Projektleiter:

• martin [dot] abendroth [at] imfd [dot] tu-freiberg [dot] de (Dr.-Ing. Martin Abendroth)
• bjoern [dot] kiefer [at] imfd [dot] tu-freiberg [dot] de (Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer, Ph.D.)

Bearbeiter

• Dr.-Ing. Johannes Storm (2011-2015)
• Dr.-Ing. Christoph Settgast (2015-2019)
• Dr.-Ing. Alexander Malik (2019-2023)

Zur Filtration flüssiger Metalle werden vorwiegend poröse keramische Strukturen genutzt, die sich durch hohe thermische Belastbarkeit und gute Designmöglichkeiten von Filterstrukturen auszeichnen. Neben den funktionellen Eigenschaften wie Porosität, Filtrationseffizienz, Durchströmungsverhalten und chemischer Reaktivität, die für die Filterqualität bei der Metallschmelzebehandlung im Vordergrund stehen, spielen jedoch auch die mechanischen Eigenschaften des Filters eine wesentliche Rolle. Der partielle oder totale Bruch eines Filtersystems verursacht einen erheblichen technologischen Schaden und eine Verunreinigung der Schmelze. Wenn sich das Filtermaterial infolge von Druckerweichung zu sehr verformt, wird die Filterfunktion stark beeinträchtigt bzw. sogar durch Verstopfung vollständig verhindert. Deshalb muss die Festigkeit des Filterwerkstoffes und der Filterstruktur als Bauteil gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen beim Filtrationsprozess unbedingt gewährleistet sein. Das betrifft die Widerstandsfähigkeit gegenüber einmaligem oder wiederholtem Thermoschock und gegenüber den viskoplastischen Verformungen während der Belastungen durch die Metallschmelze. Um technologisch den Schmelzedurchsatz zu erhöhen, werden zukünftig Filter mit Durchmessern > 200 mm gefordert, was zu überproportionalen Biegespannungen, Druckerweichungen und größeren Temperaturgradienten führt. Aufgrund des geometrisch komplexen Aufbaus hochporöser Filterstrukturen wie keramischen Schäumen u.ä.m. ist die Bewertung des Thermoschock- und Kriechverhaltens nur durch einen mehrskaligen Modellansatz und numerische Simulationen zu lösen.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von meso- und makroskopischen Werkstoffmodellen und die Bereitstellung von Simulationswerkzeugen zur Bewertung der Thermoschockfestigkeit und des Druckerweichens konkreter Filterstrukturen. Damit dient das Projekt einerseits als Schnittstelle zu den werkstoffwissenschaftlichen Untersuchungen im Projektbereich C des SFB 920 und stellt andererseits die Brücke zur Erforschung, Optimierung und Auslegung neuer komplexerer Filtersysteme im Projektbereich A her.

Bei der Erstellung der computergenerierten Modell können mit Hilfe der Software SurfaceEvolver Grenzflächen mit minimaler Oberflächenenergie simuliert werden. Für die Simulation von Schäumen lässt sich diese Methode
bei der Erzeugung des PU-Grundgerüstes verwenden, das letztlich von einer Grenzfläche zwischen Computergenerierte Kelvin-Zellen Blasen und Fluid eines PU-Schaumes berandet ist. Weiterhin kann damit annähernd der Imprägnier- und Sprühbeschichtungsprozess beschrieben werden, bei dem ein definiertes Flüssigkeitsvolumen (Schlicker) so auf das Grundgerüst verteilt wird, dass die Oberfläche des festen Anteils minimal ist. Aus diesen physikalisch basierten Oberflächennetzen kann ein Volumenmodell generiert werden, dass im Zusammenhang mit dem entwickelten Materialgesetz im Rahmen der FEM zur Berechnung der lokalen Spannungs- und Dehnungsfelder bei systematisch variierten äußeren Belastungen dient. Aus den lokalen Spannungs- und Dehnungsfeldern lassen sich Kriterien ableiten, mit denen Aussagen über das Einsetzen von nichtelastischen Deformationen oder das Versagen infolge kritisch belasteter Risse gemacht werden können.