Wärmeprozesse

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt ThermoOptische Messöfen (TOM), in denen der industrielle Wärmeprozess im Labor nachgestellt wird. Dabei können alle in Industrieöfen relevanten Ofenatmosphären nachgebildet werden: Brenngasatmosphären, Luft, Inertgase, Formiergas, Wasserstoff, Vakuum, Überdruck etc. Die Anlagen sind mit zahlreichen Detektoren ausgestattet, mit denen die Materialveränderungen während der Wärmebehandlung mit hoher Genauigkeit erfasst werden können. Zusätzlich kann eine thermophysikalische Charakterisierung von Werkstoffen durchgeführt werden. Einige TOM-Anlagen sind speziell auf vergleichsweise niedrigere Temperaturen ausgelegt, um für die Prozesse Entbindern/Pyrolyse (Publikation: Radical Time Reduction of Debinding Processes) und Trocknung die industriellen Bedingungen möglichst genau nachzubilden, während für die Sinterung (Publikation: Simulation of Sintering) und Schmelzinfiltration (Publikation: Fundamental Mechanisms With Reactive Infiltration) Hochtemperatur-Messöfen zur Verfügung stehen. In-situ-Messgrößen sind u.a. Wärmeausdehnung, Sinterschwindung, Verzug, Wärmeleitfähigkeit, Emissivität, Wärmekapazität, Reaktionswärme, Gewichtsänderung, Gasemission, Schallemission, Benetzung, Kriechraten, Viskosität und Temperaturwechselbeständigkeit. Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren zur thermischen Analyse erfassen die TOM-Anlagen in der Regel ein Messvolumen von ca. 10 bis 100 cm³. Sie können damit auch Eigenschaften von kleinen Bauteilen, Materialverbunden oder heterogenen Materialien während der Wärmebehandlung reproduzierbar messen.

Für die gezielte Prozessoptimierung werden die Messdaten parametrisiert. Insbesondere wird die Kinetik der thermisch aktivierten Reaktionen mit robusten Modellen abgebildet und dann in FE-Simulationen zur Optimierung der Wärmeprozesse am Computer verwendet. In den FE-Modellen wird auch die Wechselwirkung zwischen dem Industrieofen und dem Brennstapel berücksichtigt, sodass die Laborergebnisse anschließend auf den Produktionsmaßstab übertragen werden können. Für Produktionsöfen bietet das HTL Methoden zur Untersuchung von Temperaturverteilung, Ofenatmosphäre und Wärmebilanz an (vgl. Industrieofenanalyse). Auch diese Messdaten können in FE-Modellen abgebildet und zur Optimierung des Wärmeprozesses hinsichtlich Produktqualität und Energieeffizienz genutzt werden.