Demonstrationspraktikum Pulveraufbereitung Technologie Granulatcharakterisierung Instrumentierte Pressverdichtung

Transkript

1 Demonstrationspraktikum Pulveraufbereitung Technologie Granulatcharakterisierung Instrumentierte Pressverdichtung Manfred Fries, Susanna Eckhard, Axel Bales / Fraunhofer IKTS Pulveraufbereitung thematische Einführung

2 Gliederung Einführung Pulververarbeitung Pulveraufbereitung / -zerkleinerung Konfektionierte Pulvermischungen Typische Produkte Eigenschaften und Charakterisierung Granulierverfahren Granulatbildung Prinzipien, Anlagentechnik Resultierende Granulateigenschaften Zusammenfassung

3 Pulveraufbereitung in der Keramik Verfahrensstufen Rohstoffe konfektionierte Mischungen Produkt Pulververarbeitung Grünbearbeitung Endbearbeitung Formgebung Wärmebehandlung Pulversynthese Zerkleinern Granulieren Konfektionieren Trockenpressen Plastische Verfahren Gießverfahren Thermisches Spritzen Drehen Fräsen Bohren Entbindern Sintern Infiltrieren Schleifen Polieren Honen Beschichten

4 Rohstoffe Rohstoffe Rohstoffe Rohstoffe Suspension Suspension Suspension Suspension Granulat Granulat Granulat Granulat Keime Keime Keime Keime Dosieren Dosieren Dosieren Dosieren Zerkleinern Zerkleinern Zerkleinern Zerkleinern Homogenisieren Homogenisieren Homogenisieren Homogenisieren Trocknen Trocknen Trocknen Trocknen Granulieren Granulieren Granulieren Granulieren Lagern Lagern Lagern Lagern Transportieren Transportieren Transportieren Transportieren Dosieren Dosieren Dosieren Dosieren Partikelform Partikelform Partikelform Partikelform Homogenität Homogenität Homogenität Homogenität Größenverteilung Größenverteilung Größenverteilung Größenverteilung Stabilität Stabilität Stabilität Stabilität Spez. Oberfläche Spez. Oberfläche Spez. Oberfläche Spez. Oberfläche Viskosität Viskosität Viskosität Viskosität Ladungsverteilung Ladungsverteilung Ladungsverteilung Ladungsverteilung Oberflächenspannung Oberflächenspannung Oberflächenspannung Oberflächenspannung ph ph ph ph Wert Wert Wert Wert Größenverteilung Größenverteilung Größenverteilung Größenverteilung Restfeuchte Restfeuchte Restfeuchte Restfeuchte Festigkeit Festigkeit Festigkeit Festigkeit Schüttdichte Schüttdichte Schüttdichte Schüttdichte Struktur Struktur Struktur Struktur Fließverhalten Fließverhalten Fließverhalten Fließverhalten Porosität Porosität Porosität Porosität Pressverhalten Pressverhalten Pressverhalten Pressverhalten Formverteilung Formverteilung Formverteilung Formverteilung Sorptions Sorptions Sorptions Sorptionsverhalten verhalten verhalten verhalten Chemische Hilfsstoffe Chemische Hilfsstoffe Chemische Hilfsstoffe Chemische Hilfsstoffe Dispergierflüssigkeit Dispergierflüssigkeit Dispergierflüssigkeit Dispergierflüssigkeit Überblick Pulveraufbereitung

5 Kriterien Pulveraufbereitung Werkstoffeigenschaften, Applikationsanforderungen Dichte Porosität Thermische Stabilität Ausdehnungskoeffizient Festigkeit Härte Korrosionsstabilität Funktionalität (z.b.) Wärmeleitung Elektrische und magnetische Eigenschaften Qualitätsforderung Bauteil Rohstoffauswahl zugeschnittene Mischung Verfahrensauswahl Größe, Struktur, Porosität

6 Technologieeinfluss auf Produktqualität Defektgrößen, Eigenschaftsniveau (nach Griffith) Festigkeit und Defekte (Beispiele) Material Festigkeit Defekt Siliziumnitrid 800 MPa 64 µm 1400 MPa 21 µm Siliziumkarbid 400 MPa 50 µm Aluminiumoxid 340 MPa 46 µm 750 MPa 21 µm Einfluss der Aufbereitung

7 Gliederung Einführung Pulververarbeitung Pulveraufbereitung / -zerkleinerung Konfektionierte Pulvermischungen Typische Produkte Eigenschaften und Charakterisierung Granulierverfahren Granulatbildung Prinzipien, Anlagentechnik Resultierende Granulateigenschaften Zusammenfassung

8 Zerkleinerung - Bruchmechanismen Zerkleinerung durch Druck - Reibung Schlag - Scheren Einfluss der Partikelgröße auf die Partikelfestigkeit

9 Zerkleinerung - Einteilungsprinzipien Festigkeit sehr weich weich mittel hart hart sehr hart MOHS Härte < Material Graphit, Ton, Metall, Feldspat, Quarz, Glas, Getreide, Kalk Kohle, Salz Carbide, Korund, Diamant Durchmesser 1 m 1 mm 1 µm 1 nm Dispersität grob fein / feinst nano

10 Zerkleinerungsanlagen Auswahl und Einsatzbereiche Quelle: Stein, Hosokawa-Alpine AG Feinheit Energieeintrag

11 Zerkleinerung Korngröße Energieeintrag Material (Beispiel) Siliziumnitrid, Yttriumoxid, Aluminiumoxid Eingangskorngröße < 10 µm Zielgröße d µm Mahlaggregat Rührwerkskugelmühle LME 4T (NETZSCH GmbH) Auskleidung: Keramik / Si 3 N 4 Medium: Wasser Energieverbrauch 900 kwh / t für Produkt d 90 = 1.4 µm

12 Mahlkörper / Mahlkugeln Energieausnutzung * Spezifischer Energieeintrag kj/kg * E-Modul (Kugel) > E-Modul (Produkt) * hohe Feststoffmasse / -dichte (Kugel) Zerkleinerungsbereich * Partikeldurchmesser d = 10 nm. 50 µm * Mahlkugeldurchmesser D = (20) mm Mahlkugelabrieb * arteigenes Material verhindert Kontamination * hohe MK-Härte verringert Abriebmasse * geringe Porosität und Gefügekorngröße verringern Abriebkorngröße Mahlkugeln sollen das Produkt und nicht sich selbst oder die Mühle zerkleinern

13 Suspensionseigenschaften (Auswahl) Eigenschaften, Art und Gehalt der Additive Oberflächenladung Dispergieren Mischen Sedimentieren Dichte Größenverteilung Spezifische Oberfläche Viskosität ph-wert Oberflächen- spannung Form (Partikel, Agglomerat) Transport Lagern Zerstäuben Eigenschaften Primärpulver -> Suspensionseigenschaften -> Verarbeitungsverhalten

14 Gliederung Einführung Pulververarbeitung Pulveraufbereitung / -zerkleinerung Konfektionierte Pulvermischungen Typische Produkte Eigenschaften und Charakterisierung Granulierverfahren Granulatbildung Prinzipien, Anlagentechnik Resultierende Granulateigenschaften Zusammenfassung

15 Konfektionierte Pulvermischungen Definition Pulver und Agglomerate vorgegebener Größe, Festigkeit, Struktur, Dichte, Porosität und Funktionalität (akt. Schichten, Gradienten) Granulierte Pulvermischungen ( µm) oberflächlich beschichtete Pulver ( µm) Pulver mit modifizierter Form (z.b. Flakes, µm) Pressgranulate ( / 500 µm) Spritzpulver, Pulver für generative Verfahren ( µm / µm / µm) Batteriepulver ( / µm ) Funktionskugeln ( µm) porös (Sorbentien, Katalysatoren) dicht (Mahlkugeln, Einbettung, Abdeckung) hohl (Sorbentien, Leichtbau, Isolierung, Filter)

16 Granulat- und Verarbeitungseigenschaften (Auswahl) Feuchte Dosierbarkeit Abrieb Pressverhalten Mechanische Eigenschaften Struktur (innere, äußere), Porosität Größen- / Form- verteilung Schütt- und Fließverhalten Sorptions- verhalten Benetzbarkeit Dispergier- barkeit Aktivität Prim. Granulateigenschaften -> Schüttguteigenschaften -> Verarbeitungsverhalten -> Station Granulatcharakterisierung

17 Granulateigenschaften Innere Granulatstruktur Beispiel Sprühgranulat

18 Granulateigenschaften Mechanische Eigenschaften - Messtechnik Prinzip unabhängige Messung von Kraft (F) und Weg (s) kontaktlose Wegmessung an der Probe in Belastungsrichtung unabhängige Steuerung der Belastungskinetik (Kraft, Weg = f(zeit)) Parameter Kraftbereich mn Genauigkeit mn Durchmesserbereich µm Genauigkeit 0.1 µm Quelle: etewe GmbH

19 Granulateigenschaften Mechanische Eigenschaften (Beispiel) Pressgranulat Durchmesser 355 µm Bruchpunkt * Bruchkraft 250 mn * Bruchweg 24 µm Spezifische Werte * Bruchlast 2.53 MPa * Deformation 6.8 %

20 Mechanische Granulateigenschaften Granulatentwicklung - Bindervariation Kraft [mn] Summenverteilung [%] Referenz Binder 2 Binder Deformation [%] 0 0,25 0,75 1,25 1,75 2,25 2,75 3,25 Spezifische Bruchlast [MPa] Kraft-Deformations-Kurven Granulatfestigkeitsverteilungen

21 Press- / Verdichtungsverhalten Methode - Messgrößen Instrumentiertes Presswerkzeug Prinzip Uniaxiale Verdichtung kraft- oder wegkontrolliert Regulierung und Kontrolle der Raumbedingungen (Klimalabor) Stempel: gehärteter Stahl; Durchmesser mm Oberstempelkraft: 250 kn (0 700 MPa) Messanordnung, Messgrößen F 1 F 2 σ rad s 1 s 2 Oberstempelkraft Unterstempelkraft Radialspannung Oberstempelabstand Stempelabstand -> Station Instrumentierter Pressversuch

22 Press- / Verdichtungsverhalten Granulatentwicklung - Bindervariation 2,6 Pressdichte (korrigiert) [g/cm^3] 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 Referenz 1 Referenz 2 Entwicklung 1 / 2 1, Pressdruck [MPa]

23 Gliederung Einführung Pulververarbeitung Pulveraufbereitung / -zerkleinerung Konfektionierte Pulvermischungen Typische Produkte Eigenschaften und Charakterisierung Granulierverfahren Granulatbildung Prinzipien, Anlagentechnik Resultierende Granulateigenschaften Zusammenfassung

24 Pulveraufbereitung - Granulationsverfahren Mechanische Verfahren Mischagglomeration Pressagglomeration Taumelmischer, Pelletierteller, Intensivmischer, Agglomeration in der Wirbelschicht, Extrusion, Pressverfahren (Nieder-, Hochdruck) Thermische Verfahren Sprühtrocknung Wirbelschichtverfahren Aufbauagglomeration, Coating Gefriertrocknung / Sprühgefriergranulierung Haftmechanismen ohne Materialbrücken mit Materialbrücken van der Waals, Elektrostatik chem. Bindung, Sinterbrücken, Bindemittel (gehärtet, viskos), Kristalle, Flüssigkeitsbrücken

25 Granulierverfahren - Anlagen und Granulatbildung Sprühtrocknung

26 Granulierverfahren Betriebsweisen Sprühtrocknung Suspension Trocknungsgas Trocknungsgas Granulat Suspension Granulat Gleichstrom Gegenstrom-Prinzip

27 Granulierverfahren - Anlagen und Granulatbildung Wirbelschichtgranulierung

28 Granulierverfahren - Betriebsvarianten Wirbelschichtverfahren Suspension Top spray Bottom spray Tropfen Granulat Feststoff Trocknungsgas Trocknungsgas Suspension Agglomeration Beschichtung Aufbaugranulation

29 Granulierverfahren - Anlagen und Granulatbildung Mechanische Granulierung

30 Granulierverfahren - Anlagen und Granulatbildung Sprühgefriergranulierung

31 Verteilungssumme Q3 / % Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Granulatgrößenverteilung QICPIC: Größenverteilung auf Basis dynamischer Bildanalyse (Beispiele) Param. 4 Param. 5 Wirbelschicht Sprühtrocknung aggl. Sprühtrocknung mech. Granulierung Zeolit mech. Granulierung Ton Sprühgefriertrocknung Partikelgröße / µm Granulatgröße: EQPC (Durchmesser des flächengleichen Kreises) Wirbelschicht (grob. Int. Klassierung) Sprühtrocknung (Zweistoffdüse) Sprühtrocknung (fein, z.t. agglomeriert) Mechan. Granulierung (Bsp. Zeolit / Binder) Mechan. Granulierung (Bsp. Ton / Wasser) x 10 x 50 x Sprühgefriertrocknung

32 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Granulatformverteilung Seitenverhältnis: Verteilungssumme Q3 / % QICPIC : dynamische Bildanalyse zu Bewertung der äußeren Form Param. 4 Param. 5 Wirbelschicht Sprühtrocknung aggl. Sprühtrocknung mech. Granulierung Zeolit mech. Granulierung Ton Sprühgefriertrocknung Seitenverhältnis a = x F,min x F, max Wirbelschicht (grob, int. Klassierung) Sprühtrocknung (Zweistoffdüse) Sprühtrocknung (fein, z.t. agglomeriert) Mechan. Granulierung (Bsp. Zeolit / Binder) Mechan. Granulierung (Bsp. Ton / Wasser) a 10 a 50 a 90 0,94 0,96 0,98 0,69 0,88 0,94 0,58 0,74 0,86 0,74 0,86 0,93 0,64 0,78 0,88 Sprühgefriertrocknung 0,70 0,88 0,94

33 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Charakteristische Granulatformen dyn. Bildanalyse Wirbelschicht Sprühtrocknung Mechanische Granulierung Sprühgefriertrocknung EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 2817 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 477 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 676 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 559 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 1466 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 61 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 1244 EQPC µm Seitenverhältnis Bildnummer 448

34 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Innere Struktur (Makrostruktur, qual.) Wirbelschicht Sprühtrocknung Mechanische Granulierung Sprühgefriertrocknung

35 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Innere Struktur (Mikrostruktur, qual.) Wirbelschicht Sprühtrocknung Mechanische Granulierung Sprühgefriertrocknung

36 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Porosität / Strukturgradienten Wirbelschicht Mechanische Granulierung Hg-Porosimetrie Sprühtrocknung Sprühgefriertrocknung Porosität (%) 24,4 34,5 (hohl) 44,9 (voll) ( > 70) 42,4 48,7 77,4 82,0 Average pore diameter (µm) 0,044 0,25 0,435 0,105 0,308 0,386 0,5 Hohlräume nein z.t. z.t. nein

37 Herstellungsverfahren - Granulateigenschaften Mechanische Eigenschaften - GFP σ = Bruchkraft Querschnittsfläche MW Spez. BL (MPa) Wirbelschicht 6,32 ± 1,18 Sprühtrocknung 0,81 ± 0,14 Mechan. Granulierung (Bsp. Al2O3 / Binder) Mechan. Granulierung (Bsp. Ton / Wasser) 2,0 ± 0,54 1,9 ± 0,33 Sprühgefriertrocknung 0,18 ± 0,06 Fraktionen: µm: Sprühtrocknung, Sprühgefriergranulierung µm: Mechanische Granulierung, Wirbelschicht

38 Granulierverfahren - Granulateigenschaften Vorteile im Vergleich Wirbelschicht Sprühtrocknung Mechanische Granulierung Sprühgefriertrocknung Sphärizität Hohe Dichte / Packungsdichte Große Durchmesser Gradierungen Bandbreite Eigenschaftsvariation: Größe Struktur / Porosität Festigkeit Hohe Packungsdichte (Mikrostruktur) Große Durchmesser Kostengünstig Sphärizität Homogene Porosität Lockere Packungsstruktur Geringe Festigkeit Fazit: Applikationsanforderungen bedingen Auswahl Granulierverfahren Jedes Verfahren hat spezifische Vorteile -> Kombination

39 Gliederung Einführung Pulververarbeitung Pulveraufbereitung / -zerkleinerung Konfektionierte Pulvermischungen Typische Produkte Eigenschaften und Charakterisierung Granulierverfahren Granulatbildung Prinzipien, Anlagentechnik Resultierende Granulateigenschaften Zusammenfassung

40 Zusammenfassung Zugeschnittene Pulvermischungen für die Keramik Definition der Anforderung Bauteil Pressverfahren Grünbearbeitung Lagerung Zwischenprodukte - Festlegung der Entwicklungsschwerpunkte Fließverhalten Pressverhalten Grünfestigkeit Werkstoffniveau - Variation stofflicher und technologischer Parameter Rohstoffauswahl, Mahlverfahren und -kinetik, Suspensionseigenschaften Hilfsmittelsystem (Dispergator Binder Gleitmittel) Granulierverfahren, Trocknungskinetik, Konfektionierung Überprüfung der Ergebnisse (Entwicklung Scale up Produktion) Granulat Grünkörper Endprodukt Voraussetzung: Eigenschaftskorrelationen (Rohstoff Prozess Produkt) Geeignete Prozesse und Charakterisierungsmethoden

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Weiterer Ablauf: Demonstrationspraktika in drei Gruppen (ca. 30 min je Station) Technologie Pulveraufbereitung (Manfred Fries) Granulatcharakterisierung (Susanna Eckhard) Instrumentierter Pressversuch (Axel Bales) Präsentationen werden als Lehrunterlagen bereitgestellt (TUD / Scriptablage) Kontakt: manfred.fries@ikts.fraunhofer.de,