Schüttgutverhalten – Prozessanalyse und komplexe Charakterisierung

Feindisperse Pulver und Granulate werden als Ausgangstoff, Zwischen- oder Endprodukt in nahezu allen Industriebranchen verarbeitet, transportiert und gelagert. Ihr Schütt- und Fließverhalten beeinflusst sowohl die Effizienz der Verarbeitungsprozesse als auch Produktqualität. Umfassende Prozessanalysen und eine adäquate Charakterisierung der Fließeigenschaften unter Prozessbedingungen sind Grundlage für die Entwicklung und Optimierung feindisperser Materialien und ihrer Verarbeitungsprozesse. Im Rahmen von Prozessanalysen identifiziert das Fraunhofer IKTS wesentliche Schüttungszustände und erstellt für diese ein spezifisches Charakterisierungskonzept. Eine Vielzahl standardisierter und selbst entwickelter Methoden steht dafür zur Verfügung. Neben der Charakterisierung unter realen Prozessbedingungen ist so auch die Analyse grundlegender Mechanismen des Schüttgutverhaltens möglich. Dies erlaubt die umfassende und prozessrelevante Bewertung von Granulaten für die keramische Pressformgebung, Pulvern für die additive Fertigung (z. B. 3D-Pulverdruck) und funktionalen Pulvern. Je nach Kundenwunsch werden diese applikationsspezifisch weiterentwickelt und ergänzt. Für die prozessnahe Analyse der Schüttungszustände entlang der Transportstrecke einer uniaxialen Presse wurde folgendes Charakterisierungskonzept entwickelt:

• Visualisierung makroskopischer Fließvorgänge während des Matrizenfüllvorgangs (Bild 1) oder im Füllschuh mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und anschließender qualitativer und quantitativer Bewertung.
• Die qualitative und quantitative Analyse der Dichteverteilung der Schüttung in der Matrize (Bild 2) sowie im Füllschuh auf Basis nicht-invasiver Computertomographie liefert Aussagen zur Schüttungsstruktur.
• Innerhalb einer planaren Transportstrecke erfasst eine Hochgeschwindigkeitskamera mikroskopische Fließvorgänge in Schüttungen. Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit der Partikel werden mit dem Bildanalyseverfahren Particle Image Velocimetry (PIV; Bild 3) quantifiziert (min. Partikelgröße: 40 µm, max. Fließgeschwindigkeit: 0,3 m/s).
• Bestimmung lokaler und zeitlicher Entmischungen im Schüttgut über eine ortsaufgelöste Probennahme und Granulatgrößenmessung.