Optimierung des Ausbrennprozesses eines Polymerbinders in der Pulvermetallurgie
In der Sintermetallurgie sorgt das zugesetzte polymere Bindemittel für eine bessere Haftung am Metallpulver. Wenn jedoch die erste Erhitzungsphase zu schnell erfolgt, kann das Ausgasen des Bindemittels zu Mikrorissen führen.
Für den Produktionsprozess bedeutet dies, dass ein gutes Gleichgewicht zwischen den folgenden beiden Faktoren gefunden werden muss:
- Langsame Erwärmung erhöht die Prozess zeit.
- Schnelles Erhitzen führt zu qualitätsmängeln aufgrund der intensiven Gasentwicklung während der Zersetzung des Polymers.
Daher muss das optimale Temperaturprofil über alle Zonen des Tunnelofens ermittelt werden, um ein günstiges Verhältnis zwischen Prozessdauer und Produktqualität zu gewährleisten.
Problem:
Die optimalen Zonentemperaturen für einen Tunnelofenproduktionsprozess zu finden, um mit minimaler Zeitdauer und maximaler Qualität zu produzieren.
Lösung:
es wurden 6 Messungen bei Heizraten von 0,1, 0,3, 1, 3, 5 und 10 K/min in Stickstoff durchgeführt und das kinetische Modell gefunden. Die optimale Rate für den Massenverlust zur Aufrechterhaltung der besten Materialqualität liegt bei 0,05%/min während des gesamten Prozesses; bei einer höheren Zersetzungsrate kommt es zu einem Qualitätsverlust und bei einer niedrigeren Rate zu einer Verlängerung der Zeit. Auf der Grundlage dieser Optimierung für einen konstanten Massenverlust wurden die optimalen Zonentemperaturen für die Produktion im Tunnelofen gefunden.
Abbildung A zeigt sechs thermogravimetrische Messungen, die bei unterschiedlichen Aufheizraten in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wurden. Mit dem hier vorgestellten dreistufigen Modell ist es möglich, eine qualitativ hochwertige Approximation aller Messungen durchzuführen. Je höher die Anpassungsqualität ist, desto sicherer sind die Vorhersagen.
Abbildung B zeigt das optimale Temperaturprofil für den Polymerausbrand unter Laborbedingungen. Um die beste Materialqualität zu erzielen, sollte eine konstante Massenverlustrate von 0,05 %/min über den gesamten Prozess beibehalten werden.
Höhere Raten würden zwar die Prozesszeit verbessern, aber die Produktqualität verringern. Temperaturprofile für andere Massenverlustraten lassen sich leicht und schnell berechnen.
Abbildung C zeigt die Vorhersage des Massenverlustes in einem 5-Zonen-Tunnelofen für ein Temperaturprogramm, das den optimalen Zonentemperaturen für den Polymerausbrand während des Produktionsprozesses entspricht.