Entwicklung simulativer Ansätze zur gezielten Auslegung der Eigenschaften plasmagespritzter Beschichtungen

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Das Teilprojekt (TP) A10 befasst sich mit der Vorhersage der Eigenschaften plasmagespritzter Beschichtungen mithilfe von Simulationen. Dazu soll die gesamte Prozesskette (Abbildung 1) des Plasmaspritzens vom Plasmagenerator bis hin zum Schichtaufbau abgebildet werden. Diese wird dazu genutzt, die Einflüsse der häufig nichtlinear wirkenden Prozessparameter auf die Schichteigenschaften zu analysieren, zu verstehen und zu beherrschen. Dadurch sollen die Schichteigenschaften möglichst präzise vorhergesagt werden. In der ersten Phase wurden bereits grundlegende Simulationsmodelle für die Abbildung der Prozesskette des Atmosphärischen Plasmaspritzen entwickelt. Die aus diesen Modellen resultierenden Partikel¬zustandsgrößen im Plasmafreistrahl, wie die Partikelgeschwindigkeit und -temperatur, wurden dabei bereits mithilfe von Partikeldiagnostik validiert. Zudem wurden der Schmelzgrad von Partikeln und die Wärmeübertragung innerhalb sphärischer Partikel im Plasmafreistrahl vorhergesagte. Die Einbindung von Störgrößen, die Beachtung von komplexen Partikelgeometrien und die daraus resultierende Vorhersage von effektiven Schichteigenschaften war jedoch zum Ende der ersten Phase noch nicht möglich. Diese Ziele wurden entsprechend in der zweiten Phase des Projektes aufgegriffen. Dort wurden dann die Effekte von Störgrößen wie der Düsen-, Elektroden- und Injektorverschleiß sowie von Turbulenzen im Plasmafreistrahl auf die Schichteigenschaften untersucht. Die Simulationen wurden zudem in der zweiten Phase um komplexe Partikelmorphologien und ein 3D-Modell des Partikelaufpralls erweitert (Abbildung 2). Ebenso konnten mithilfe von zeitlich und örtlich hochauflösenden Diagnostikmethoden die Auswirkungen von Störgrößen und verschiedenen Injektorgeometrien auf den Prozess untersucht werden. In der geplanten dritten Phase sollen nun die folgenden Forschungsziele verfolg werden:

  • Prädiktive Simulationen der Prozesskette mit binären Gaszusammensetzungen und Untersuchung der Auswirkungen auf die Prozessstabilität

  • Implementierung der Phasenumwandlung und Rissentstehung in das Partikelaufprallmodell zur Steigerung der Präzision in der Vorhersage von Schichteigenschaften

  • Kompensation des Effektes von Turbulenzen durch modellbasierte Anpassung der Strömungsverhältnisse im Plasmafreistrahl und experimentelle Untersuchung der Auswirkungen

  • Vorhersage von angepassten Prozessparametern zur Kompensation der beobachteten langfristigen Störgrößen

Diese Maßnahmen ermöglichen die prädiktive Präzision der Simulationen zu erhöhen und somit die Prozesskette des Plasmaspritzens zu beherrschen. Darüber hinaus sollen auftretende Störgrößen entweder durch direkte Maßnahmen oder durch die entwickelte Methodik zur Parameteranpassung auch real kompensiert werden.

In Zusammenarbeit mit dem TP A13 (N) sollen die Modellierungen des Partikelaufpralls zudem mithilfe der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-(SPH)-Methode durchgeführt werden (Abbildung 3). Ebenso werden zusammen mit dem TP A12 die Simulationsvorhersagen bei Heiz- und Isolationsschichten zur Anwendung gebracht, indem thermomechanische und elektrische Schichteigenschaften prognostiziert werden. Zusätzlich werden die in TP A12 entwickelten Vorhersagen durch Methoden der Künstlichen Intelligenz mit den Vorhersagen der Simulationskette abgeglichen und Unterschiede hinsichtlich erfasster Störgrößen herausgearbeitet. Die aus dem TP A10 resultierenden Wärmedämmschichten werden darüber hinaus in den Gießprozessen der TP B01 und B08 eingesetzt, um dort den Wärmeübergang präzise zu steuern.

 
  Prozesskette des Atmosphärischen Plasmaspritzens mit untergeordneten Teilmodellen Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 1: Prozesskette des Atmosphärischen Plasmaspritzens mit untergeordneten Teilmodellen   a) Simulierter Schichtaufbau b) Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit Urheberrecht: © SFB 1120 Abbildung 2: a) Simulierter Schichtaufbau b) Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit
  Abbildung 3: Mithilfe der SPH-Methode simulierter Partikelaufrpall