Entwicklung und Anwendung partikelbasierter Simulationstechniken für die Modellierung von Umordnungseffekten und Anisotropieentwicklung in pulvertechnologischen Prozessen

In dieser Arbeit werden partikelbasierte Simulationsverfahren entwickelt und angewandt, um pulvertechnologische Prozesse auf fundamentaler Ebene zu untersuchen. Für die Simulation des Sintervorganges wird ein bestehendes Modell auf Basis der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) so weiterentwickelt, dass auch Rotationsbewegungen, Partikelgrößenverteilungen, Kornvergröberungen sowie Spannungs-Randbedingungen berücksichtigt werden. Die Simulationen zeigen, dass Umordnungsbewegungen bei monomodalen Pulvern praktisch nicht vorhanden sind, aber leicht durch einen (geringen) externen Druck angeregt werden können. Sie führen dann zu einer beträchtlichen Zunahme der Verdichtungsrate und Abnahme der Scher- und Volumenviskosität. Bei polydispersen Größenverteilungen werden dagegen umso stärkere Umordnungsbewegungen induziert, je breiter die Verteilung ist. Insgesamt kommt es aufgrund einer geringeren Koordinationszahl und größeren Kontaktflächen aber zu einer Absenkung der Verdichtungsrate. Mit dem Modell lässt sich gut das freie Sinterverhalten eines Al2O3-Pulvers beschreiben. Anisotropes Sinterverhalten wird anhand des Sinterschmiedens mit radialer Nullschrumpfung und des Sinterns mit lateraler Schwindungsbehinderung betrachtet. Die sich entwickelnde anisotrope Mikrostruktur ist durch eine anisotrope Kontakt-, Kontaktflächen- und Porenverteilung gekennzeichnet, wobei sich die Kontaktflächenverteilung als charakteristisches Maß erweist. Umordnungsbewegungen und Polydispersität können die Anisotropieentwicklung leicht reduzieren. Sie führt zu anisotropem Sinterverhalten in den Dehnrate n. Beim Sintern mit Schwindungsbehinderung kommt es zudem zur Ausbildung von Mikrorissen. Die Simulationen stimmen qualitativ und teilweise auch quantitativ mit entsprechenden Experimenten überein. Durch anisotrope, konstitutive Sintergleichungen kann das beobachtete Sinterverhalten gut beschrieben werden, wenn die dafür notwendigen makroskopischen Parameter aus den Simulationsläufen bestimmt werden. Um die Anisotropieentwicklung beim Foliengießen zu analysieren, wird ein Mehrskalen-Modell auf Basis der DEM- und der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode (SPH) entwickelt. Bei der mikroskopischen DEM-Modellierung bildet sich eine anisotrope, hexagonale Kettenstruktur der Partikel unter Scherung. Dieser Entwicklung kann mit einer breiteren Partikelgrößenverteilung entgegengewirkt werden. Für die makroskopische Modellierung wird die SPH-Methode um strukturviskoses und thixotropes Verhalten erweitert. Das Modell, das gut das rheologische Verhalten realer Pasten beschreibt, wird für die Simulation des Gesamtprozesses angewendet. Es wird eine ausgeprägte Walzenbewegung zwischen den Rakeln beobachtet, die sich ebenfalls mit experimentellen Befunden deckt. Abhängig von den Prozess- und Rheologieparametern kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Strömungsprofile unterhalb der Gießrakel.

In this work particle-based simulation schemes are developed and employed to investigate powder-technological processes on a fundamental level. In order to simulate sintering an existing Discrete Element Method (DEM) based model is improved to consider rotational movements, particle size distributions, grain coarsening and stress boundary conditions. The simulations show that for monomodal powders essentially no rearrangement takes place. However, it can be easily induced by applying a (small) external pressure. In this case it significantly enhances densification and decrease bulk and shear viscosities. Polydisperse size distributions also induce rearrangement which increases with distribution width. Overall, the densification rate is still lower because of a lower coordination number and higher contact areas. The model shows good quantitative agreement with experimental data on an Al2O3 powder. Anisotropic sintering behavior is studied by simulating zero radial strain rate sinter forging and constrained sintering. The developing anisotropic microstructure is characterized by anisotropic distributions of the contacts, contact areas and pore orientations, with the contact area distribution being the characteristic measure. Rearrangement and polydispersity can lead to lower anisotropy. The anisotropic microstructure results in anisotropic sintering behavior for the strain rates. Additionally, crack formation is observed for constrained sintering. The simulations agree qualitatively and in part quantitatively with analogous experiments. Anisotropic constitutive equations allow describing the observed behavior if the required anisotropic parameters are extracted from simulations. The anisotropy development during tape casting is investigated with a newly developed multi-scale simulation model, which is based on the DEM and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). The microscopic DEM model shows the development of an anisotropic, hexagonal layering structure. This development can be decreased for wider particle size distributions. In order to simulate tape casting on the macroscopic scale a new non-newtonian, thixotropic rheological model is developed for the SPH method. The model, which describes the rheological behaviour of real pastes well, is employed to simulate the whole process geometry. A large eddy is observed between the blades, which is in accordance with experiments. Depending on the process and rheological parameters significant changes in the flow profiles below the blades are seen.