Stochastische Partikelmodelle zur Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Prozessvariablen, Strukturkenngrößen und mechanischen Stoffeigenschaften

Für die dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse ist die quantitative multivariate Beschreibung von dispersen strukturellen und mechanischen Kenngrößen der Stoffe (wie z.B. Primärpartikel, Granulate, Haufwerke) von zentraler Bedeutung, denn in vielen Fällen hängen die mechanischen Stoffeigenschaften (wie z.B. Bruchverhalten bzw. Elastizitätsmodul) ganz wesentlich von der 3D-Struktur der Stoffe ab. Zusammenhänge von dispersen morphologischen Eigenschaften wie Partikelform, Partikelgrößen oder innere Struktur zu den Stoffeigenschaften wurden schon früh über so genannte Eigenschaftsfunktionen untersucht. Die 3D-Struktur selbst und damit auch die Stoffeigenschaften hängen vom Feststoff-Prozess und seinen Prozessvariablen ab. Die sogenannte Prozessfunktion stellt dabei Zusammenhänge zwischen Prozessvariablen und den dispersen Eigenschaften der Feststoffe her. 

In diesem Projekt werden zwei Arten von stochastischen Modellen zur Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Prozessvariablen, Strukturkenngrößen und Stoffeigenschaften entwickelt. Dabei werden einerseits stochastische Stoffmodelle untersucht, die durch geeignet gewählte parametrische Familien von multivariaten Wahrscheinlichkeitsverteilungen dargestellt werden. Diese Verteilungen, die mit Copula-Techniken konstruiert werden, können gleichzeitig mehrere disperse Strukturkenngrößen der Stoffe (z.B. Kenngrößen für die Partikelgröße, Partikelform oder der inneren Struktur) als auch mechanische Stoffeigenschaften beschreiben. Sie dienen zur statistischen Auswertung von simulierten und experimentellen Daten, die von Partnern innerhalb des SPP 1679 für verschiedene Stoff- bzw. Prozess-Szenarien generiert werden, und ermöglichen es damit auch, Stoffeigenschaften anhand des statistischen Modells vorherzusagen. Außerdem werden 3D-Strukturmodelle mit Methoden der stochastischen Geometrie entwickelt, die in Kooperation mit den Partnergruppen ebenso wie die entwickelten Stoffmodelle als Input für Prozesssimulationen verwendet werden. In der ersten Förderperiode werden diese Modelle zunächst für Primärpartikel und Granulate entwickelt. In den weiteren Förderperioden sollen diese Modellierungsansätze auf Haufwerke bzw. verpresste Stoffe (z.B. Tabletten) erweitert werden, wobei dann die räumliche Anordnung der Partikel eine wichtige Rolle spielt, und es sollen auch mehrphasige Mischungen von Stoffen modelliert werden.

Dieses Projekt wird von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) im Teilbereich "Stoffmodelle in der Feststoffverfahrenstechnik" des SPP 1679 "Dynamische Simulation vernetzter Feststoffprozesse" gefördert.

Ansprechpartner: Prof. Schmidt, Aaron Spettl