利用DEM建模补充Granutools测量，优化涉及粉体的工艺

2026-04-03

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引言：将DEM建模与粉体流动测量相结合

完整的粉体表征需要结合不同的测量，得到一系列指标（粘聚性、休止角、动态休止角、密度、静电荷、流变学指数等）。Granutools 提供一系列专用于此目的的仪器。由于系统地执行全套测量既耗时又昂贵，必须根据应用或工艺智能地选择表征技术。Granutools 在其网站上提供了一系列应用说明，帮助您做出选择。一旦测量出参数，就需要结合应用或工艺对这些结果进行解读。而在这个阶段，模拟可以通过数字孪生的概念提供帮助。

在对实验室仪器进行持续改进和开发新功能的同时，Granutools 利用离散元方法（DEM，一种广泛采用的颗粒系统模拟方法）开发了数字孪生。数字孪生是物理设备的数字对应物。在粉体技术领域，物理设备指的是粉体表征方法或生产工厂中的工艺。

数字孪生可以在三个层面提供帮助：层是 DEM 参数校准，这是一个必不可少的步骤。第二层是加深对粉体在测量设备内行为的理解，从而超越仪器给出的参数分析。最后也是最高的一层，是对工艺过程的模拟。

用于DEM校准和验证的数字孪生

DEM 中使用的接触模型始终是对真实材料中接触的简化。此外，接触参数的确定是一项艰巨的任务，特别是对于细小的粘性粉体。为了克服这一困难，人们开发了"自上而下"的校准方法，即通过调整参数，使得模拟出的宏观行为与真实粉体的行为相匹配。换句话说，就是将这些实验室仪器获得的结果与相应的数字孪生获得的数值结果进行比较。通过优化方法，收敛到对应于该粉体的 DEM 参数集。

用于加深粉体行为理解的数字孪生

进行粉体流动测量会得到宏观参数。例如，GranuDrum 提供动态休止角和粉体粘聚指数，GranuHeap 提供休止角，GranuPack 测量堆积动力学等。这些宏观指标对于表征粉体流动、监控批次间稳定性或检查原料在加工前的特性极为有用。然而，对于高端应用，则需要更深入的理解。将实验室仪器的数字孪生与实际物理测量并行使用，可以获得额外的信息，例如 GranuDrum 中的速度分布（用于更深入的流变分析）、GranuHeap 中的料堆形成分析，或 GranuPack 中的垂直堆积密度分布。还可以研究复杂的机理，如偏析或团聚。

用于优化工艺的数字孪生

DEM 模拟越来越多地用于模拟真实的工业系统以优化工艺。然而，准确表征材料行为对于获得可迁移到真实工艺中的见解至关重要。通过使用表征仪器及其数字孪生进行校准步骤，可以获得与真实粉体特性相匹配的 DEM 模拟参数集。这组参数可用于模拟工艺过程（此时使用工艺的数字孪生）。通过这种方式，只需在模拟中改变工艺参数即可进行工艺优化研究，从而节省大量时间和成本。这种方法可应用于任何类型的工艺。它已成功用于更好地理解和改进基于粉床的增材制造工艺中的粉体铺展性。

制药应用中的压片用粉体输送是另一个应用领域。最近，DEM 模拟在电池生产中也获得了关注，用于解决一些优化问题，例如电池电极制造中活性材料粉体的预混合。