Simulation, Fertigung und experimentelle Untersuchung von Oberflächenstrukturen zur Reduzierung von Spaltmassenströmen in verdünnten Gasströmungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Andreas Brümmer
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513663608

Im Zuge dieses Projekts sollen gezielt Oberflächenstrukturen untersucht werden, um die Streurichtung von Molekülen in verdünnten Gasströmungen zu beeinflussen. Dadurch können beispielsweise Spaltmassenströme reduziert werden, was das Betriebsverhalten von Vakuumpumpen verbessert. Dazu stehen zum einen die Fertigung derartiger Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich (Institut für Spanende Fertigung) und zum anderen die experimentelle und theoretische Untersuchung der verdünnten Strömungen durch Spalte mit strukturierten Oberflächen (Fachgebiet Fluidtechnik) im Fokus der Untersuchung. Ausgehend von theoretischen Voruntersuchungen sollen Initialstrukturen gefertigt und in einem Vakuumprüfstand vermessen werden, sodass der Einfluss der Oberflächenstruktur auf den Spaltmassenstrom ermittelt werden kann. Weiterhin wird ein neues Wandreflexionsmodell für die DSMC-Methode entwickelt, das die Reflexionseigenschaften der Oberflächenstrukturen abbildet, ohne die Geometrie der Oberflächenstrukturen im Rechennetz der DSMC-Simulation aufzulösen. Dazu wird die Oberflächengeometrie analysiert, abstrahiert und geometrisch in dem Wandreflexionsmodell hinterlegt. Die Bestimmung der Wandreflexion innerhalb des Wandreflexionsmodells basiert dann auf der Test-Partikel-Methode, mit der sich die Streurichtung der Moleküle in der Oberflächenstruktur berechnen lässt. Um eine zielgerichtete und reproduzierbare Präparation der Oberflächen zu gewährleisten, werden 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 wird die Simulation genutzt, um die Werkzeuggestalt mit dem Ziel der Passivkraftminimierung auszulegen, damit die angestrebte Oberflächenstruktur möglichst genau gefertigt werden kann. Die entwickelten Werkzeuge werden im eigenen Labor schleiftechnisch hergestellt und zur Präparation der Oberflächenstruktur eingesetzt. Basierend auf einer mikroskopischen Digitalisierung der erzeugten Strukturen und der Simulation der verdünnten Spaltströmungen mittels der DSMC-Methode wird eine iterative Anpassung der Werkzeuge zur Optimierung der resultierenden Oberflächen durchgeführt. Durch die experimentelle und simulative Spaltströmungsuntersuchung der gefertigten Oberflächenstrukturen wird deren Potenzial hinsichtlich der Reduktion von Spaltmassenströmen in verdünnten Gasströmungen aufgezeigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen