Experimentelle Untersuchungen und Simulation der Ansiotropieentstehung beim Foliengießen und Trocknen keramischer Folien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zuge des Projektes wurden die Gründe der Anisotropieentstehung während der gesamten Prozesskette (Foliengießen, Trocknen, Binderausbrand, Sintern, Schwindung) experimentell und numerisch untersucht. Experimentell wurden Kornform und Partikelorientierung im Scherfeld beim Foliengießen als entscheidende Faktoren für die Ausbildung der Anisotropie ermittelt. Mit Hilfe des neu angeschafften Lasermesssystems und der neu aufgebauten Balkenbiege- und Interferenz-Messgeräte konnten die Nassfoliendicke sowie das Trocknungsverhalten hinsichtlich Trocknungsgeschwindigkeit, Trocknungsschwindung und Trocknungsspannung in Abhängigkeit von Prozessparametern experimentell bestimmt und mit analytisch berechneten sowie mit Simulationsergebnissen verglichen werden. Innerhalb der getrockneten Grünfolien wurde entlang der Dickenrichtung die Verteilung des Binders quantitativ gemessen, die durch Kapillarkräfte während der Trocknung verursacht wurde. Außerdem wurde experimentell gefunden, dass die Schwindungsanisotropie der foliengegossenen Produkte schon beim Entbindern zu beobachten ist, was starken Einfluss auf die anisotrope Schwindung beim Sintern hat. Mittels der neu entwickelten Bildanalysemethode wurde die Mikrostrukturanisotropie (Partikel- und Porenorientierung) in Folien mit der Schwindungsanisotropie bei unterschiedlichen Sintertemperaturen in allen drei Raumrichtungen korreliert. Mit zunehmender Kornformanisotropie wurden die Partikel und die Poren stärker in Gießrichtung ausgerichtet, was die Schwindungsanisotropie erhöhte. Der Einsatz von sphärischen und plättchenförmigen Partikeln ergab geringere bzw. höhere Schwindungs- und Gefügeanisotropien in den entsprechenden Folien. Während der Projektlaufzeit wurden Modelle für die Simulation der wesentlichen Prozessschritte beim Foliengießens entwickelt. Hervorzuheben ist die Modellierung des Gießschlickers (aber auch von Suspensionen im Allgemeinen) auf Mikrostrukturebene mit einem „Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)“-Ansatz mit starren Körpern. Dies ermöglicht einen Einblick in die Bewegung und Interaktion der Keramikpartikel und somit ihrer Ausrichtung in der Scherströmung unter der Rakel. Hierbei ist die geometrische Form der explizit dargestellten Keramikpartikel frei wählbar. Die SPH-Methode wurde auch verwendet um, gekoppelt mit einem analytischen Ansatz für die Berechnung der Partikelorientierung, den Foliengießprozess auf Anlagenebene zu simulieren. Für die Abbildung der kompletten Prozessschritte wurden am Fraunhofer IWM vorhandenen Modelle der Diskreten Elemente Methode (DEM) angepasst, um den Gesamtprozess von Gießen über das Trocknen zum Sintern vereinfacht abzubilden. Die Anwendbarkeit der entwickelten Modelle wurde mit Hilfe von Verifikationsrechnungen und Experimenten nachgewiesen. Anschließend wurde mittels Parameterstudien der Einfluss der Material- und Prozessparameter auf die Anisotropieentstehung detailliert untersucht. Zum Beispiel ermöglichte die gekoppelte Simulation auf Anlagenebene die Untersuchung des Einflusses der Rakelgeometrie auf die Foliendicke sowie die Partikelausrichtung. Die Simulation auf mikroskopischer Ebene lieferte Erkenntnisse über die Bewegung der Keramikpartikel im Gießschlicker sowie den Einfluss von Partikelform, Gießgeschwindigkeit und anderer Parameter auf die resultierende anisotrope Partikelorientierung. Mit Hilfe des DEM-Ansatzes konnte die Entstehung anisotroper Sinterschwindung bei Systemen mit sphärischen Pulvern untersucht und auf die Partikelanordnung beim Gießen und Trocknen zurückgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Stress development during drying of aqueous zirconia based tape casting slurries measured by transparent substrate deflection method. J. Am. Ceram. Soc. 92 [6] 1178–1185 (2009)
C. Bauer, M. Cima, A. Dellert, A. Roosen
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Effect of material and process parameters on anisotropic shrinkage in tape cast products. J. Eur. Ceram. Soc. 30 3397–3406 (2010)
A. Heunisch, A. Dellert, A. Roosen
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A Comprehensive Simulation Model for Tape Casting: From Flow Behavior to Anisotropy Development. J. Am. Ceram. Soc. 94 2053–2060 (2011)
A. Wonisch, P. Polfer, T. Kraft, A. Heunisch, A. Dellert, A. Roosen
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The origin of anisotropic shrinkage in tape cast green tapes. Int. J. Appl. Ceram. Tech. 8 1312–1319 (2011)
A. Dellert, A. Heunisch, A. Roosen
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Effect of pore orientation on anisotropic shrinkage in tapecast products. J. Eur. Ceram. Soc. 34 2483–2495 (2014)
Z. Fu, A. Dellert, M. Lenhart, A. Roosen
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Correlation between anisotropic green microstructure of spherical-shaped alumina particles and their shrinkage behavior. Special issue of J. Am. Ceram. Soc. on SINTERING 2014, Volume 98, Issue 11, November 2015, Pages 3438-3444
Z. Fu, P. Polfer, T. Kraft, A. Roosen
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In situ study of mass loss, shrinkage and stress development during drying of cast colloidal films, J. Eur. Ceram. Soc., Journal of the European Ceramic Society, Volume 35, Issue 10, September 2015, Pages 2883-289
Z. Fu, U. Eckstein, A. Dellert, A. Roosen
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Three-dimensional shrinkage behavior of green tapes derived from spherical-shaped powders: Experimental studies and numerical simulations. J. Eur. Ceram. Soc., Journal of the European Ceramic Society, Volume 35, Issue 8, August 2015, Pages 2413-2425
Z. Fu, P. Polfer, T. Kraft, A. Roosen
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“Shrinkage of tape cast products during binder burnout,” J. Am. Ceram. Soc. 98 20–29 (2015)
Z. Fu and A. Roosen
