Rheologie dendritenähnlicher Partikel in Suspension

Bei der Erstarrung von Metallen entstehen Millionen kleinste, schneeflocken-ähnliche Kristalle. Wie bei einem heftigen Schneesturm können sich diese Kristalle bewegen, vor Hindernissen anhäufen, komplexe Wirbel bilden und sogar zu Lawinen führen. Das Gesetz für die Bewegung eines einzelnen Kristalles in der ihn umgebenden Schmelze ist recht gut bekannt. Weniger bekannt sind hingegen die Bewegungsgesetze für die kollektive Bewegung vieler schneeflocken-ähnlicher Kristalle. Hier spielen, neben der Wechselwir- kung mit der Schmelze, gegenseitige Stöße, sowie eventuelle Verzahnungen einzelner Kristalle oder Kris- tallgruppen, eine entscheidende Rolle. Es ist nun geplant, mittels eines modernen 3D-Druckers, über 100.000 Kristalle, die nur wenige Millimeter große sind und Schneeflocken ähneln, zu drucken und diese dann in einer wässrigen Lösung unter vorge- gebenen Bedingungen zu rühren. Dabei werden die auftretenden Kräfte gemessen und daraus Rück- schlüsse zur kollektiven Bewegung bezogen. Solche Untersuchungen sind schon häufig mit kleinen Kügel- chen durchgeführt worden. Die jetzt verwendeten Partikel ähneln aber Schneeflocken, wodurch sich das Bewegungsverhalten deutlich von Kugeln unterscheiden wird. Die experimentellen Arbeiten werden zusätzlich mit entsprechenden Computersimulationen begleitet. Dazu müssen Modellansätze erweitert und implementiert werden. Diese Erweiterungen werden es letzt- endlich möglich machen, den Erstarrungsvorgang von Metallen, auch bei Vorhandensein von Millionen sich bewegender Kristalle, genauer zu beschreiben und damit die Produktqualität von Gussteilen zu ver- bessern.

Während der Erstarrung von Legierungen entstehen schneeflockenähnliche Kristalle, sogenannte Dendriten, die umherwirbeln, sich gegenseitig beeinflussen und schließlich absinken. Zur Beschreibung dieser Vorgänge sind detaillierte Information über die Fließfähigkeit bzw. Viskosität einer Mischung aus Schmelze/Flüssigkeit und dendritischen Teilchen von zentraler Bedeutung, insbesondere bei zunehmendem Dendritenanteilen. Hierzu gab es bisher keinerlei Untersuchungen. Ausgehend von Erkenntnissen über Suspensionen mit kleinen Kügelchen wurde ein Apparatur aufgebaut, die aus einem zylindrischen Behältnis mit einem rotierenden, teildurchlässigen Deckel besteht. Durch die Vorgabe von Kraft und Drehmoment stellen sich eine definierte Position und Drehgeschwindigkeit des Deckels ein. Daraus lässt sich auf die Viskosität der Suspension schließen. Die kleinen dendritischen Partikel wurden in großer Anzahl (> 100 000) mittels eines modernen 3D-Druckverfahrens ("Photopolymer Multi-Jet-Technik") aus einem speziellen Kunststoff hergestellt. Es wurden drei unterschiedlichen Typen dendritischen Partikel gedruckt, nämlich "Sternchen" mit jeweils sechs Armen, jedoch unterschiedliche Armlängen. Um den Einfluss von Auftriebskräfte auf die Messungen zu minimieren, sollten Flüssigkeit und Partikeln die gleich Materialdichte besitzen. Diese Vorgabe führte zu einer unerwartete Schwierigkeit, da die in der Literatur beschriebenen Experimenten verwendete Flüssigkeit inzwischen aufgrund ihrer hohen Toxizität in der EU verboten ist. Daher suchten wir nach Alternativen und setzten schließlich Glyzerin und PEG-PPG ein. Glyzerin besitzt eine etwa 10% höhere Dichte und PEG-PPG eine um etwa 9% geringer Dichte als die 3D-gedruckten Parti-kel. Es treten somit positive bzw. negative Auftriebskräfte auf, die bei den Messungen berücksichtig werden müssen. Zudem ergaben sich Schwierigkeiten aus der Tatsache, dass sich die dendritischen Partikel wiederholt im Spalt zwischen dem zylindrische Behältnis und dem rotierendem Deckel verhakten und dadurch die Messungen verfälschten. Daraufhin wurde ein geringfügig größerer Deckel angefertigt. Dies machte jedoch eine äußerst präzise Justierung des Deckels erforderlich, und zahlreiche Kontrollmessungen mussten durchgeführt werden, um einen tatsächlich reibungsfreien Versuchsaufbau sicherzustellen. Letztlich konnten erfolgreiche Messungen durchgeführt werden, deren Ergebnisse sich wie folgt zusammenfassen lassen: (i) Der Reibungskoeffizient nimmt mit abnehmendem Festkörperanteil zu und zeigt dabei für alle drei Typen dendritischer Partikel ein vergleichbares Verhalten, sofern die maximal möglichen Packungsdichten berücksichtigt werden. Der theoretische Ansatz zur Beschreibung des Reibungskoeffizienten bleibt grundsätzlich derselbe wie bei Suspensionen aus Kugeln, allerdings mit angepassten Parametern. (ii) Partikeldruck und Drehgeschwindigkeit lassen sich mit dem ermittelten Reibungskoeffizienten beschreiben. Für die Schwerrate ergibt sich jedoch ein deutlich geringer Wert als bei Verwendung von Kugeln. Offensichtlich ist die Annahme einer linearen Geschwindigkeitsverteilung, die sich bei kugelförmigen Partikeln bewährt hat, für dendritische Partikel in der vorliegenden Konfiguration nicht gerechtfertigt. Neben den experimentellen Arbeiten wurde ein numerisches Model entwickelt und erfolgreich getestet, das den Partikeldruck bei hohem Festkörperanteil berücksichtigt. Damit wird die Simulation von Erstarrungsvorgängen um einen neuen, in bestimmten Bereichen wichtigen Aspekt erweitert.