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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Modellierung

Die Arbeitsgruppe entwickelt physikalische mathematisch-numerische Beschreibungen von Herstellprozessen über analytische Modelle und Finite Element Simulation. Ein Verständnis der Prozesse führt zu Vereinfachungen und verbesserten Eigenschaften.

Abbildung zeigt ein Modeling Beispiel

Das Institut IEK-1 startet mit der Realisierung von Prozess-Simulationen mit Hilfe von ANSYS und Finiten Elementen.

Verfahren mit thermischen Plasmen haben ihre Vorteile bereits in einer Vielzahl technischer Bereiche unter Beweis gestellt. Für die Weiterentwicklung von Technologien, die auf thermischem Plasma beruhen und die Herstellung neuer thermisch gespritzter Oberflächen bedarf es eines besseren quantitativen Verständnisses der thermischen Spritzprozesse. Die Modellierung von Plasmabrennern mit Gleichstromlichtbogen und Jeteigenschaften ist jedoch eine große Herausforderung, die moderne Simulation mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (engl.: computational fluid dynamics, CFD) erfordert.

Das Verfahren des Niederdruck-Plasmaspritzens für Dünnfilme [low-pressure plasma spraying- thin film (LPPS-TF)] wurde am IEK-1 kürzlich durch F. Qunbo mit dem CFD-Programm FLUENT numerisch simuliert. Berechnet wurden das Temperaturfeld, das Geschwindigkeitsfeld, das Druckfeld und das Dichtefeld unter typischen Betriebsbedingungen für die Aufbringung von Wärmedämmschichten. Auf Grundlage der Plasmaströmungsfelder wurden auch die Plasmabahnen, den Schmelztemperaturen und der Grad der Evaporation von ZrO2-Partikeln mit typischer Korngrößenverteilung berechnet. Dabei stellte sich heraus, dass alle Partikel fast unmittelbar nach dem Austritt aus der Einspritzdüse vollständig schmelzen. Die Evaporationsrate wird vor allem von der anfänglichen Partikelgröße, dem Einspritzwinkel, dem Einspritzort und der Zusammensetzung des Plasmas bestimmt.

Diese Art der Simulation soll in Zukunft auf eine größere Bandbreite von Plasma-Betriebsbedingungen und auf andere Werkstoffe wie LaSrFeCoO3 angewandt werden (LaSrFeCoO3 wird für dichte Membranen zur Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff verwendet) und durch kinetische Monte-Carlo-Simulationen der Morphologie der entstehenden Beschichtungen ergänzt werden.


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