2025-06-032025-06-03https://hdl.handle.net/11420/55778Porzellanfliesen 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".Porcelain tiles are structure ceramic plates that are widely utilized to cover the floors and walls of residential, industrial, and commercial buildings. Porcelain tiles are unique. The process typically involves molding granulated raw material through high-pressure compaction, followed by firing in continuous roller kilns for a duration of 30-60 minutes. Automation and digitalization have increased with Industry 4.0. However, the ceramic industry lacks the ability to integrate measuring system output with automated equipment control. The distribution of properties in solid processes is complicated by particle chemical composition, shape, size, and structure. New environmental policies, especially for energy-intensive industries like porcelain tile production, require more sustainable manufacturing processes to maintain product quality. For numerical investigations of complex plants with material and energy streams connecting production steps, flowsheet calculations can be effectively applied . Even though flowsheet simulation tools are common in chemical engineering for fluid processes, they are not yet common for solid processes, especially ceramic powders. Only recently have such tools for interconnected solids processes been developed and applied. The typical practice is to design, simulate, and optimize each apparatus separately, ignoring its impact on neighboring processes. Previous studies have shown that flowsheet simulation accurately quantifies key process parameter sensitivity. The simulations can evaluate each processing unit's locally and process chain effects. Experimental data and semi-empirical models prevent a complete process sequence sensitivity analysis. Implementing a multiscale process treatment and gathering more material and process parameter data can improve models and optimize processes. To address this problem, this project aims to enhance the current models and simulate the manufacturing process of porcelain tiles through a joint collaborative research initiative involving UFSC in Brazil and TUHH in Germany. The multiscale process treatments will enable the digitalization and optimization of the entire processing chain. CFD simulations data will be used to improve the constitutively developed semi-empirical relations used in macroscale models by means of data driven surrogate models. This will build the foundation for computationally efficient optimization and model-predictive control for an industry that faces the challenges for digitalization. This project is part of DFG-CAPES Collaborative Research Initiative in the field of Industry 4.0, Advanced Digitalization.