Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Herstellung von Keramikfolien präzise simulieren

01.06.2015

Hersteller von Keramikfolien sind bislang auf ihre Erfahrung angewiesen, wenn sie die Eigenschaften der Folien einstellen. Nun hilft erstmalig eine Kombination von makro- und mikroskopischer Simulation: Diese sagt vorher, wie der Ausgangsstoff durch die Maschine fließt und berechnet die Ausrichtung der Keramikteilchen.

Tassen, Zahnimplantate, Waschbecken – all diese Dinge bestehen bekanntermaßen aus Keramik. Weniger bekannt ist dagegen, dass das Material auch in Abgas- und Temperatursensoren im Auto verbaut ist, und zwar in Form von Folien.


Unten – makroskopische Simulation: Stromlinien während des Gießprozesses, bei dem der Keramikschlicker rechts eingefüllt wird und links unten als Folie den Gießkasten verlässt. Oben – mikroskopische Simulation: Ausrichtung der Keramikpartikel an zwei Stellen im Prozess.

© Fraunhofer IWM

Hier dienen sie beispielsweise als Trägermaterial für elektrische Leiterbahnen, das extrem hohe Temperaturen aushält. Auch in Filteranlagen kommen pörose Keramikfolien zum Einsatz: So seihen sie etwa in der Lebensmittelindustrie Wasser, Milch, Bier oder Wein. Grundlegend dabei ist es, die Eigenschaften der Folien bei ihrer Produktion genau einzustellen.

Bislang können sich die Hersteller jedoch nur über ihre Erfahrung an die gewünschten Eigenschaften herantasten, denn die teuren Produktionsanlagen laufen Tag und Nacht. Für groß angelegte Versuchsreihen bleibt keine Zeit. Und die Ergebnisse, die kleine Laboranlagen liefern, lassen sich nicht ohne weiteres auf die großen übertragen. Das Einstellen der Keramikfolien-Eigenschaften ist daher ein »Spiel mit vielen Unbekannten«.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg ermöglichen es nun mit einer neuen Kombination von Simulationsmethoden, die Anzahl der Unbekannten im Spiel deutlich zu verringern. Sie können im Computer simulieren, was bei Gießprozessen für Keramikfolien passiert – und zwar sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene.

Makroskopisch berechnen die Forscher, wie sich die flüssige Keramik, der Keramikschlicker, durch die Maschine bewegt. Mikroskopisch analysieren sie, wie sich die mikrometerfeinen Keramikteilchen im Schlicker und später in der Folie ausrichten. Das ist europaweit einzigartig.

»Mit unserer Software SimPARTIX® können wir den Foliengießprozess auf verschiedenen Größenskalen betrachten und genau untersuchen, wie sich die einzelnen Parameter auf die Eigenschaften der Folie auswirken«, sagt Pit Polfer, Wissenschaftler am IWM. Für die Hersteller heißt das: Sie können die Prozessführung optimieren, den Ausschuss verringern und die Qualität des Produkts verbessern.

Doch zunächst zum Prinzip der Herstellung: Ein Keramikpulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen und -formen wird mit Lösungsmitteln und Additiven vermischt, es entsteht ein fließfähiger Gießschlicker. Dieser wird in Gießkästen gefüllt. Der nach unten geöffnete Kasten lässt den Schlicker auf ein Förderband fließen, das sich darunter fortbewegt. Eine Rakel – eine Art am Gießspalt montierter Abstreicher – sorgt dabei für die gewünschte Dicke des abtransportierten Keramikschlickers. Es entsteht eine glatte Schicht, die anschließend getrocknet wird.

Makroskopische und mikroskopische Simulation

Die Forscher simulieren makroskopisch, wie der Keramikschlicker durch die Anlage strömt. Denn welche Eigenschaften die Folie später besitzt, hängt auch von der Geometrie der Anlage ab. Bleibt der Schlicker etwa lange in »toten Winkeln« des Gießkastens hängen, altert er dort. Landet er dann schließlich doch in der Folie, führt dies zu Qualitätseinbußen – und damit zu unerwünschtem Ausschuss.

Die Simulation verrät den Herstellern, wie die Gießkastengeometrie die Strömung des Schlickers beeinflusst. Wo bleibt die flüssige Keramik hängen? Wie ändert sich das Strömungsbild, wenn man die Geometrie der Rakel verändert? So können Keramikhersteller vielversprechende Gießkastengeometrien zunächst virtuell testen und teure reelle Versuchs-Rakel einsparen.

Gekoppelt mit dieser makroskopischen Simulation berechnen die Forscher den Schlicker auch auf der mikroskopischen Ebene – und genau darin liegt die Besonderheit des Systems. So untersuchen sie, wie die einzelnen Keramik-Teilchen sich gegenseitig beeinflussen und wie sie im Raum ausgerichtet sind.

Da es jedoch zu aufwändig wäre, den gesamten Schlicker auf diese Weise zu berechnen, wählen die Forscher verschiedene »Flüssigkeitstropfen« aus dem Material aus. Wie durchlaufen diese Tropfen die Anlage? Wie richten sich die Keramikpartikel in ihnen aus?

»Aus diesen Berechnungen können wir dann auf das Verhalten des gesamten Keramikschlickers rückschließen«, sagt Polfer. So ist es möglich, die Ausrichtung der Partikel oder Größengradienten in der Folie einzustellen, um etwa Spezialanwendungen gezielter herstellen zu können.

Katharina Hien | Fraunhofer Forschung Kompakt
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2015/Juni/herstellung-von-keramikfolien-praezise-simulieren.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beton - gebaut für die Ewigkeit? Ressourceneinsparung mit Reyclingbeton
19.04.2017 | Hochschule Konstanz

nachricht Gelatine statt Unterarm
19.04.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Im Focus: Tief im Inneren von M87

Die Galaxie M87 enthält ein supermassereiches Schwarzes Loch von sechs Milliarden Sonnenmassen im Zentrum. Ihr leuchtkräftiger Jet dominiert das beobachtete Spektrum über einen Frequenzbereich von 10 Größenordnungen. Aufgrund ihrer Nähe, des ausgeprägten Jets und des sehr massereichen Schwarzen Lochs stellt M87 ein ideales Laboratorium dar, um die Entstehung, Beschleunigung und Bündelung der Materie in relativistischen Jets zu erforschen. Ein Forscherteam unter der Leitung von Silke Britzen vom MPIfR Bonn liefert Hinweise für die Verbindung von Akkretionsscheibe und Jet von M87 durch turbulente Prozesse und damit neue Erkenntnisse für das Problem des Ursprungs von astrophysikalischen Jets.

Supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien sind eines der rätselhaftesten Phänomene in der modernen Astrophysik. Ihr gewaltiger...

Im Focus: Deep inside Galaxy M87

The nearby, giant radio galaxy M87 hosts a supermassive black hole (BH) and is well-known for its bright jet dominating the spectrum over ten orders of magnitude in frequency. Due to its proximity, jet prominence, and the large black hole mass, M87 is the best laboratory for investigating the formation, acceleration, and collimation of relativistic jets. A research team led by Silke Britzen from the Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn, Germany, has found strong indication for turbulent processes connecting the accretion disk and the jet of that galaxy providing insights into the longstanding problem of the origin of astrophysical jets.

Supermassive black holes form some of the most enigmatic phenomena in astrophysics. Their enormous energy output is supposed to be generated by the...

Im Focus: Neu entdeckter Exoplanet könnte bester Kandidat für die Suche nach Leben sein

Supererde in bewohnbarer Zone um aktivitätsschwachen roten Zwergstern gefunden

Ein Exoplanet, der 40 Lichtjahre von der Erde entfernt einen roten Zwergstern umkreist, könnte in naher Zukunft der beste Ort sein, um außerhalb des...

Im Focus: Resistiver Schaltmechanismus aufgeklärt

Sie erlauben energiesparendes Schalten innerhalb von Nanosekunden, und die gespeicherten Informationen bleiben auf Dauer erhalten: ReRAM-Speicher gelten als Hoffnungsträger für die Datenspeicher der Zukunft.

Wie ReRAM-Zellen genau funktionieren, ist jedoch bisher nicht vollständig verstanden. Insbesondere die Details der ablaufenden chemischen Reaktionen geben den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

Baukultur: Mehr Qualität durch Gestaltungsbeiräte

21.04.2017 | Veranstaltungen

Licht - ein Werkzeug für die Laborbranche

20.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligenter Werkstattwagen unterstützt Mensch in der Produktion

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Forschungszentrum Jülich auf der Hannover Messe 2017

21.04.2017 | HANNOVER MESSE

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungsnachrichten