Verbesserung der Nachhaltigkeit in der Keramikfliesenherstellung durch Prozesssimulation und -optimierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Heinrich
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 547425449

Porzellanfliesen sind keramische Strukturplatten, die häufig für die Verkleidung von Böden und Wänden in Wohn-, Industrie- und Geschäftsgebäuden verwendet werden. Porzellanfliesen sind einzigartig. Der Prozess umfasst in der Regel das Formen von granuliertem Rohmaterial durch Hochdruckverdichtung und das anschließende Brennen in kontinuierlichen Rollenöfen für eine Dauer von 30-60 Minuten. Automatisierung und Digitalisierung haben mit Industrie 4.0 zugenommen. Der keramischen Industrie mangelt es jedoch an der Fähigkeit, die Ergebnisse von Messsystemen in die automatisierte Anlagensteuerung zu integrieren. Die Verteilung von Eigenschaften in festen Prozessen wird durch die chemische Zusammensetzung, Form, Größe und Struktur der Partikel erschwert. Neue Umweltrichtlinien, insbesondere für energieintensive Industrien wie die Porzellanfliesenherstellung, erfordern nachhaltigere Herstellungsprozesse, um die Produktqualität zu erhalten. Für numerische Untersuchungen komplexer Anlagen mit Material- und Energieströmen, die Produktionsschritte miteinander verbinden, können Fließbildberechnungen effektiv eingesetzt werden. Obwohl Fließschemasimulationswerkzeuge in der chemischen Technik für flüssige Prozesse üblich sind, sind sie für feste Prozesse, insbesondere für keramische Pulver, noch nicht verbreitet. Erst in jüngster Zeit wurden solche Werkzeuge für vernetzte Feststoffprozesse entwickelt und angewandt. In der Regel wird jeder Apparat einzeln entworfen, simuliert und optimiert, wobei die Auswirkungen auf benachbarte Prozesse außer Acht gelassen werden. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Fließschemasimulation die Empfindlichkeit wichtiger Prozessparameter genau quantifiziert. Die Simulationen können die Auswirkungen der einzelnen Prozesseinheiten vor Ort und der Prozesskette bewerten. Experimentelle Daten und halb-empirische Modelle verhindern eine vollständige Sensitivitätsanalyse der Prozesskette. Die Implementierung einer Multiskalen-Prozessbehandlung und die Erfassung weiterer Material- und Prozessparameterdaten können die Modelle verbessern und die Prozesse optimieren. Das Ziel dieses Projekts ist es, die aktuellen Modelle zu verbessern und den Herstellungsprozess von Porzellanfliesen durch eine gemeinsame Forschungsinitiative zu simulieren. Beteiligt sind die UFSC in Brasilien und die TUHH in Deutschland. Die multiskaligen Prozessbehandlungen ermöglichen die Digitalisierung und Optimierung der gesamten Verarbeitungskette. Die CFD-Simulationen dienen der Verbesserung der halbempirischen Beziehungen in den entwickelten Makromodellen durch datengesteuerte Ersatzmodelle. Dadurch wird die Grundlage für eine effiziente Optimierung und modellprädiktive Regelung in einer Industrie geschaffen, die den Herausforderungen der Digitalisierung gegenübersteht. Dieses Projekt ist Teil des DFG-CAPES-Sonderforschungsbereichs "Industrie 4.0, fortgeschrittene Digitalisierung".

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Partnerorganisation: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior; (CAPES); Setor bancario Norte
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Marintho Bastos Quadri; Professor Marcelo Dal Bó; Professor Dr. Sergio Yesid Gomez Gonzalez; Professor Dachamir Hotza; Professor Dr. Agenor De Noni Junior; Professor Dr. Renato Oba; Professorin Dr. Talita Possamai; Professor Adriano Da Silva