Simulation, Fertigung und experimentelle Untersuchung von Oberflächenstrukturen zur Reduzierung von Spaltverlusten in verdünnten Gasströmungen
Projektbeschreibung
Im Zuge dieses Projekts sollen gezielt Oberflächenstrukturen untersucht werden, um die Streurichtung von Molekülen in verdünnten Gasströmungen zu beeinflussen. Dadurch können beispielsweise Spaltströmungen reduziert werden, was das Betriebsverhalten von Vakuumpumpen verbessert ohne die Betriebssicherheit zu gefährden. Dazu steht zum einen die Fertigung derartiger Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich als auch die experimentelle und theoretische Untersuchung der verdünnten Spaltströmung mit dem Einfluss dieser Oberflächenstrukturen im Fokus der Untersuchung. Ausgehend von theoretischen Voruntersuchungen sollen Initialstrukturen gefertigt werden, die anschließend in einen Vakuumprüfstand des Fachgebiets Fluidtechnik eingesetzt werden, sodass der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf den Spaltmassenstrom ermittelt werden kann. Weiterhin wird ein neues Wandreflexionsmodell für die DSMC-Methode entwickelt, das es ermöglicht, die Geometrie der gefertigten Oberfläche in Simulationen abzubilden. Dazu wird die Oberflächengeometrie analysiert, abstrahiert und geometrisch in dem Wandreflexionsmodell der DSMC-Methode hinterlegt. Die Wandreflexion basiert in einer Subroutine auf der Test-Partikel-Methode mit der die Streurichtung des Moleküls in der Oberflächenstruktur bestimmt wird.
Um eine zielgerichtete und reproduzierbare Präparation der Oberflächen zu gewährleisten, werden am Institut für Spanende Fertigung Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide entwickelt und gefertigt, mit deren Hilfe die angestrebte Oberfläche erzeugt werden kann. Die Präparationen erfolgen auf einer Sondermaschine zur Spanbildungsanalyse, die nach dem Prinzip des Hobelns arbeitet. Im Vorfeld des Werkzeugschleifens wird ein Finite-Elemente Spanbildungsmodell entwickelt und die Fertigung der Zieloberfläche mit variierender Werkzeugmikrogestalt untersucht. Dabei liegt der technologische Fokus auf der Verhinderung bzw. gezielten Einstellung der Gratbildung, die in simulativen Voruntersuchungen insbesondere aufgrund der geringen Spanungsquerschnitte als Herausforderung identifiziert werden konnte. Darüber hinaus soll die Simulation genutzt werden, um die Werkzeuggestalt mit dem Ziel der Passivkraftminimierung auszulegen, damit die angestrebte Oberflächenstruktur möglichst genau gefertigt werden kann. Nachdem die entwickelten Werkzeuge im eigenen Labor schleiftechnisch hergestellt werden, sollen sie zur Präparation der Oberflächenstruktur genutzt werden. Basierend auf einer mikroskopischen Digitalisierung der erzeugten Strukturen und der Modellierung im Fluidmodell soll eine iterative Anpassung der Werkzeuge zur Optimierung der resultierenden Oberflächen durchgeführt werden. Durch die experimentelle und simulative Untersuchung der gefertigten Oberflächen wird das realisierbare Potenzial von Oberflächenstrukturen in verdünnten Gasströmungen aufgezeigt.
Ansprechpartner
Kooperation / Förderung
Dieses Projekt wird aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projektnummer 513663608) gefördert und findet in Kooperation mit dem Institut für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund statt.
