Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Trennen, Mahlen und Verschleiß

Energieeffizient und verschleißarm Trennen, Mahlen und Fördern

© Fraunhofer IWM

Spanabhebende Bearbeitung

Die Optimierung spanender Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ist anspruchsvoll. Sind die Schnittgeschwindigkeit oder die Zustellung wichtiger? Oder spielt die Geometrie die entscheidende Rolle? Wie wirkt sich die Beschichtung des Schneidwerkzeugs aus? Kann die entstehende Wärme nicht hinreichend schnell abgeleitet werden, weil die Kühlflüssigkeit nicht an die richtigen Stellen strömt? Sollte das Werkstück vorgewärmt werden, um dessen Bearbeitbarkeit zu verbessern? Die Simulation klärt auf.

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Mahlverfahren optimieren

Mahlen ist energieintensiv und daher Potential, Kosten zu sparen. Doch wie hängt der Mahlenergiebedarf von der Porosität des zu mahlenden Schüttguts ab? Wie beeinflussen die Partikelgröße und -form des Materials den Mahlprozess? Welche Arten von Verschleiß treten an den Mahlwerkzeugen auf und wie kann der Verschleiß minimiert werden? Mit der Simulation finden wir hier das Optimum für Ihren Prozess. 

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Erosiven Verschleiß vermindern

Erosion verursacht wirtschaftlichen Schaden. Wie beeinflusst die Härte des Materials den erosiven Verschleiß? Wie hängt der Verschleiß von der Form und Größe der auftreffenden Partikel ab? Welche Rolle spielt die Oberflächenbeschaffenheit für den erosiven Verschleiß? Wie können Materialien und Prozesse optimiert werden, um erosiven Verschleiß zu minimieren? Wir haben die richtigen Modelle für diese Fragen. 

Projektbeispiele

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Während der Zerspansimulation trägt das Werkzeug einen Span vom Bauteil ab. Die Farbkodierung entspricht dem Schädigungsgrad im Material.

Erhöhung von Werkzeugstandzeiten beim Zerspanen


Die nebenstehende Abbildung zeigt einen Ausschnitt einer Zerspansimulation. Das Schneidwerkzeug bewegt sich von rechts nach links und hebt dabei einen Span vom Werkstück ab. Das Werkstück besteht aus einer Aluminiumlegierung, dessen Verformung mit einem Plastizitätsmodell beschrieben wird. Die Farbkodierung im Werkstück zeigt den Grad der lokalen Materialschädigung an. Durch Variation des Spanwinkels und Freiwinkels sowie der Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs werden sowohl die Spanbildung als auch die Oberflächengüte des Werkstücks und die Standzeit des Werkzeugs beeinflusst. Durch ein werkstoffspezifisches Schädigungsmodell werden diese Einflussgrößen untersucht und anwendungsspezifisch optimiert. Unsere Modelle erlauben es, alle relevanten Phänomene zu berücksichtigen: Plastische Deformation und Abtrag am Werkstück, Strömungsdynamik des Kühlschmiermittels und Verschleiß im Schneidwerkzeug. Auch die Wechselwirkung dieser Mechanismen untereinander wird in der Simulation erfasst. Über die Simulationen können Informationen extrahiert werden, um den Werkzeugverschleiß zu verringen und dadurch die Schneidlebensdauer zu erhöhen. Sie wollen ein neues Material für Ihr Schneidwerkzeug testen? Über die Simulation können wir dies testen.

  • Mohseni-Mofidi, S.; Bierwisch C., Application of hourglass control to Eulerian smoothed particle hydrodynamics, Computational Particle Mechanics 8/1 (2021) 51-67 Link

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Trägerflüssigkeit von langsam (blau) zu schnell (rot). Im Prozess wirkt ein Magnetfeld, das die Partikel zu der zu glättenden Oberfläche hin beschleunigt.

Druckfließläppen optimieren mit dem richtigen Magnetfeld


Im BMBF-Projekt SmartStream wurde das magnetunterstützte Druckfließläppen (Magnetic Assisted Abrasive Flow Machining, MAAFM) untersucht. Bei diesem Prozess geht es darum, über ein Magnetfeld Partikel mit der Wand kollidieren zu lassen und dadurch die Wandrauigkeit zu verringern. In dem Projekt war insbesondere die Wirkung eines externen Magnetfeldes auf die Abtragseffizienz der magnetisierbaren Schleifkörner von Interesse. Ziel war es, Einblicke in den Mechanismus des Materialabtrags auf der Mikroskala zu gewinnen und mit den gewonnenen Erkenntnissen die Prozessparameter zu optimieren. Die Simulation umfasst die Modellierung der Hydrodynamik des Trägerfluids, der Fließdynamik der Körner, sowie der plastischen Oberflächendeformation und des Materialabtrags. Um die vielfältige Physik des Problems zu behandeln, wurden alle Phasen, d.h. die Flüssigkeit, die Körner und die Werkstückoberfläche, mit Hilfe der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode in der Software SimPARTIX des Fraunhofer IWM abgebildet. Da es sich bei der SPH um eine Lagrangesche Partikelmethode handelt, kann sie problemlos mit großen Deformationen umgehen, z.B. mit Flüssigkeitsströmungen, beweglichen Grenzflächen und in einem Fluid suspendierten Körnern. Außerdem ist SPH in der Lage, topologische Veränderungen aufgrund von Oberflächenabtrag zu verfolgen und somit Fluid-Struktur-Wechselwirkungen während des gesamten Prozesses auf einfache Weise zu erhalten. Um die Auswirkungen des Magnetismus im MAAFM-Prozess untersuchen zu können, werden außerdem die dipolaren Kräfte, die durch ein externes Feld oder durch die Streufelder der umliegenden Körner verursacht werden, in die Berechnungen einbezogen. Die Ergebnisse zeigen deutlich den Einfluss eines Magnetfeldgradienten auf die Leistung des MAAFM-Prozesses. Im Vergleich zu den Ergebnissen der Simulation ohne externes Magnetfeld ermöglicht ein adäquat gewählter Magnetfeldgradient eine Verdoppelung der Rate der Oberflächenabtrags.

  • Mohseni-Mofidi S.; Pastewka L.; Teschner, M.; Bierwisch, C., Magnetic-assisted soft abrasive flow machining studied with smoothed particle hydrodynamics, Applied Mathematical Modelling 191 (2022) 38-54 Link
  • Schmiedel, C.; Bierwisch, C.; Uhlmann, E.; Menzel, P.; Mohseni-Mofidi, S.; Breinlinger, T.; Nutto, C., Verbundprojekt SmartStream: Intelligente Bearbeitung durch die Verwendung schaltbarer Fluide, Sensitive Fertigungstechnik - Tagungsband der 4. Fachtagung 2017; KombiFin Technologie, Kombinierte Finishtechnologien für die Produkte von Morgen; Goldau, H.; Stolze, R. (Hrsg.); Shaker, Aachen (2019) 8 Seiten Link

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Verschleißsimulation während der pneumatischen Förderung innerhalb eines Rohres mit einem 90°-Krümmer. Die Simulation zeigt an welchen Stellen die größte Erosionstiefe zu erwarten ist (rote Farbkodierung).

Minimierung von erosivem Verschleiß in pneumatischen Förderungen


Verschleiß in Rohrsystemen kann zu Anlagenausfällen führen. Im Rahmen des IGF-Vorhabens „Entwicklung und Erprobung eines Modellrahmens zur prädiktiven Aufklärung von erosivem Verschleiß in pneumatischen Förderungen“ (IGF-Projektnummer 20815 N) wurde deshalb gemeinsamen mit dem Fachgebiet für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung der Technischen Universität Berlin der Verschleiß in mittels numerischer und experimenteller Untersuchungen sowohl auf der mikroskopischen Längenskala einzelner Partikelaufprallereignisse als auch auf der makroskopischen Skala von Rohrkrümmern untersucht. Dabei wurden insgesamt vier Stahlsorten - drei nichtrostende Stähle und ein Baustahl - sowie ein Kunststoff hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit im Kontakt mit runden und kantigen Schüttgutpartikeln experimentell in unterschiedlichen Verschleißsituationen untersucht. Hierdurch konnten einerseits die Werkstoffe hinsichtlich ihrer Verschleißbeständigkeit in unterschiedlichen Anwendungsfällen beurteilt werden und andererseits der signifikante Einfluss der Form der Schüttgutpartikel herausgearbeitet werden. Die Relevanz der Partikelform für den erosiven Verschleiß wurde durch detaillierte numerische Simulationen mittels SPH bestätigt. Basierend auf den Simulationsergebnissen ist es gelungen ein etabliertes analytisches Erosionsmodell, welches den Verschleiß pro Aufprall quantifiziert, um zwei Parameter zu erweitern, welche die Partikelform kennzeichnen. Hiermit wurde ein Modell geschaffen, welches sich sowohl für schnelle Abschätzungen des Verschleißverhaltens eines bestimmten Schüttguts eignet als auch direkt in CFD-DEM-Simulationen zur Prozessanalyse integriert werden kann.

  • Mohseni-Mofidi, S.; Drescher, E.; Kruggel-Emden, H.; Teschner, M.; Bierwisch, C., Particle-based numerical simulation study of solid particle erosion of ductile materials leading to an erosion model, including the particle shape effect, Materials 15/1 (2022) Art. 286, 22 Seiten Link

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Mahlsimulation von Hüttensand mit Visualisierung des Sandes vor Beginn (oben) und während des Mahlvorgangs (unten). Die Farbkodierung entspricht der Geschwindigkeit der Sandkörner.

Bewertung der Mahlbarkeit von porösen Hüttensanden


Hüttensand ist ein weitestgehend glasig erstarrtes Hochofenschlackengranulat, das nach dem Hochofenabstich aus der flüssigen Schlacke mittels Zerteilung und Abschreckung durch hohen Druckwasserüberschuss in Granulationsanlagen gewonnen wird. Hüttensand wird auf Zementfeinheit gemahlen und weltweit seit Jahrzehnten bei der Herstellung von Zement und Beton eingesetzt. Der Energiebedarf für den Mahlprozess ist außerordentlich hoch und steigt mit der Feinheit exponentiell an. Jährlich entfallen ca. 1,4 Mrd. kWh oder 38 % des Strombedarfs der deutschen Zementindustrie auf die Mahlung der verschiedenen Bestandteile des Zements. Um den Mahlenergiebedarf zu reduzieren, ist eine genauere Kenntnis und Verbesserung der zerkleinerungsrelevanten Eigenschaften des Hüttensandes notwendig. In dem gemeinsamen IGF-Projekt Nr. 20187 N untersuchten das Fraunhofer IWM und das FEhS - Institut für Baustoff-Forschung e.V. den Einfluss der Porosität von Hüttensanden auf deren Zerkleinerungsverhalten. Für eine modellierte Walzenschüsselmühle wurde der spezifische Mahlenergiebedarf als Funktion der spezifischen Oberfläche berechnet. Im Ergebnis zeigt sich im Wesentlichen ein sinkender spezifischer Mahlenergiebedarf mit steigender Porosität für eine bestimmte spezifische Oberfläche. Somit sollte aus mahltechnischer Sicht bei der Granulation von flüssiger Hochofenschlacke zu Hüttensand nach Möglichkeit eine hohe Kornporosität eingestellt werden.