Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMModellkalibrierung und Prozessoptimierung für das Fließen und Mischen
Vergleich des Strömungsverhaltens von Sesamkörnern im FlowBoard-Experiment und in der Simulation.
Bestimmung von Parametern für Diskrete-Elemente-Modelle
Basierend auf experimentellen Charakterisierungen Ihres Pulvers oder Schüttguts mithilfe speziell entwickelter Tests ermitteln wir die spezifischen Modellparameter für Ihr Material.
Während einige Modellparameter direkt aus den Messwerten abgeleitet werden können, müssen andere mithilfe einer inversen Simulation, d. h. der Simulation realer Versuche, angepasst werden. Hier helfen uns unsere Erfahrung und eine Datenbank, um den manuellen Aufwand zu begrenzen. Durch den Vergleich des Experiments mit der Simulation erhalten wir dann die für Ihre Anwendung am besten geeigneten Modellparameter.
Mit unserem zum Patent angemeldeten FlowBoard können wir viele Eigenschaften des Pulverflusses gleichzeitig in maßgeschneiderten Hindernisparcours aufzeichnen. Dieses Gerät ermöglicht es uns, eine Vielzahl von Modellparametern mit einer geringen Anzahl von Experimenten zu kalibrieren.
Durch Variation des verwendeten Hindernisparcours können wir uns auf verschiedene Partikel-Partikel- oder Partikel-Wand-Eigenschaften wie Reibung, Kohäsion und Stoßzahl konzentrieren. Je nach Parcoursgestaltung untersuchen wir entweder das Fließverhalten dichter Strömungen oder das Kollisionsverhalten einzelner Partikel.
Das Bild links vergleicht das Strömungsmuster im FlowBoard mit den entsprechenden Simulationsergebnissen. Dieser Vergleich bestätigt, dass das in der numerischen Simulation beobachtete Fließverhalten des Schüttguts seinem Verhalten in der Realität entspricht.
Simulation des Mischvorgangs: Anfangsbedingung (links), Mischvorgang nach wenigen Sekundenbruchteilen (Mitte) und nach 5 Sekunden (rechts). Die Partikel sind entsprechend ihrer anfänglichen radialen Position eingefärbt.
Simulation des energieeffizienten Trajektionsmischens
Das Mischen von Schüttgütern stellt eine grundlegende verfahrenstechnische Operation dar, die in zahlreichen Industrien Anwendung findet; etwa bei pulverförmigen Wirkstoffen, Füllstoffen oder Granulaten in der Pharmazie, Lebensmitteln wie Mehl, Zucker und anderen Trockenzutaten, oder bei Metalloxiden und Graphit- oder Elektrolytpulver in der Batterieherstellung. Die Anforderungen an eine hohe Produktqualität erfordern eine gründliche Durchmischung des Schüttguts, mit entsprechend langen Mischzeiten als Folge. Bis zu einem Drittel des Gesamtenergiebedarfs dieser Prozesse kann allein auf das Mischen entfallen.
In Zusammenarbeit mit der Firma hs-tumbler wurde ein neuartiges Mischkonzept optimiert, das sowohl die Mischzeit als auch den Energiebedarf des Mischprozesses signifikant reduziert. Dieses Konzept basiert auf dem Prinzip des Trajektionsmischens (Trajektorie = Bahnkurve), in dem ein Behälter mit dem zu mischenden Schüttgut vordefinierte, mathematisch beschriebene Bahnen durchläuft. Abrupte Richtungswechsel und damit verbundene Beschleunigungen führen zu einer raschen Durchmischung bei gleichzeitig geringem Energieeintrag in das Schüttgut.
Der Mischvorgang im Trajektionsmischer wurde numerisch nachgebildet und detailliert analysiert. Diese Simulationen erlauben es, den Grad der Durchmischung über die Zeit zu ermitteln und geben Aufschluss darüber, wie lange unterschiedliche Schüttgüter gemischt werden müssen als auch welche Trajektorie die besten Ergebnisse liefert. Die Verbindung aus gezielter Bahnsteuerung und simulationsgestützter Optimierung eröffnet damit einen neuartigen, datenbasierten Ansatz zur materialspezifischen Prozessauslegung. Somit ist es möglich, für jedes Material das optimale Mischsetup zu bestimmen.
Simulation des Pulverflusses (grau) aus einem Füllschuh in eine Matrize (blau).
Bewertung des Einflusses von Werkzeuggeometrie und Pulvercharakteristika auf das Füllverhalten beim Matrizenfüllen
Beim Befüllen einer Matrize für das Trockenpressen können aufgrund der Fließfähigkeit des Pulvers oder des Matrizendesign Ungleichmäßigkeiten oder unvollständige Füllungen auftreten. Dies beeinträchtigt die Qualität der anschließend gepressten und gesinterten Bauteile. Durch Simulationen mit der Diskrete-Elemente-Methode können solche Füllvorgänge vorab am Computer analysiert werden. Es ist hierüber möglich, den Einfluss der Füllgeschwindigkeit oder des Designs des Füllschuhs auf das Ergebnis des Befüllens zu untersuchen. Neben der Bestimmung der benötigten Modellparameter liegt dabei die Expertise des IWM auch in der Entwicklung spezialisierter, komplexer Wechselwirkungsgesetze zwischen den Pulverkörnern, die an das jeweilige Fließverhalten angepasst sind.
- Fraunhofer IWM Jahresbericht 2015
- Weitere Einzelheiten zum Matrizenfüllen sind auf unserer SimPARTIX-Homepage zu finden
- Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.; Die filling optimization via three-dimensional discrete element modeling; Powder Technology 196/2 (2009) 169-179 Link
- Bierwisch, C.; Kraft, T.; Riedel, H.; Moseler, M.; Three-dimensional discrete element models for the granular statics and dynamics of powders in cavity filling; Journal or the Mechanics and Physics of Solids 57/1 (2009) 10-31 Link