Kohäsive Pulver: Eine besondere Herausforderung

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

In der Pulvertechnologie ist das Trockenpressen ein etabliertes Verfahren, um Bauteile aus technischer Keramik, Sinterstählen oder Hartmetall herzustellen. Inhomogene Dichteverteilungen in der Schüttung werden durch den Pressvorgang jedoch nicht neutralisiert und führen beim anschließenden Sintern mitunter zu erheblichen Form- und Maßabweichungen. Um problematische Dichteunterschiede in der Schüttung aufzuspüren, wurden am Fraunhofer IWM Simulationswerkzeuge entwickelt, die speziell auf den Füllprozess zugeschnitten sind. Mit ihrer Hilfe erhalten Kunden Hinweise, um ihren Herstellungsprozess noch besser zu gestalten.

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Problemstellung

Vor allem bei Pulvern, die schlecht fließen oder verklumpen, ist es wichtig zu gewährleisten, dass die Pressform möglichst gleichmäßig mit Pulver gefüllt ist. Die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) simuliert das Verhalten einer Vielzahl einzelner Körner und modelliert darum das Pulver sehr realitätsnah. Die Wechselwirkung der Teilchen untereinander bestimmt unter anderem das komplexe Verhalten des Pulvers während des Schüttvorgangs. So werden Teilchen aneinander gepresst und erhöhen dadurch ihren Zusammenhalt. Bei entsprechend großem Energieeintrag, beispielsweise beim Aufprall am Boden des Presswerkzeugs, lösen sie sich wieder voneinander. Von den üblichen Kraftgesetzen der DEM werden diese Effekte nur unzureichend abgedeckt. Um diese komplexen Verhaltensmuster in der Simulation abzubilden, wurden spezielle Kraftgesetze entwickelt, welche die Lastgeschichte der Teilchenkontakte berücksichtigen. Das Werkstoffmodell reagiert damit auf äußere Einflüsse und passt die Charakteristik des Pulvers dynamisch an die Prozess- und Umgebungsbedingungen an.

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Ergebnisse

Die Methode ist in der Lage, komplexes Pulververhalten korrekt zu beschreiben: Der Vergleich von Experiment und Simulation in Abbildung 1 zeigt, dass sowohl die Ausbildung verschiedener Fließzonen (a, b) zu Beginn des Füllvorgangs, als auch die spätere Fluidisierung des Pulvers (c, d) vom Simulationsmodell korrekt wiedergegeben werden. Die Simulation steht jetzt einem breiten Anwenderkreis aus der pulververarbeitenden Industrie zur Verfügung. Unsere Kunden aus den Bereichen Lebensmittel, Pharmazie, Keramik oder Hartmetalle können mit Hilfe dieser Simulationen ihre Prozesse gezielt optimieren und so eine höhere Prozessstabilität und geringere Ausschussraten erreichen sowie qualitativ höherwertige Produkte herstellen.

Fraunhofer IWM: Simulation und Experiment. Die Ausbildung verschiedener Fließzonen (a, b) sowie die spätere Fluidisierung des Pulvers (c, d) werden vom Simulationsmodell korrekt wiedergegeben

Abbildung 1: Simulation und Experiment. Die Ausbildung verschiedener Fließzonen (a, b) sowie die spätere Fluidisierung des Pulvers (c, d) werden vom Simulationsmodell korrekt wiedergegeben. Bilder links: © Fraunhofer IKTS

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