Partikelbasierte Prozessmodellierung

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Partikelbasierte Simulationen zur Prozessoptimierung© Fraunhofer IWM
Partikelbasierte Simulationstechniken sind dann besonders nützlich, wenn einerseits der granulare Charakter des Materials eine wichtige Rolle für dessen Verhalten spielt oder andererseits große Dehnungen und Fragmentierungen des Werkstoffs im Prozess auftreten. Im ersten Fall wird die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) eingesetzt, welche die Simulation einer sehr großen Anzahl einzelner physikalischer Partikel und deren Wechselwirkung untereinander ermöglicht. Im zweiten Fall wird die Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode genutzt, welche eine netzfreie Beschreibung von Festkörpern und Flüssigkeiten erlaubt. Beide Methoden werden am IWM weiterentwickelt und sind Bestandteile von SimPARTIX®. Diese Software wird zur Prozesssimulation und –optimierung für urformende, umformende und trennende Fertigungsverfahren sowie für die Verschleißminderung eingesetzt.

SimPARTIX® Abrasive Machining Simulation Tool at the Fraunhofer IWM - video on YouTube
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Prozessoptimierung durch Partikelsimulation

  • Fluidisierung kohäsiver Pulver; Vorhersage der Dichteverteilung beim Matrizenfüllen und Pressen; Bestimmung von Anisotropieeigenschaften beim Foliengießen; Beschreibung von Ablagerungen beim Trocknen; Vermeidung von Rissbildung beim Sintern
  • Gezielte abrasive Oberflächenbearbeitung und Kantenverrundung
  • Vermeidung von erosivem Verschleiß
  • Effizienzsteigerung und Minimierung des Materialverlusts bei Sägeverfahren
  • Verringerung von Strukturbreiten von Druckverfahren
  • Maximierung der Drehmomentübertragung in magnetorheologischen Kupplungen
  • Optimierung der Reinigungsleistung von Zahnpasten
  • Entwicklung anwendungsspezifischer Werkstoffmodelle und Kraftgesetze

Beispiele

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Berechnung der Morphologie der Granulen beim Sprühtrocknen von Pulvern

Fraunhofer IWM: Dichte und hohle sprühgetrocknete Granulen

In der keramischen Industrie ist das Sprühtrocknen ein wichtiger Prozess zur Umwandlung des feinen Primärpulvers in gröbere Granulen. Eine hohe Qualität des Endprodukts erfordert gute Eigenschaften bzgl. der Handhabung und der Kompaktierung der Granulate. Dafür sollten die Granulen möglichst kugelförmig sein und eine homogene Dichte vorweisen. Am Fraunhofer IWM werden gekoppelte Modelle unter Verwendung der Diskrete-Elemente-Methode und der numerischen Strömungssimulation eingesetzt, um die Granulenbildung zu untersuchen. Dabei wird die Entwicklung der Granulenform beim Trocknen einzelner Tröpfchen simuliert. Als Ergebnis werden Korrelation zwischen Parametern wie der Oberflächenspannung der Tröpfchen oder der Oberflächenenergie des Primärpulvers und der entstehenden Granulenform aufgestellt, die zur Prozessoptimierung zur Verfügung stehen.

Maximierung der Drehmomentübertragung in magnetorheologischen Kupplungen

Fraunhofer IWM: Strukturbildung in magnetorheologischen Flüssigkeiten bei Anlegen eines magnetischen Feldes

Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) bestehen aus magnetisierbaren Feststoffpartikeln in einer Trägerflüssigkeit. Bei Anlegen eines externen Magnetfeldes werden die Partikel magnetisiert und bilden Ketten entlang der Feldlinien aus. Dadurch gehen die MRF innerhalb von Millisekunden kontrolliert vom flüssigen in einen festen Zustand über. Dies macht sie interessant für zahlreiche industrielle Anwendungen wie z.B. Kupplungen, Stoßdämpfer und Bremsen. Am Fraunhofer IWM werden MRF unter Einsatzbedingungen auf Partikelebene modelliert. Dadurch wird ein detailliertes Verständnis der innerhalb der MRF wirkenden Mechanismen erreicht, welches eine Eigenschaftsoptimierung im Hinblick auf die betreffende Anwendung ermöglicht.

  • Lagger, H.; Breinlinger, T.; Di Renzo, A.; Di Maio, F. P.; Korvink, J.; Moseler, M.; Bierwisch, C.; Influence of hydrodynamic drag model on shear stress in the simulation of magnetorheological fluids; Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 218 (2015) 16-26

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Minimierung des Sägeverlusts beim Drahtsägen von Siliziumwafern

Fraunhofer IWM: Partikelbewegung bei Drahtsägen von Siliziumwafern

Industriell werden zur Vereinzelung von Siliziumblöcken Multi-Wire-Sägen eingesetzt. Ein Stahldraht wird dabei über Umlenkrollen geführt, welche durch Einkerbungen einen konstanten Abstand der Drahtschlaufen gewährleisten. Der Siliziumblock wird gegen das mit abrasiver Slurry benetzte Drahtnetz gedrückt, wodurch der Sägevorgang ausgeführt wird. Die Slurry besteht typischerweise aus Polyethylenglykol und kantigen SiC-Körnern. Die Herausforderung in der Prozessführung liegt in der gleichzeitigen Minimierung des Sägeverlustes an zerspantem Silizium und der Maximierung der Sägeeffizienz. Am Fraunhofer IWM durchgeführte, partikelbasierte Simulationen liefern Einblicke in die Wechselwirkung von Trägerflüssigkeit, Abrasivkörnern und Siliziumoberfläche im experimentell schwer zugänglichen Sägespalt und zeigen dadurch Wege zur Optimierung von Sägeverlust und Sägeeffizienz auf.

  • Bierwisch, C.; Kübler, R.; Kleer, G.; Moseler, M.; Modelling of contact regimes in wire sawing with dissipative particle dynamics, Philosophical Transactions of the Royal Society A 369/1945 (2011) 2422-2430 Full Text

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Verringerung der Strukturbreiten beim Siebdruck keramischer Mehrlagenschaltungen

Fraunhofer IWM: Stromlinien und lokale Viskositäten bei Siebdruck

Keramische Mehrlagenschaltungsträger sind u.a. in Mikrowellen-Schaltkreisen, Herzschrittmachern, Sensoren und WLAN-Einheiten zu finden. Die feinen Leiterbahnen werden durch Siebdruck auf die Platinen aufgebracht. Dazu wird eine Metallpaste, die feine Aluminium- oder Silberpartikel enthält, durch eine Schablone entsprechend der gewünschten Form auf eine Oberfläche gedruckt und danach bei relativ niedriger Temperatur zusammen mit den Keramikfolien gesintert. Am Fraunhofer IWM wurde ein Simulationsmodell zur vollständigen Beschreibung des Strömungsverhaltens der Paste im Siebdruck-Prozess entwickelt und eingesetzt. Dabei wurde gezeigt, dass eine hydrophobe Beschichtung der Siebunterseite die Pastenablösung deutlich verbessert, während eine separate Beschichtung der Sieboberseite nicht notwendig ist. Dies erleichterte die Entwicklung geeignet beschichteter Siebe und daran angepasster Pasten bei den industriellen Partnern und führte zu einer Verringerung der Strukturbreiten von ca. 80 µm auf 20 µm.

  • Schwanke, D.; Pohlner, J.; Wonisch, A.; Kraft, T.; Geng, J.; Enhancement of fine line print resolution due to coating of screen fabrics, Journal of Microelectronics and Electronic Packaging 6(1) (2009) 13-19 Full Text

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Weitere interessante Projektbeispiele, beispielsweise zu abrasiver Bearbeitung, Erosionsverschleiß, kohäsiven Pulvern und viele mehr

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