Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Methoden zur Messung der Fließeigenschaften faserartiger Schüttgüter für die Silo- und Prozessoptimierung

Das Fließverhalten faserartiger Schüttgüter kann mit den derzeit verfügbaren Messmethoden nicht zuverlässig bestimmt werden. Mangelnde Möglichkeiten zur Charakterisierung erfordern ein hohes Maß an Erfahrung im Umgang mit diesen Stoffen, welche häufig in KMU nicht vorhanden ist. Dies führt zu Problemen bei der Handhabung und zu Prozessstillständen. Zudem resultiert eine sehr defensive Auslegung von Anlagen und Behältern aufgrund unbekannter Materialparameter in einem unwirtschaftlichen Apparate- und Prozessdesign.

Im Rahmen des hier beantragten Forschungsprojektes soll eine Methode entwickelt werden, mit der die Fließeigenschaften länglicher Partikeln zuverlässig gemessen und u.a. zur Auslegung von Behältern und Silos verwendet werden können.

Nach der Auswahl der Versuchsmaterialien soll zunächst eine allgemeine Charakterisierung und anschließend eine Kategorisierung anhand verschiedener Merkmale entwickelt werden. Zudem soll ein neues Messgerät konstruiert werden, welches auf die besonderen Anforderungen jener Produkte abgestimmt ist. Die Messprozedur soll dann für die einzelnen Partikelklassen optimiert und die Grenze konventioneller Scherversuche identifiziert werden. Die mit dem neuen Messgerät erzielten Ergebnisse sollen genutzt werden, um etablierte Methoden zu modifizieren oder neue Ansätze für die Siloauslegung faserartiger Schüttgüter zu entwickeln, um eine problemlose Handhabung zu ermöglichen.

Ziel ist einerseits, einen neuartigen Schertester als Demonstrator bereitzustellen und andererseits etablierte Verfahren zur Siloauslegung zu modifizieren. Dadurch soll industriellen Nutzern ermöglicht werden, problematische faserartige Schüttgüter reproduzierbar zu charakterisieren und die für die Handhabung notwendigen Prozesse zu optimieren. Langfristig kann dies die Entwicklung neuartiger Prozesse initiieren, durch welche sich vor allem KMU im Geräte- und Anlagenbau gezielter im Markt positionieren und so wirtschaftlicher agieren können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde eine Bandbreite an länglichen Partikeln unterschiedlichen Ursprungs und Beschaffenheit untersucht und tiefgehend charakterisiert. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Partikelgrößen- und Formverteilung gelegt und wie sich jene durch Beanspruchung verändern kann. Abweichungen in den Schüttguteigenschaften konnten durch Formfaktoren wie der Konvexität gut abgebildet werden. Von dieser Charakterisierung lässt sich jedoch nicht zwangsläufig auf die Reib- und somit Fließeigenschaften zwischen Partikeln schließen. Unterschiedliche Reibeigenschaften lassen sich dagegen eher mit dem strukturellen Aufbau der Partikel erklären. Die Messung an ausgerichteten Glasfaserbündeln hat zudem gezeigt, welchen enormen Einfluss unterschiedlich zueinander ausgerichtete Partikeloberflächen gleicher Struktur auf die interpartikuläre Reibung haben können. Fließt ein solches faserartiges Schüttgut plastisch, so müssen sich die Partikel in der Regel ständig neu umordnen wie auch in den Scherversuchen mit einer transparenten Zelle aufgezeigt wurde. Ebenso wurde die Gründe dargelegt, warum Schergeräte in ihren jetzigen Formen nicht anwendbar sind zur Vermessung faserartiger Schüttgüter. Stattdessen wurden Durchbruch- und Zugversuche speziell für längliche Partikel entwickelt und deren Grenzen aufgezeigt. Insbesondere Zugtests können auch bei sehr geringen Spannungen Unterschiede zwischen Schüttungen und auch Veränderungen eines Schüttguts in Form gut reproduzierbarer Ergebnisse wiedergeben unter der Voraussetzung, dass die vorgestellte Standardprozedur durchgeführt wird. Dies erlaubt die verlässliche, quantitative Bestimmung der Zugfestigkeit als charakteristische Fließeigenschaft von faserartigen Schüttgütern. Im Vergleich mit den Durchbruchfestigkeiten ist zudem hervorzuheben, dass Aspektverhältnis, Verformbarkeit, Plattigkeit sowie Oberflächenrauigkeit von Partikeln den größten Einfluss auf die anisotropen Fließeigenschaften der getesteten Materialien haben.