Reduzieren Sie die Kosten der Keramikproduktion mit Kinetics Neo
NETZSCH-Geschäftsfeldleiterin Dr. Elena Moukhina erklärt, wie die Software Kinetics Neo hilft, Polymerentbinderungs- und Keramiksinterprozesse schneller und effizienter durchzuführen.
Inhalt
Warum ist die Optimierung der Temperatur beim Brennen von Keramik notwendig?
Was kann ich tun, um die optimale Temperatur für meinen Produktionsprozess zu finden?
Kinetics Neo: Kinetische Analyse
Kinetics Neo: Simulation und Optimierung
Beispiel aus der Praxis: Optimierung der keramischen Produktion in der Industrie
Einführung
Die Keramikproduktion ist eine Herausforderung in einer Welt hoher Energiepreise.
Wie lassen sich die Kosten für das Brennen von Keramik senken und gleichzeitig die hohe Qualität des Produkts erhalten?
Wenn ein Teil den Ofen mit Rissen und Verformungen verlässt, senken die meisten Verfahrenstechniker die Heizraten und verlängern die Isothermen. Dies führt zu sehr langen Entbinderungs- und Sinterungsprozessen und erhöht die Kosten dramatisch.
Wenn die Teile den Ofen in guter Qualität verlassen, wird niemand mehr den Prozess anfassen, um herauszufinden, ob es möglich ist, das gleiche Ergebnis in 50 % der Zeit zu erzielen.
Aber jetzt müssen wir das tun, weil die Energiepreise zu hoch sind.
Die Software NETZSCH Kinetics Neo und die Daten der thermischen Analyse unterstützen Sie mit einem virtuellen Blick in Ihren Prozess im Ofen. Sie hilft Ihnen, Ihren Prozess optimal zu gestalten, indem:
- verkürzung der Entwicklungszeit
- reduzierung des Energieverbrauchs
- reduzierung der Anzahl der Testbrände
- reduzierung des Ausschusses
- die gleiche oder eine bessere Qualität erhalten
- beschleunigung der Markteinführung.
Sehen Sie, wie es funktioniert: https://vimeo.com/268580866
Warum ist die Optimierung der Temperatur beim Brennen von Keramik notwendig?
Beim Brennen von Keramik hängt die Qualität des Produkts vom Temperaturprofil ab, insbesondere von der Aufheizgeschwindigkeit. In der Anfangsphase des Erhitzungsprozesses, in der Regel unter 700 °C, wird das Polymerbindemittel durch thermische Zersetzung vorsichtig entfernt. Die Gasentwicklung sollte jedoch nicht zu intensiv sein, um die Bildung von Mikrorissen zu verhindern und sicherzustellen, dass die Struktur des ursprünglichen Materials nicht zerstört wird. Um die beste Produktqualität zu erzielen, sollte diese Erhitzungsphase zur Polymerzersetzung daher nicht zu schnell durchgeführt werden. Andererseits verlängert eine zu langsame Erwärmung die Prozesszeit, was zu teuer und umweltschädlich sein kann und die Produktionskosten erhöht.
In der Endphase des Erhitzungsprozesses, in der Regel über 700°C, findet der Sinterprozess mit der Schrumpfung statt. Die zu intensive Erhitzung führt zur Bildung von mechanischen Spannungen und Mikrorissen. Um die beste Qualität der Keramik zu erhalten, sollte diese Erhitzungsphase mit Schrumpfung nicht zu schnell durchgeführt werden. Eine zu langsame Erwärmung erhöht jedoch die Prozesszeit und damit die Produktionskosten.
Das Hauptziel besteht darin, ein optimales Temperaturprofil mit ausgewogener Erwärmung zu erstellen, um die beste Qualität material in der kürzesten Zeit.
Der Verfahrenstechniker kann durch "Versuch und Irrtum" geeignete Brennprogramme finden. Er versucht, jedem einzelnen Prozess während des Sintervorgangs gerecht zu werden. Das führt zu langen Brennprogrammen, die dem realen Verlauf des Sinterprozesses nicht optimal entsprechen.
Was kann ich tun, um die optimale Temperatur für meinen Produktionsprozess zu finden?
Zunächst ist es sinnvoll, die Dehydratisierung und Entbinderung mittels Thermogravimetrie zu untersuchen. Bei dieser Methode zeigen die experimentellen Daten die Temperaturen, bei denen die Probe an Gewicht verliert - was uns sagt: "Es kommt etwas aus dem Material heraus". Wenn man keine Masseverluste mehr sieht, kann man davon ausgehen, dass die Entbinderung abgeschlossen ist.
In einem zweiten Schritt muss das Material mit Hilfe der Dilatometrie charakterisiert werden. Diese Messmethode zeigt, wo die Sinterung beginnt und bei welchen Temperaturen Sinterstufen auftreten. Wenn schließlich keine Schrumpfung mehr zu beobachten ist, ist die Sinterung abgeschlossen. Führt man beide Tests bei unterschiedlichen Heizraten durch, so erfährt man, wie die Prozesse von der Geschwindigkeit abhängig sind.
Für die Optimierung des Brennprofils kann die Kinetics Neo software eingesetzt werden. Sie kann die Daten aus der Thermogravimetrie und der Dilatometrie analysieren und dann das Entbindern und Sintern für beliebige Temperaturprofile simulieren.
Optimierungsschritte
- Thermogravimetrische Messungen mit unterschiedlichen Heizraten unter 700°C zur Entbinderung
- Kinetische Analyse der thermogravimetrischen Messungen und Erstellung eines kinetischen Modells für die Entbinderung
- Optimierung des Temperaturprofils unter 700°C, um eine Massenverlustrate zu erhalten, die nahe an einem konstanten Wert liegt.
- Dilatometermessungen mit verschiedenen Heizraten über 700°C zum Sintern
- Kinetische Analyse der Dilatometermessungen und Erstellung eines kinetischen Modells für die Sinterung
- Optimierung des Temperaturprofils oberhalb von 700°C, um eine Schrumpfungsrate zu erreichen, die nahe an einem konstanten Wert liegt.
- Validierung des vollständigen Temperaturprofils, zunächst im Labor und dann unter industriellen Bedingungen.
Kinetics Neo: Kinetische Analyse
Lädt man die Daten, die bei unterschiedlichen Heizraten gemessen wurden, in die Simulationssoftware Kinetics Neogeladen, so kann die Reaktionskinetik mathematisch modelliert werden. So erhalten Sie ein Simulationsmodell, das die temperatur- und zeitabhängigen Prozesse in Ihrem Material zuverlässig beschreibt.
Abb. 2: Umwandlungsraten in %/min - dies zeigt Ihnen Bereiche, in denen die Sinterung sehr intensiv ist und daher hier Risse oder Verformungen auftreten können.
Kinetics Neo: Simulation und Optimierung
Die Simulation des Sinterprozesses für das Temperaturprofil mit drei Segmenten (Heizung, isotherm, Heizung) ist in Abbildung 3 dargestellt.
Mit diesem Modell können Sie nun jedes beliebige Brennprogramm und die Auswirkungen auf Ihren Sinterprozess simulieren, indem Sie einfach die Temperatur in der Software ändern.
Das "echte" Temperaturprofil, bestehend aus Temperaturschritten mit konstanter Heizrate, kann in eine Textdatei exportiert werden. Mehr Informationen über diese Funktion.
Mit der Optimierung Ihres Entbinderungs- und Sinterprozesses im Hinblick auf maximale Umsatzraten und die Leistungsfähigkeit Ihres Ofens in Bezug auf Heiz- und Kühlraten, kommen Sie mit der Modellierung Ihres Brennprogramms in der Software nahe an das Optimum. Mit Kinetics Neo Simulation kommen Sie schneller zum Optimum!
Abb. 4: Modellierte Temperaturkurve auf der Grundlage einer Umwandlungsrate von 0,5 %/min
Die Kurve ist das ideale Temperaturprofil für die konstante Längenänderung.
Für die realen Bedingungen ist es jedoch oft notwendig, ein Temperaturprogramm zu haben, das aus mehreren Temperatursegmenten mit konstanter Heizrate besteht.
In der Software gibt es die Möglichkeit, ein solches Programm mit einer bestimmten Anzahl von Temperaturschritten zu erstellen und die Vorhersage für diese Schritte zu sehen:
Beispiel aus der Praxis: Optimierung der Keramikproduktion in der Industrie
Das deutsche Unternehmen Haldenwanger stellt ein breites Spektrum an keramischen Werkstoffen für unterschiedliche Zwecke her. Sie entwickelt ständig neue keramische Materialien mit besseren physikalischen Eigenschaften.
Das neue keramische Material HALOFOAM ALUMINATM hat hervorragende physikalische Eigenschaften, aber die Endqualität dieses keramischen Schaums ist sehr empfindlich auf die Brenntemperaturen. Die Verlangsamung der Erwärmung führt zwar zu einer perfekten Qualität, hat aber eine zu lange Produktionszeit und sehr hohe Produktionskosten zur Folge.
Der Brennprozess dieser Keramikproduktion erfordert daher eine Optimierung des Temperaturprofils und der Aufheizraten. Die experimentelle "Trial & Error"-Methode funktioniert hier jedoch nicht, da jeder Produktionszyklus viele Tage in der Brennkammer dauert und hohe Kosten verursacht.
Die Optimierung des Temperaturprofils wurde in der Software Kinetics Neo durchgeführt.
Dieser Prozess bestand aus zwei Teilen, dem Entbindern und dem anschließenden Sintern.
Die Messungen für das Entbindern mit verschiedenen Heizraten wurden am STA 449 F1 im NETZSCH-Labor durchgeführt. Dann wurde das kinetische Modell für den Entbinderungsprozess erstellt und die Temperaturen unter 700°C nur für die Entbinderung wurden in Kinetics Neo optimiert.
Die Messungen der Schrumpfung während des Sinterns wurden ebenfalls mit einem Dilatometer im NETZSCH-Labor durchgeführt. Das zweite kinetische Modell für das Sintern und die Optimierung der Temperaturen über 700°C nur für das Sintern wurden wieder in Kinetics Neo durchgeführt.
Die gesamte Optimierung des Temperaturprofils wurde für beide Teile durchgeführt, und die Produktionszeit konnte um mehr als 50 % reduziert werden.
