DFG-SFB 920: Modellierung und Bewertung des Thermoschock- und Druckfließverhaltens von keramischen Filterwerkstoffen und Filterstrukturen

Projektleiter

Dr.-Ing. Martin Abendroth
Prof. Dipl.-Ing. Björn Kiefer, Ph.D.

Bearbeiter

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

Motivation

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.

SchmelzfiltrationAufgrund 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.Keramikfilter

 

 


Ziel

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.

Methoden

Das zu entwickelnde viskoplastische Materialgesetz muss das temperaturabhängige primäre und sekundäre Kriechen beschreiben können. Darüber hinaus soll auch das tertiäre Kriechen, das die Kriechschädigung bis zum Versagen erfasst, modelliert werden. Werkstoffmodelle, die diese Phänomene kontinuumsmechanisch beschreiben, existieren bereits für andere Werkstoffklassen wie Stähle, Nickelbasislegierungen. Diese Modelle lassen sich prinzipiell auch auf keramische Werkstoffe anwenden, da die physikalisch ablaufenden Prozesse für die viskoplastische Deformation (Leerstellendiffusion, Versetzungsbewegung, Korngrenzengleiten) ähnlich sind. Besondere Beachtung muss der Zug- Druck-Anisotropie bei den kohlenstoffgebundenen Feuerfestkeramiken geschenkt werden, weshalb die Fließfunktionen neben der v.-Mises Vergleichsspannung weitere Invarianten (Hauptspannungen, Mittelspannung) enthalten müssen.

Der Übergang zu einem effektiven Materialmodell für eine Schaumkeramik soll mit Hilfe systematischer Modellierungen der Keramikmesostruktur durch FEM geschehen. Das kann auf zwei verschiedene Arten realisiert werden. Einerseits besteht die Möglichkeit, dreidimensionale Volumenmodelle aus CT-Aufnahmen realer Filterproben zu erstellen, zu vernetzen und zu simulieren. Der zweite Weg wäre, computergenerierte Modelle zu erstellen, welche die gleichen Mesostrukturparameter (mittlere Porengröße, Steglänge, Stegdurchmesser, Topologie, u.s.w.) aufweisen, wie sie in realen Filterstrukturen beobachtet werden. Beide Varianten der Modellierung sollen getestet, miteinander verglichen und bewertet werden, woraus letztlich ein geeignetes Verfahren zur Modellierung der Mesostruktur abzuleiten ist.

Computergenerierte Kelvin-Zellen

 

 

 

 

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.

Computergenerierte monodisperse Schaumstruktur

Veröffentlichungen

  • Abendroth, M., Hütter, G., Settgast, Chr., Malik, A., Kiefer, B., Kuna, M.: A Hybrid Approach to Describe the Elastic-Plastic Deformation Behavior of 2D Cellular Solids Including Damage Effects, Technische Mechanik 40-1 (2020) pp. 5–14 (DOI: 10.24352/UB.OVGU-2020-008)
  • Settgast, C., Hütter, G., Kuna, M., Abendroth, M.: A hybrid approach to simulate the homogenized irreversible elastic–plastic deformations and damage of foams by neural networks, International Journal of Plasticity (2020) 102624 (DOI: 10.1016/j.ijplas.2019.11.003)
  • Herdering, A., Abendroth, M., Gehre, P., Hubálková, J., Aneziris, C.: Additive manufactured polyamide foams with periodic grid as templates for the production of functional coated carbon-bonded alumina foam filters,  Ceramics International 45 (2019) pp. 153-159 (DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.09.146)
  • Storm, J., Abendroth, M., Kuna, M.: Effect of morphology, topology and anisoptropy of open cell foams on their yield surface, Mechanics of Materials 137 (2019) pp. 103145 (DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.103145)
  • B. Luchini, E. Storti, T. Wetzig, C. Settgast, M. Abendroth, J. Hubálkova, V.C. Pandolfelli, C.G. Aneziris:
    Mechanical and physical characterization of Al2O3–C foam filters produced by distinct processing routes: The importance of the ceramic strut morphology
    Journal of the European Ceramic Society (DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2019.02.048)
  • C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna:
    Constitutive modeling of plastic deformation behavior of open-cell foam structures using neural networks
    Mechanics of Materials (DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.01.015)
  • C. Settgast, Y. Ranglack-Klemm, J. Hubalkova, M. Abendroth, M. Kuna, H. Biermann:
    Validation of an experimental-numerical approach for the high temperature behaviour of open-cell ceramic foams
    Journal of the European Ceramic Society (DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.09.022)
  • C. Settgast, G. Hütter, M. Abendroth, M. Kuna:
    A Hybrid Approach for Consideration of the Elastic-Plastic Behaviour of Open-Cell Ceramic Foams.
    Proceedings of the 6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM-ECFD), ISBN: 978-84-947311-6-7 (2019) S. 2314-2325
  • C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna:
    Investigation of creep behavior of open cell ceramic Kelvin foam.
    Proceedings of the International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials
    and Structures (Creep2017)
    , ISBN: 978-5-7422-5799-8 (2017) S. 166-167
  • E. Werzner, M. Abendroth, C. Demuth, C. Settgast, D. Trimis, H. Krause, S. Ray:
    Influence of Foam Morphology on Effective Properties Related to Metal Melt Filtration
    Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201700240)
  • M. Abendroth, E. Werzner, C. Settgast, S. Ray:
    An Approach Toward Numerical Invesigation of the Mechanical Behavior of Ceramic Foams during Metal Melt
    Filtration Processes
    Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201700080)
  • C. Settgast, J. Solarek, Y. Klemm, M. Abendroth, M. Kuna, H. Biermann:
    Prediction of High Temperature Behavior of Open-Cell Ceramic Foams Using an Experimental-Numerical Approach
    Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201700082)
  • C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna:
    Fracture Mechanical Analysis of Open Cell Ceramic Foams Under Thermal Shock Loading
    Journal of Multiscale Modelling (DOI: 10.1142/S1756973716400060)
  • C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna:
    Bruchmechanische Analyse von offenzelligen keramischen Schäumen
    Fracture mechanical analysis of open cell ceramic foams
    DVM-Bericht 248 (2016) S. 51-60
  • C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna:
    Fracture mechanical analysis of open cell ceramic foams under multi-axial mechanical loading
    Archive of Applied Mechanics (DOI: 10.1007/s00419-015-1107-3)
  • J. Storm, M. Abendroth, M. Kuna:
    Numerical and analytical solutions for anisotropic yield surfaces of the open-cell Kelvin
    foam
    International Journal of Mechanical Sciences (DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2015.10.014 ).
  • D. Zhang, M. Abendroth, M. Kuna, J. Storm:
    Multi-axial brittle failure criterion using Weibull stress for open Kelvin cell foams
    International Journal of Solids and Structures (DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2015.04.020 ).
  • C. Voigt, J. Storm, C.G. Aneziris, M. Abendroth, M. Kuna, J. Hubalkova:
    The influence of the measurement parameters on the crushing strength of reticulated ceramic foams
    Journal of Materials Research. Vol. 28. Iss. 17 (DOI: 10.1557/jmr.2013.96)
  • J. Storm, M. Abendroth, M. Kuna:
    Geometry dependent effective heat conductivity of opencell foams based on Kelvin cell models
    Unitecr 2013 Conference Proceedings.
  • J. Storm, M. Abendroth, D. Zhang, M. Kuna:
    Geometry dependent effective elastic properties of open-cell foams based on Kelvin cell models
    Advanced Engineering Materials (DOI: 10.1002/adem.201300141).
  • J. Storm, M. Abendroth, M. Emmel, Th. Liedke, U. Ballaschk, C. Voigt, T. Sieber, M. Kuna:
    Geometrical modelling foam structures using implicit functions
    International Journal of Solids and Structures (DOI: 10.1016/j.ijsdstr.2012.10.026).
  • J. Hein, J. Storm, M. Kuna:
    Numerical thermal shock analysis of functionally graded and layered materials
    International Journal of Thermal Sciences (DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2012.05.005).
  • J. Storm, J. Hein, M. Kuna:
    Numerical Study to Optimize Thermal Shock Resistance of a FGM Nozzle refractories
    WOLRDFORUM (2012) 1, 175-180.

Konferenzen

  • CELLMAT 2020:
    A. Malik, M. Abendroth, B. Kiefer
    Applications of a hybrid approach to describe the elastic-plastic deformation behavior of highly porous media by neural networks
  • 6th International Conference on Material Modelling (ICMM), 2019, Lund (Sweden):
    C. Settgast, G. Hütter, M. Abendroth, M. Kuna
    A Hybrid Approach to Describe the Elastic-Plastic Deformation Behaviour of Porous Media Including Damage Effects
  • CELLMAT 2018 (Cellular Materials):
    C. Settgast, Y. Ranglack-Klemm, M. Abendroth, M. Kuna, H. Biermann
    On the Creep Deformation Behaviour and Elastic Stiffness of Carbon-Bonded Ceramic Foams
  • 6th European Conference on Computational Mechanics (ECCM-ECFD), 2018, Glasgow (Scotland):
    C. Settgast, G. Hütter, M. Abendroth, M. Kuna
    A Hybrid Approach for Consideration of the Elastic-Plastic Behaviour of Open-Cell Ceramic Foams
  • 14th International Conference on Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures, 2017,
    Saint Peterburg (Russia):
    C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna
    Investigation of creep behavior of open-cell ceramic Kelvin and stochastic foam
  • CELLMAT 2016 (Cellular Materials):
    C. Settgast, J. Solarek, Y. Klemm, M. Abendroth, M. Kuna, H. Biermann
    Mechanical properties of artificial and real open cell ceramic foams
  • 15th International Conference on Fracture and Damage Mechanics, 2016, Alicante (Spain):
    C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna
    Fracture mechanical analysis of open cell ceramic foams under thermal shock loading
  • 48. Tagung DVM Arbeitskreis Bruchvorgänge 2016 (Deutscher Verband für Materialforschung und -prüfung e.V.):
    C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna
    Bruchmechanische Analyse von offenzelligen keramischen Schäumen
  • Gamm 2014 (Gesellschaft für angewandte Mathematik und Mechanik):
    J. Storm, M. Abendroth, M. Kuna, C. G. Aneziris
    Elastic-plastic homogenization of open-cell foams based on Kelvin cell models
  • CELLMAT 2014 (Cellular Materials):
    J. Storm, M. Abendroth, M. Kuna
    Elastic and Visco-Plastic Homogenization of Open-Cell Foams Based on Kelvin Cell Models
    Proceedings of the Cellular Materials, CELLMAT 2014
  • CELLMAT 2012 (Cellular Materials):
    J. Storm, M. Abendroth, M. Emmel, Th. Liedke, U. Ballaschk, C. Voigt, T. Sieber, M. Kuna
    Modelling foam structures using implicit functions Proceedings of the Cellular Materials, CELLMAT 2012, ISBN 978-3-00-039965-7

Poster

  • CISM-Course 2017 (International Centre for Mechanical Sciences)
    C. Settgast, M. Abendroth, M. Kuna
    Fracture Mechanical Analysis of Open-Cell Ceramic Foams
  • Unitecr 2013 (Unified International Technical Conference on Refractories):
    J. Storm, M. Abendroth, M. Kuna
    Geometry dependent effective heat conductivity of open-cell foams based on Kelvin cell models
  • MSE 2012 (Materials Science and Engineering):
    J. Storm, M. Abendroth, M. Emmel, Th. Liedke, U. Ballaschk, C. Voigt, T. Sieber, M. Kuna
    Generating Foam Structures Using Implicit Functions