Ziel des Forschungsprojekts war es, das Verständnis des LSI (Liquid Silicon Infiltration)-Prozesses zu verbessern und wesentliche Einflussparameter, insbesondere den Einfluss der Ofenatmosphäre auf die Produktqualität, aufzuklären. Die Untersuchungen sollten zur Entwicklung von energie- und kosteneffizienten LSI-Prozessen führen.
Die Infiltration einer flüssigen Siliziumschmelze in Preformen ist ein wichtiger Herstellschritt, mit dem poröse und fragile Ausgangskörper in dichte und hochbelastbare Keramiken überführt werden. Dieser sogenannte LSI (Liquid Silicon Infiltration)-Prozess muss bei Temperaturen größer 1410 °C, dem Silizium-Schmelzpunkt, unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt werden. Er ist kosten- und energieaufwendig und aufgrund der dabei auftretenden Temperatur- und Konzentrationsgradienten sowie der mechanischen Spannungen kritisch für die Qualität der daraus hergestellten Bauteile.
rechts: Computersimulation des LSI-Prozesses an einer Bremsscheibe für den Automobileinsatz (Quelle: Fraunhofer ISC, Zentrum Hochtemperatur-Leichtbau)
Das Vorhaben wurde gemeinsam von einem Forschungsinstitut (HTL) und zwei Keramikherstellern durchgeführt. Im HTL wurde der LSI-Prozess mit den dort entwickelten thermooptischen Messanlagen in situ untersucht. Auch die Hochtemperatureigenschaften der für den Prozess relevanten Materialien wurden gemessen. Die Messdaten wurden als Input für ein eigens entwickeltes, dreidimensionales Finite-Elemente-Modell verwendet, das alle relevanten Phänomene berücksichtigt, die beim LSI-Prozess auftreten. Bei den beiden Partnern wurden Preformen unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt und Materialprüfungen durchgeführt. Die Laborversuche wurden in den Bauteil- und Technikums-Maßstab hochskaliert.
Im Forschungsprojekt ist es erstmals gelungen, den LSI-Prozess am Computer zu simulieren. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Preform-Eigenschaften, Ofenatmosphäre und Prozess sind verstanden und tragen zur Verbesserung der Produktqualität bei. Die Energiebilanzen des LSI-Prozesses wurden aufgestellt. Optionen zu signifikanten Energieeinsparungen liegen vor.
