A method for evaluating plastic powders regarding their suitability for selective laser sintering. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Der Fokus dieser Masterarbeit liegt darauf, eine Methodik zur Bewertung der Druckbarkeit von Kunststoffpulvern im selektiven Lasersintern (SLS) zu untersuchen. Die Studie vertieft sich in die komplexe Beziehung zwischen den Eigenschaften des Pulvers und den in der SLS-Drucktechnologie verwendeten Parametern. Die Bewertung der Druckqualität während des eigentlichen Druckprozesses ist ein entscheidender Aspekt für die Erreichung der in dem Experiment festgelegten Ziele. Bei der Charakterisierung der Pulvereigenschaften wurden Messungen unter Verwendung von Techniken wie der Differentiellen Scanningkalorimetrie (DSC), der Partikelgrößenverteilung (PSD), der Rasterelektronenmikroskopie (REM) und anderer durchgeführt. Eine Synthese dieser Pulvereigenschaften leitete eine Reihe von Parameteranpassungen an, die es ermöglichten, Probleme während des Druckens zu identifizieren und zusammenzufassen, verbunden mit einer Erforschung möglicher zugrunde liegender Ursachen. Im Bereich des eigentlichen Druckens erwies sich der Einsatz der isothermen DSC als effektiver Ansatz zur präzisen Konfiguration der Betriebstemperaturen, wobei ihre Bedeutung für die Erreichung optimaler Druckbarkeit anerkannt wurde. Die Studie unterstreicht die Bedeutung der Pulverfließfähigkeit bei erhöhten Temperaturen als Voraussetzung für optimale Druckbarkeit. Darüber hinaus hebt die Forschung die Bedeutung von Pulvereigenschaften wie der Partikelmorphologie und der Partikelgrößenverteilung hervor. Wenn sie in Verbindung mit der Schichtdicke betrachtet werden, spielen diese Faktoren eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der Pulverfließfähigkeit und haben folglich Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Druckens.
Untersuchung der Wirkung von nanoskaligen Hilfsstoffen auf die extrinsischen Eigenschaften von Kunststoffpulvern. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Ziel dieser Arbeit ist es, die Modifizierungen der extrinsischen Eigenschaften von Kunststoffpulvern nach Zugabe verschiedener nanoskaliger Fließhilfen systematisch zu untersuchen. Besonders relevante extrinsische Eigenschaften sind die Schüttdichte und die Fließfähigkeit. Letztere kann vereinfacht durch den Hausner-Faktor beschrieben werden. Neben pyrogener Kieselsäure sollten auch Ruße und pyrogenes Aluminiumoxid als nanoskalige Fließhilfen in Betracht gezogen werden. Die Hydrophobie ist ein wichtiges Auswahlkriterium. Die Methode zum Einmischen der Hilfsstoffe in das Pulver muss festgelegt werden. Es werden verschiedene Dosierungen von Hilfsstoffen analysiert. Die Korrelation zwischen den Materialeigenschaften und der Anzahl der PBF-Produktionszyklen sollte bestimmt werden.
Einfluss der Lichtverhältnisse auf die Erkennungsrate von Spritzgießfehlern mittels visueller Sensoren. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Das Spritzgießen ist eine der fortschrittlichsten Verarbeitungstechnologien und bildet einen bedeutenden Anteil in der kunststoffverarbeitenden Industrie. Um die hohe Qualität der Produkte zu gewährleisten, kann der Einsatz von Bildverarbeitungssensoren bei der Qualitätsprüfung der industriellen Kunststoffproduktion die Effizienz der Prüfung erheblich steigern. Ziel dieser Arbeit ist es, die Faktoren der Beleuchtungsbedingungen zu untersuchen, die die Erkennungsrate von Spritzgussfehlern beeinflussen und mögliche Optimierungslösungen für die industrielle Produktion zu finden. Auf Basis einer Literaturrecherche werden die Grundlagen der Bildverarbeitung, der Beleuchtungstechniken und der Eigenschaften von Spritzgießfehlern betrachtet. In einem Vorversuch wurden Bilder von fehlerhaften Spritzgussteilen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen ausgewertet, um die möglichen Einflussfaktoren auf die Fehlererkennungsrate zu analysieren. Im Hauptversuch wurde anhand von Spritzgussteilen mit Farbschlieren und unvollständiger Formfüllung der Einfluss der Farbtemperatur und des Einfallswinkels der Lichtquelle untersucht. Zudem wurde der Einfluss von Fremdlicht in der Versuchsumgebung analysiert. Schließlich wurden basierend auf den Versuchsergebnissen mögliche Optimierungen und Ansätze für zukünftige Versuche vorgestellt.
Analyse des Vernetzungsverhaltens photoreaktiver Harzsysteme während der Imprägnierung textiler Halbzeuge. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Diese Bachelorarbeit gibt zunächst einen Überblick zu relevanten Sachverhalten von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere der Permeabilität, der Verarbeitung im Resin Transfer Molding Verfahren (RTM) und der Porenentwicklung und -migration. Zur Untersuchung des Vernetzungsverhaltens eines photoreaktiven Harzsystems wurden Aushärteversuche durchgeführt. Dazu wurde ein Versuchsaufbau verwendet, der es ermöglicht die Fließfront während des Injektionsvorgangs einzufrieren. Als Matrix diente das UV-reaktive Harz „3D-Rapid Resin“ der Marke Monocure 3D, welches durch Strahlung mit einer Wellenlänge von 225–420 nm polymerisiert wird. Als Verstärkungsgewebe wurde Glasfasergewebe in Leinwandbindung mit einem Flächengewicht von 163 g/m² und 389 g/m² eingesetzt. Mit Hilfe der dielektrischen Analyse gelang es die charakteristischen Aushärtekurven des UV-Harzes aufzunehmen. Daraus ließ sich die minimal notwendige Aushärtedauer bis zum Überschreiten des Gelpunkts bestimmen. Außerdem konnte die Idealpositionierung der Aushärteleuchte ermittelt werden. Ferner wurden der Einfluss vom Flächengewicht des Gewebes, der Anzahl der Gewebelagen der Probe sowie des Abstands der Aushärteleuchte aufgenommen. Für die Abnahme der im Versuchsaufbau ankommenden Beleuchtungsstärke, wurde ein mathematischer Zusammenhang zum Abstand der Aushärteleuchte gefunden.
Auslegung eines InLine-Rheometers für Spritzgießmaschinen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Moderne Spritzgießmaschinen sind in der Lage hochpräzise Bauteile in hoher Stückzahl für die Kunststoffindustrie zu produzieren. Der Gestaltungsfreiheit der Bauteile sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Zudem ist auf der breiten Materialpalette für fasst jede Anwendung die richtige Eigenschaft zu finden. Die wahre Stärke des Spritzgießprozesses liegt allerdings nicht nur in der Flexibilität und Schnelligkeit, sondern insbesondere in der Wiederholbarkeit. Der Spritzgießprozess als solches, ist hinreichend genau erforscht, um gute Bauteilqualitäten in hohen Stückzahlen mit wenig Ausschuss erzielen zu können, weshalb die weitere Optimierung des grundsätzlichen Prozesses nicht zielführend ist. Speziell die schwankenden Materialeigenschaften innerhalb einer Charge sind für steigende Ausschusszahlen verantwortlich und belasten daher die Kunststoffindustrie enorm. Insbesondere Bauteile die aus recycelten Kunststoffen hergestellt werden, sind von dieser Problematik betroffen, da je nach Recyclingprozess die Materialeigenschaften unterschiedlich stark schwanken können. Somit kann der Spritzgießprozess nicht optimal eingestellt werden. Die Motivation dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Steigerung der Effizienz und Qualität des Spritzgießprozesses durch kontinuierliche Überwachung der Viskosität mittels eines InLine Rheometers. Basierend auf der Rheologie von Kunststoffen im Spritzgießprozess, wird ein InLine Rheometer ausgelegt, welches durch InLine Druck- und Temperaturmessung das Materialfließverhalten der Kunststoffschmelze während des Einspritzprozesses überwachen soll. Basierend auf wissenschaftlicher Literatur wurden Druck-, Durchsatz- und Temperaturverhalten von Kunststoffschmelzen in Spritzgießmaschinen analysiert und Einflussmöglichkeiten auf die Viskosität der Schmelzen erarbeitet. Weiterhin wird ein Überblick über den Kenntnisstand der InLine Messungen gegeben. Diese Literaturrecherche bildet die wissenschaftliche Grundlage zur mathematischen Modellierung, sowie zur Auswahl geeigneter Komponenten. Weiterhin wurden die Erkenntnisgewinne genutzt, um ein ingenieurgerechtes Lastenheft mit technischem Entwurf zu erstellen. Das InLine Rheometer ist für die Spritzgießmaschine KM 160 CX ausgelegt und wird an den Zylinderkopf, der direkt hinter der Plastifiziereinheit verschraubt ist, montiert. Die Geometrie und Abmessungen der Kanalführung wurden so original wie möglich konzipiert, um höhere Druckverluste, aufwendige Montage und Bauraumprobleme zu vermeiden. Lediglich die Abmessungen der einzelnen Bauteile haben sich aufgrund der benötigten Sensorik deutlich verändert. Sind alle Komponenten wie vorgesehen montiert, können in der Kanalführung nur geringfügige Änderungen im Vergleich zum Originalzustand festgestellt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Messbohrungen, unterscheidet sich die äußere Gestalt der InLine Rheometer-Komponenten deutlich vom vorherigen Design der Spritzgießmaschine. Der technische Entwurf des InLine Rheometers ist das Ergebnis aus unterschiedlichen Konzepten, sowie der rheologischen, thermischen und mechanischen Auslegung aller Komponenten. Dazu gehören das Gehäuse mit Kanalführung und Sensorbohrungen, sowie Düse, Sensoren, Stopfen und Heizmanschetten. Alle zu fertigenden Bauteile sind zusätzlich in einer fertigungsgerechten Einzelteilzeichnung dargestellt. Kaufteile wie geeignete Sensoren und Heizmanschetten wurden auf Grundlage der Prozessparameter begründet ausgewählt. Die Auswahl des Materials C60E wurde sowohl von thermischer, als auch von mechanischer Seite aus diskutiert. Vorüberlegungen zur Erstellung verschiedener Konzepte, wurden durch die Anfertigung eines Forderungsplans und einer Kombinationstabelle angestellt. Das umgesetzte Konzept ist eine Kombination zweier Einzelkonzepte, welche durch eine tiefgründige Bewertung, anhand gewichteter Kriterien, zur weiteren Untersuchung ausgewählt wurden. Nach abgeschlossener Fertigung und Montage des InLine Rheometers, werden zahlreiche Versuche durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit des Messprozesses zu überprüfen. Anschließend soll das InLine Rheometer, wie bereits angedeutet, auf Basis von computergestützter Intelligenz den Spritzgießprozess kontinuierlich überwachen. Daraufhin soll die Spritzgießmaschine in der Lage sein, den Prozess je nach Material-fließverhalten optimieren zu können. Das Lastenheft liegt der Arbeit in Form einer CD bei. Zur Orientierung während des Lesens wurde der Arbeit eine schematische Darstellung des InLine Rheometers im Format 2:1 in ausklappbarer Form angehängt.
Analyse der Recyclingfähigkeit naturfaserverstärkter Organobleche. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Diese Arbeit befasst sich mit der Recyclingfähigkeit von vollständig biobasierten faserverstärkten Kunststoffen. Der Ansatz des werkstofflichen Recyclings wird von einem fossilen faserverstärkten Kunststoff auf einen naturfaserverstärkten Kunststoff übertragen. Da die Anwendbarkeit eines optischen Verfahrens zur Bestimmung der Faserlänge für diesen Verbund als nicht anwendbar eingestuft wird, wird ein Ansatz mit einem chemischen Lösungsverfahren mittels Hexafluorisopropanol angewendet. Die Messung der Faserlänge ist aufgrund der Beschaffenheit und Orientierung der Fasern nicht möglich. Die Bewertung der optimalen Parameter erfolgt auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls und unter dem Einfluss der Bruchdehnung. Durch eine statistische Versuchsplanung wird für jede der beiden mechanischen Eigenschaften eine Regressionsgleichung erstellt. Abschließend werden die optimalen Parameter für diesen Recyclingprozess festgehalten und die Übertragbarkeit auf andere Materialkombinationen erläutert.
Entwicklung und Optimierung einer Prozesskette zur Kompensation der Volumenkontraktion replizierter Optikkomponenten. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Das Spritzgussverfahren ermöglicht das Herstellen von Kunststoffoptiken in hohen Stückzahlen. Die Funktionsflächen können gegenüber mineralischem Glas aufgrund der erweiterten Designfreiheit komplexe Geometrien aufweisen. Für die optische Funktionalität ist eine exakte Abformung notwendig. Aufgrund des materialspezifischen Verhaltens von Kunststoff ist die Schwindung während der Erstarrung des Formteils eine Herausforderung. Die Prozesstechnik stößt dabei, trotz Simulation oder mathematische Analyse der Parametereinstellungen an Grenzen. Entsprechend sind für eine präzisere Abformung alternative Methoden notwendig. Das Ziel der Arbeit besteht darin, eine Prozesskette zur iterativen Werkzeuganpassung zu entwickeln, um systematische Formfehler zu korrigieren. Durch eine praktische Nachweisführung wird die Eignung verifiziert und die Vorgehensweise optimiert. Auf der Grundlage einer Analyse zum Stand der Technik wird zunächst mittels statistischer Versuchsplanung eine geeignete Parametereinstellung abgeleitet. Dabei ist das Schwindungsverhalten besonders von den Faktoren Werkzeugtemperatur, Massetemperatur, Nachdruck, Nachdruckzeit, Restkühlzeit und Einspritzgeschwindigkeit abhängig. Anhand der entwickelten Prozesskette wird für einen freiformoptischen und rotationssymmetrischen Demonstrator, eine mathematische Korrekturberechnung des verbleibenden systematischen Formfehlers vorgenommen. Die erforderlichen Datenpunkte der Ist-Oberfläche sind auf Basis geeigneter Messtechnik zu erfassen. Durch die Anwendung zweier Korrekturstrategien werden Möglichkeiten und Grenzen der beiden Softwarelösungen aufgezeigt. Die neu berechneten Funktionsflächen werden mittels Ultrapräzisionsdrehbearbeitung auf die Formeinsätze übertragen. Anschließend erfolgt eine weitere Replikation der Optiken aus Kunststoff. Um Erkenntnisse über die Auswirkungen der geometrischen Korrektur auf die optische Qualität zu erhalten, wird die Formgenauigkeit der Funktionsflächen erneut gemessen. Durch die Minimierung der Abweichung zur idealen Soll-Geometrie kann die Wirkung der Prozesskette zur Kompensation der Volumenkontraktion nachgewiesen werden.
Untersuchung der Erkennungsrate von Spritzgießfehlern mittels Thermografie. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
In dieser Bachelorarbeit wurde das zerstörungsfreie Prüfverfahren Thermografie zur Erkennung von Spritzgießfehlern genutzt, um eine hohe Bauteilqualität zu gewährleisten und Ausschuss zu minimieren. Die Zielsetzung bestand darin, herauszufinden, welche Störquellen, Parameter und technischen Kennwerte die Thermografie beeinflussen und begrenzen, um auf dieser Basis Möglichkeiten darzulegen, welche die Erkennungsrate des Prüfverfahrens optimieren. Hierzu wurden aufbauend auf einer Literaturrecherche thermografisch detektierbare Spritzgießfehler und deren Entstehung erläutert, sowie das Thermografie- und Spritzgießverfahren vorgestellt. Daraufhin wurden erste fehlerfreie Prüfkörper hergestellt, durch Anpassungen der Maschinenparameter konnten im Anschluss fehlerbehaftete Teile mit Vakuolen erzeugt werden. Für diese wurden folglich Grenzwerte zur erfolgreichen Nutzung des Prüfverfahrens erarbeitet und der Mehrwert einer zweiten Thermografiekamera evaluiert. Ein besonderes Augenmerk wurde daraufgelegt, welchen Einfluss sowohl eine Änderung der Bauteildicke, als auch die Variation der Einspritzgeschwindigkeit, auf die Erkennungsrate der Vakuolen haben. Durch gezielte Versuche konnten neben diesen Effekten auch Zusammenhänge zu weiteren technischen Grenzwerten dargelegt werden. Mögliche Optimierungen, besonders durch die Nutzung einer zweiten Thermografiekamera, konnten aufgezeigt werden.
Herstellung und Charakterisierung biobasierter Organobleche. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Faser-Kunststoff-Verbunde haben sich aufgrund ihrer gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften in zahlreichen Branchen als Standardwerkstoffe etabliert. Allerdings bringt das Verwenden dieser Werkstoffe eine große Menge an Abfallmaterial mit sich. Biokunststoffe bieten eine nachhaltige Alternative, um der steigenden Menge an Polymerabfällen entgegenzuwirken. Darum wird für diese Arbeit die Zielstellung gesetzt, vollkommen biobasierte Organobleche herzustellen und die Einflüsse der Herstellungsparameter auf diese zu untersuchen. Die Grundlage bildet dabei eine umfassende Literaturrecherche mit Augenmerk auf mögliche Verbundmaterialien, Herstellungsverfahren und Imprägnierungsmechanismen. Auf Basis der Literaturrecherche werden Vorversuche geplant und durchgeführt. Diese beinhalten PLA/Flachsfaser- und PP/Glasfaser-Verbunde, die durch Film-Stacking hergestellt werden. Da sich der verwendete PLA/Flachsfaser-Verbund nicht nach DIN EN ISO 1172 mittels Kalzinierung auswerten lässt, wird ein optisches Verfahren verwendet. Dieses wird anhand der PP/Glasfaser-Verbunde validiert. In den darauffolgenden Hauptversuchen werden PLA/Flachsfaser-Verbunde mittels Direktextrusion hergestellt. Dazu werden mehrere Versuche mit unterschiedlichen Herstellungsparametern durchgeführt. Die entstehenden Organobleche werden anschließend auf Faser- und Porengehalt sowie ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse werden abschließend in Zusammenhang mit den Parameterkombinationen evaluiert.
Analyse des Faserbruchverhaltens pyrolisierter Kohlenstofffasern im Werkzeug. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
Die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Bauteilen steigt wegen ihrem geringen Gewicht und mechanischen Eigenschaften stetig. Um ressourcenschonender und kostengünstigere kohlenstofffaserverstärkte Kunstoffbauteile fertigen zu können, wird die Alternative der rezyklierten Kohlenstofffasern erforscht. Für die mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe ist die Faserlänge ein entscheidender Faktor. Während die Faserlängenreduzierung für Glasfasern und Kohlenstofffasern in verschiedenen wissenschaftlichen Arbeiten dokumentiert ist, existieren bisher nur wenige veröffentlichte Untersuchungsergebnisse über die Faserlängenverkürzung von rezyklierten Kohlenstofffasern im Spritzgusswerkzeug. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Prozessparameter analysiert, die einen Einfluss auf die Faserlängen im Werkzeug besitzen könnten. Hierfür wurden Prüfkörper aus Polypropylen (PP) mit 20 Gew.-% pyrolysierten Kohlenstofffasern und PP mit 20 Gew.-% Kohlenstofffasern aus Industrieverschnitten hergestellt. Nach einer Probenentnahme und Kalzinierung wurden die vorliegenden Faserlängen mithilfe einer Mikroskopbetrachtung ermittelt und statistisch ausgewertet. Es wurden verschiedene Stufen der Prozessparameter auf der Spritzgießmaschine eingestellt, um mögliche Zusammenhänge zwischen den Parametern und deren Einfluss auf die Faserlängen überprüfen zu können.