Herstellprozesse

Herstellprozesse

Wärmeprozesse

Ein Schwerpunkt des Fraunhofer-Zentrums HTL ist die Optimierung von Wärmeprozessen zur Herstellung von Keramiken, Metallen und metall-keramischen Verbundwerkstoffen, unter anderem: Trocknung, Entbindern, Pyrolyse, Sintern oder Schmelzinfiltration. Dabei können Temperatur-Zeit-Profile ebenso wie die Ofenatmosphäre oder die Anordnung des Wärmebehandlungsguts im Industrieofen verbessert werden. Optimierungsziele sind eine hohe und reproduzierbare Produktqualität bei guter Material-, Energie- und Kosteneffizienz der Prozesse (vgl. Projekt EnerTHERM).

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt ThermoOptische Messöfen (TOM), in denen der industrielle Wärmeprozess im Labor nachgestellt wird. Die TOM-Anlagen können alle in Industrieöfen relevanten Ofenatmosphären nachbilden: Gasbrennerofenatmosphäre, Luft, Inertgase, Formiergas, Wasserstoff, Vakuum, Überdruck, etc. ...
Sie sind mit Detektoren ausgestattet, mit denen die Materialveränderungen während der Wärmebehandlung mit hoher Genauigkeit erfasst werden können. Zusätzlich kann eine thermophysikalische Charakterisierung von Werkstoffen durchgeführt werden. Messgrößen sind u.a. Wärmeausdehnung, Sinterschwindung, Verzug, Temperatur-/Wärmeleitfähigkeit, Emissivität, Wärmekapazität, Reaktionswärme, Gewichtsänderung, Gasemission, Schallemission, Benetzung, Kriechraten, Viskosität und Temperaturwechselbeständigkeit. Im Unterschied zu herkömmlichen Verfahren zur thermischen Analyse verfügen die TOM-Anlagen über ein Probenvolumen von ca. 10 bis 100 cm³. Sie können damit auch Eigenschaften von kleinen Bauteilen, Materialverbunden oder heterogenen Materialien während der Wärmebehandlung reproduzierbar messen.

Die Messdaten werden 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.

Leistungsangebot

  • In-Situ-Charakterisierung (TOM) des Verhaltens von Feststoffen und Schmelzen beim Wärmeprozess
  • Untersuchung von Sintern, Entbindern, Pyrolyse sowie Schmelz- und Infiltrationsprozessen mittels TOM
  • TOM-Messung von Dimensionsänderungen: Sinterschwindung, Verzug, Wärmeausdehnung, Schmelzebildung beim Entbindern
  • Messung von Gasphasenreaktionen: Gewichtsänderung, Gasemission beim Entbindern und Sintern
  • Thermophysikalische Charakterisierung von Feststoffen: Wärmeleitfähigkeit, Kriechbeständigkeit, Emissivität, Hochtemperatur-Festigkeit, Hochtemperatur-E-Modul, Thermoschockbeständigkeit
  • Charakterisierung von Schmelzen: Benetzung, Viskosität
  • Simulation von Wärmeströmen und Temperaturfeldern beim Wärmeprozess hinsichtlich Energieeffizienz
  • Entwicklung von energieeffizienten Temperaturzyklen mit kürzerer Gesamtdauer (kalt-kalt), z.B. beim Entbindern und Sintern
  • Entwicklung von Wärmeprozessen mit geringerem Ausschuss/Endbearbeitungsaufwand
  • Entwicklung von effizienten Temperaturzyklen/Heizbedingungen mit reduziertem Energieverbrauch
  • Kundenspezifische Entwicklung von Hochtemperatur-Messverfahren wie thermooptischen Messanlagen TOM für alle gängigen Ofenatmosphären