem Verfahren zur Parameterwahl resultieren sollen. Zufällige Laguerre-Mosaike auf der Basis zufälliger dichter Kugelpackungen sind ein gutes Modell für Endzustände. Zu untersuchen ist, ob Zwischenzustände ausreichend gut durch einen geometrischen Wachstumsprozesse, definiert durch ein Interpolationsverfahren zwischen Packung und Mosaik, beschrieben werden können. Zufällige dichte Packungen sind auch für andere Partikelformen möglich. Offen ist jedoch, wie Mischungen verschiedener Formen mit genügend hoher Volumendichte zu simulieren sind. Die Lösung dieser Frage wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu realistischen Modellen für Sintermaterialien.

Publications

• The Euler number of discretised sets - surprising results in three dimensions. Image Anal. Stereol., 22:11-19, 2003
  J. Ohser, W. Nagel, and K. Schladitz
  
• Diffraction by image processing and its application in materials science. Report 67, Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern, 2004
  J. Ohser, K. Schladitz, K. Koch, and M. Nöthe
  
• Analyse der Teilchenbewegung während des Sinterns an Hand von Volumenbildern. 13. Arbeitstagung „Quantitative Image Analysis", Darmstadt, Juni 2005
  K. Schladitz
  
• Analysis of volume images - a tool for understanding the microstructure of foams. In: R. F. Singer, C. Körner, V. Altstadt, and H. Münstedt, editors, Cellular Metals and Polymers, pages 159-162, Zürich, 2005. Trans Tech Publications
  M. Godehardt, K. Schladitz, and T. Sych
  
• Design of acoustic trim based on geometric modeling and flow simulation for non-woven. Report 72, Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern, 2005
  K. Schladitz, S. Peters, D. Reinel-Bitzer, A. Wiegmann, and J. Ohser
  
• Diffraction by image processing and its application in materials science. Z. Metallkd., 96(7):731-737, 2005
  J. Ohser, K. Schladitz, K. Koch, and M. Nöthe
  
• Evolution of surface area and free volume during the infiltration of fiber felts. In: Carbon, Gyeongju, Korea, 2005
  A. Pfrang, K, Schladitz, A. Wiegmann, and T. Schimmel
  
• Open metal foams - geometry of the microstructure and material properties. In: B. Kieback and G. Stephani, editors, CELLMET2005 - Cellular Metals for Structural and Functional Applications. 1st International Symposium, Dresden, Germany, May 18-20 2005. Fraunhofer-lnstitut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Fraunhofer IRB Verlag
  Heiko Andrä, Dieter Girlich, Stefan Rief, and Katja Schladitz
  
• Volumetric analysis of a sinter process in time. In: W.G. Kropatsch, R. Sablating, and A. Hanburry, editors, Pattern Recognition, Proc 27th DAGM Symposium, volume 3663 of Lecture Notes in Computer Science, pages 409-416. Springer, 2005
  O. Wirjadi, A. Jablonski, K. Schladitz, and M. Nöthe