Prozessoptimierung

Nachhaltige Wärmeprozesse sind ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit am HTL. Das umfasst Fragestellungen wie die Umstellung von Thermoprozessen auf CO2-neutralen Betrieb, etwa durch Einsatz von grünem Wasserstoff als Wärmequelle, oder den generellen Wechsel von Gasbefeuerung auf elektrische Beheizung. Neben diesen Ansätzen, die für den Anwender meist mit Investitionsbedarf einhergehen, bietet das HTL aber auch eine systematische Methodik zur Optimierung von Thermoprozessen an, die ohne bauliche Veränderungen bestehender Thermoprozessanlagen auskommt. Dazu wird in einem materialzentrierten Ansatz zunächst das Verhalten des Erwärmungsgutes im Thermoprozess präzise messtechnisch erfasst. Mit Hilfe digitaler Prozessmodelle bzw. digitaler Ofenzwillinge wird dann die optimale Prozessführung ermittelt. Der Effizienzgewinn entsteht dabei sowohl durch minimale Prozessdauer als auch durch optimierte Produktqualität (minimale Ausschussquote). Allein durch Anwendung der optimierten Ofenparameter sinken die Kosten und der CO2-Fußabdruck jedes Produktes um mindestens 10-20%, oft auch mehr.

Die vollständige Methodik beginnt mit einer Grünkörperanalyse, da Fehler vom Formgebungsprozess im Thermoprozess meistens nicht mehr ausheilen und jedes unnötig gebrannte Bauteil, das anschließend zu Ausschuss wird, Energie- und Geldverschwendung ist. Anschließend werden die produktspezifischen Materialveränderungen während der folgenden Prozessschritte der Trocknung, Entbinderung und Sinterung durch in-Situ-Messungen charakterisiert. Auf Basis der Messergebnisse werden die Prozesse für die konkrete Produktgeometrie am Computer simuliert und so die optimalen Prozessparameter ermittelt und validiert. Auch für Produkte, die anstelle des Sinterns durch eine Schmelzinfiltration hergestellt werden, kann der Prozess in analoger Weise optimiert werden.

 

Hier finden Sie eine Auswahl unserer Forschungsprojekte:

  • BaMOX Entwicklung einer basaltfaserverstärkten Mischoxidkeramik am Beispiel eines Handgießtiegels
  • NeMaKo Entwicklung von neuartigen Magnesiumoxid-Kompositen
  • Verschraubungen aus Zirkonoxid Verschraubungen aus Zirkonoxid für den Einsatz unter hohen mechanischen, korrosiven und thermischen Belastungen
  • CMC-BHM Entwicklung von kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffen für den Einsatz als Brennhilfsmittel
  • Enertherm Entwicklung von Leichtbaumaterialien für den Hochtemperatureinsatz
  • Enertherm Energieeffizienz bei kontinuierlichen Wärmebehandlungsanlagen: Auslegung von Rollenöfen
  • DiMaWert Teilprojekt: DigiTherm - Life Cycle Assessment

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Weiterführende Informationen

Grünkörperanalyse

Damit die bei der Wärmebehandlung angestrebte Produktqualität erreicht wird, müssen bereits die Grünkörper geeignete Eigenschaften besitzen. Allgemein gilt: Auf der Mikro-, Meso- und Makroskala müssen die Grünteile möglichst homogen sein.

Entbinderung

Die Entbinderung von Grünkörpern wird mit den ThermoOptischen Messverfahren (TOM) sowie mit herkömmlichen Thermoanalyseverfahren am Fraunhofer-Zentrum HTL in-situ gemessen und anschließend optimiert. Die Optimierung erfolgt für alle Arten von Grünkörpern, unabhängig von der Bauteilgröße und Geometrie, den anorganischen Komponenten (Metalle oder Keramiken) und der Art des organischen Binders bzw. dem Bindergehalt.

Trocknung

Im Anschluss an die Formgebung ist meistens eine Trocknung notwendig, bevor die Formkörper im Ofen entbindert werden können. Der Feuchtegehalt muss dabei von Ausgangswerten zwischen 10 und 50 Vol.-% auf ca. 1 Vol.-% reduziert werden.

Schmelzinfiltration

lternativ zur Sinterung kann die Infiltration von Schmelzen genutzt werden, um aus einem porösen Formkörper ein dichtes Bauteil zu erzeugen. Voraussetzung ist, dass das Grundmaterial, aus dem der Formkörper besteht, einen höheren Schmelzpunkt besitzt als das zu infiltrierende Material. Außerdem muss die Schmelze das Grundmaterial benetzen.

 

Sinterung

Die Sinterung von Grünkörpern wird mit den ThermoOptischen Messverfahren (TOM) am Fraunhofer-Zentrum HTL mit hoher Reproduzierbarkeit in-situ gemessen und anschließend optimiert. Das Ergebnis der Sinterung wird für viele Materialien stark von der Ofenatmosphäre beeinflusst. Für die meisten technisch relevanten Ofenatmosphären und Temperaturbereiche stehen am Fraunhofer-Zentrum HTL geeignete ThermoOptische Messanlagen (TOM) zur Verfügung.

Weitere Anwendungs- und Produktbereiche

Luft- und Raumfahrt

Energietechnik

Keramik