Faserverbundexterieurbauteile NEXT : Qualifikation neuartiger Werkstoffe und Werkstoffkombinationen unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten. - Ilmenau. - 143 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Werkstoffkombination für Anwendungen im Fahrzeugexterieur zu identifizieren und zu validieren, die im Vergleich zu den etablierten CFK-Exterieurbauteilen eine deutlich verbesserte CO₂-Bilanz aufweisen. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Designausprägungen als Hauptrichtungen untersucht: Einerseits der Erhalt der etablierten 2/2 3K Köperoptik, andererseits die Definition zielführender neuartiger Optiken durch die Verwendung neuer Faserverbundstoffe. Eine Werkstoffauswahl sowie eine CO₂-Bilanz und die anschließende Qualifizierung für den Exterieurbereich standen im Fokus der Untersuchung. Eine Recherche zu den Faserarten wurde durchgeführte, dabei wurde mit einer Bewertungsmatrix die Flachsfaser als Zielführend definiert. Für die Flachsfaser wurde eine CO₂-Bilanz erstellt und ein Vergleich zu anderen Faserwerkstoffen wurde gezogen. Eine Senkung des ökologischen Fußabdrucks durch die Substitution von Kohlenstoff- durch Flachsfaser konnte für nicht-strukturelle Exterieurbauteile aufgezeigt werden. Die Feuchtigkeitsaufnahme von flachsfaserverstärkten Kunststoffbauteilen, die im Prepreg Autoklavverfahren hergestellt wurden, wurde im Kondenzwasserkonstantklimatest geprüft. Eine Aufnahme von Feuchtigkeit konnte festgestellt werden. Durch das Auftragen einer geeigneten Kantenversiegelung konnte die Wasseraufnahme reduziert werden. Im Klimawechseltest wurden die Formtreue und Passgenauigkeit so wie die Oberflächenbeschaffenheit nach thermischen Belastungen geprüft. Teile, die im Resin Transfer Moulding (RTM) Verfahren hergestellt wurden, weisen eine höhere Resistenz gegenüber den Belastungen des Klimawechseltests auf im Vergleich zu den Prepregautoklav Bauteilen. Die Bauteiloberfläche zeigt kein Setzen des Klarlacks oder des Harzes, was die Abzeichnung der Faserstruktur zur Folge hätte. Im Autoklavprozess hergestellte Komponenten weisen nach dem Testzyklus eine deutliche Abzeichnung der Gewebestruktur auf. Die Eignung von reinem naturfaserverstärkten Kunststoff (NFK) und der Hybridvariante als Frontaufsatz in Hinblick auf den Fußgängerschutz konnte nachgewiesen werden. Die Arbeit konzentrierte sich mit der Qualifikation des Werkstoffes Flachs auf die Verbesserung der Nachhaltigkeit für Exterieurbauteile und zeigte auf, dass erhebliche Senkungen der Treibhausgasemissionen möglich sind. Die vollständige Substitution der Kohlenstofffaser erfordert weitere Optimierungen und Tests.
Systematische Untersuchung und Bewertung zur galvanischen Goldbeschichtung von Titannitrid. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Gegenstand dieser Arbeit ist der mögliche Einsatz von TiN-Schichten als Diffusionsbarriere zur Verhinderung der Oberflächendegradation von Goldoberflächen. Grundvoraussetzung für die Diffusionsuntersuchung an einem Gold-TiN-Schichtsystem ist eine sehr gute Haftung einer galvanisch aufgebrachten Goldschicht auf mittels PVD/CVD abgeschiedenen TiN-Schichten. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es somit, einen möglichen Prozessablauf für die haftfeste galvanische Goldbeschichtung von Titannitrid zu untersuchen. Durch einen Temperprozess nach der Vorvergoldung kann die Haftung des abgeschiedenen Vorgoldes soweit verbessert werden, sodass dieser Prozess als Haftungsgrundlage für die abschließend aufgebrachte Reingoldschicht dienen kann. Die Oxidation der TiN-Schichten während des Temperprozesses beim Zutritt von Sauerstoff beeinträchtigt die Haftung der Reingoldschichten stark. Unterschiedliche Vorbehandlungsabläufe, wobei vor allem die Nutzung einer kathodischen Entfettung entscheidend ist, beeinflussen die Beschichtung im Vorgold-Elektrolyten bezüglich der abgeschiedenen Materialmenge und der Gleichmäßigkeit der erzeugten Schicht. Dies wirkt sich auf das Dewetting der Schichten während des Temperprozesses aus. Jedoch zeigen nur Arc-TiN sowie CVD-Schichten dieses Verhalten, nicht die Magnetron gesputterten Schichten. Schichtstärke und Ofentemperatur bestimmen bei konstanter Haltezeit die Ausprägung des Dewettings. Es wurde somit demonstriert, dass die haftfeste galvanische Vergoldung von Titannitridschichten, wenn die beiden Faktoren Temperprozess und Vorbehandlung richtig gewählt sind.
Entwicklung flammgeschützter SLS Materialien auf Basis von Polyamid. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Additive Fertigungsverfahren, insbesondere das Selektive Lasersintern von Kunststoffen, werden im Bereich der Kleinserien gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren (z.B. Spritzgießen) zunehmend kompetitiver. Dabei werden an die additiv gefertigten Funktionsbauteile die gleichen Anforderungen wie an konventionell Bauteile gestellt. Im Bereich des Personentransportes (Auto, Flugzeug, Zug) müssen die Bauteile die hohe Leistungsfähigkeits- und Flammschutzanforderungen der Industrie erfüllen. Bestehende kommerzielle, flammgeschützte SLS-Materialien erfüllen dies nur bedingt oder verlieren zeitnah ihre REACH-Konformität aufgrund der enthaltenen, halogenhaltigen Additive. Daraus leitet sich am Markt ein Bedarf an neuen, performanten und umweltfreundlich flammgeschützten SLS-Materialien ab. In dieser Arbeit werden verschiedene flammgeschützte SLS-Materialien auf Basis von Polyamid hergestellt und hinsichtlich der für den SLS- Prozess relevanten Eigenschaften untersucht, wobei der Fokus auf der Partikelanalytik liegt. Weiterhin werden die erhaltenen Pulver durch Druckversuche bezüglich ihrer Verarbeitbarkeit im SLS-Prozess evaluiert und gefertigte Bauteile in Hinblick auf Sinterdichte, mechanische Eigenschaften und Brandverhalten analysiert.
Entwicklung einer Prüfmethodik zur Medienbeständigkeit von kunststoffummantelten Wickeldrähten. - Ilmenau. - 159 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Wickeldrahtisolationssysteme im Bezug zur Medienbeständigkeit untersucht. Dafür wurden Wickellocken zur Hälfte in organischen Säuren, Basen, VE-Wasser, Ölen, sowie Gemischen daraus ausgelagert. Im Anschluss wurden die Proben durch Bleistifthärtemessungen, Schliffe und Isolationswiderstandsmessungen auf Rissbildung und Alterung untersucht. Reine organische Säuren, VE-Wasser, Öle und niedrig konzentrierte Basen zeigten keine Rissbildung. Hier war ein zeitabhängiger hydrolytischer Angriff an der Isolation feststellbar. Nur durch einen hohen Alkalienanteil kam es zur schneller Rissbildung und einem Ausfall der isolierenden Eigenschaften der Kunststoffe. Anhand des Isolationssystems aus Polyesterimid als Grundschicht und Polyamidimid als Deckschicht wurde der Einfluss von Konzentration von Natronlauge, Temperatur und mechanischer Belastung analysiert. Hier zeigte sich, dass die Risse erst ab einer Konzentration an Natronlauge von 0,5 % Risse zu finden waren. Die Rissentstehungsdauer folgte bei höheren Konzentrationen einer umgekehrten Proportionalität. Der Temperatureinfluss auf die Rissbildungsdauer folgt bei Temperaturen über 60 ˚C einer linearen Funktion, darunter konnte eine Halbierung der Beständigkeitsdauer bei Temperaturerhöhung um 10 K festgestellt werden. Weiterhin ergab sich, dass der Bereich zwischen 5 % und 15 % Dehnung am kritischsten gegenüber der Rissbildung zu sehen ist. Zur Rissentstehung selbst konnten zwei Hypothesen formuliert werden. Am wahrscheinlichsten ist eine spannungsinduzierte Rissbildung im Polyamidimid, jedoch könnte es auch im Polyesterimid durch Versprödung zur Rissbildung kommen oder ein Mischangriff vorliegen. Beim Vergleich verschiedener Isolationssysteme konnte festgestellt werden, dass die Beständigkeit durch die Verwendung von reinen PAI-Drähten erhöht werden kann. Nur die mit PEEK isolierten Drähten hielten allen Belastungen ohne Verlust der Isolationseigenschaften stand.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Klimaerwärmung, Ressourcenschutz und Senkung von Treibhausgas-Emissionen - das sind die größten Herausforderungen im heutigen Technologiezeitalter. Die wahrscheinlich einzige Technologie, die ökologische und ökonomische Vorteile miteinander vereint, ist der Leichtbau. Oder anders gesagt: Leichtbau ist gut fürs Klima und den Gelbeutel. Die derzeit eingesetzten metallischen Leichtbauwerkstoffe sind größtenteils Aluminium, hochfeste Stähle und Titan. Einen geringen Anteil macht das Leichtmetall Magnesium aus, welches sogar deutlich leichter als das etabliertere Aluminium ist. In der Grundlagenforschung, der modernen Metallforschung und Werkstoffprüfung zu neuen Materialien und Werkstoffen ist die Metallographie daher nicht mehr wegzudenken. Da sich die Metallographie von Magnesiumlegierungen aufgrund von verschiedenen Eigenschaften schwierig gestaltet, soll diese Arbeit die Problematik aufgreifen, um eine Art Präparationsanleitung zu erstellen und sinnvolle metallographische Gefügebilder zu erhalten. Zu Beginn dieser Arbeit werden Zielstellungen des Projektes formuliert. Im Stand der Technik wird neben Grundlagen der Metallographie auch auf die Anwendungen von Magnesium in der Industrie eingegangen. Es wird eine Art Bearbeitungsanleitung für die Metallographie von Magnesium erstellt und diese auf drei unterschiedliche Legierungen angewandt. Die damit hergestellten Proben werden im Anschluss daran mittels Röntgenfluoreszensanalyse, Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie analysiert und das entstandene Gefüge ausgewertet.
Herstellung, Charakterisierung und chemisches Vorspannen von Gläsern des Lithium-Aluminosilikat-Borat-Typs (LABS-Gläser). - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Ziel der Arbeit ist die Weiterentwicklung des Glassystems um das SCHOTT Xensation® α. Hauptaugenmerk wird hierbei auf eine Verbesserung der Vorspannbarkeit durch Zusammensetzungsvariation gelegt. Dazu wurden im Labor verschiedene Gläser hergestellt. Ausgangspunkt ist eine Nachschmelze des Materials SCHOTT Xensation® α als Referenz, da Untersuchungen an Versuchsschmelzen im Vergleich zu großtechnisch gefertigten Gläsern häufig abweichende Eigenschaften zeigen. Die anderen borhaltigen Lithium-Aluminosilikat (LABS)-Gläser lehnen sich in ihrer Zusammensetzung an die des SCHOTT Xensation® α an. Variationen werden durch Änderungen des Bor-, Natrium- und Erdalkali-Gehaltes durchgeführt, sodass die restlichen Komponenten in konstanten molaren Anteilen vorliegen. Von den erstellten Gläsern wurden Dichte, Brechungsindex, Glasübergangstemperatur und Ausdehnungskoeffizient bestimmt. Außerdem wurde ihre Vorspannbarkeit spannungsoptisch charakterisiert. Im Vergleich mit der Zusammensetzung konnten verschiedene Abhängigkeiten erkannt werden. So sind mit steigendem Erdalkali- und sinkendem Bor-Gehalt eine Steigerung der Druckspannung und ein Abfallen der Spannungstiefe festzustellen. Dabei kann jedoch nicht zwischen Bor und Erdalkalien differenziert werden. Des Weiteren kann mit einem sinkenden Natrium-Gehalt eine tendenzielle Erhöhung der Spannungswerte in 30 [my]m Tiefe beobachtet werden. Gleichzeitig werden größere Druckspannungstiefen beim Lithium-Natrium-Austausch erreicht, jedoch erfolgt eine Verringerung dieser beim Natrium-Kalium-Austausch. Schlüsselworte: LABS-Glas, chemisches Vorspannen, Ionen-Austausch, spannungsoptische Messung
Konditionierung von Lufteinschlüssen durch Prozessparameter im Resin Transfer Molding. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Neben Herstellungsfehlern wie Fremdkörpereinschlüssen oder Unregelmäßigkeiten in der Faserorientierung sind Porositäten der am häufigsten auftretende prozessbedingte Bauteilfehler bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen. Sie haben einen wesentlichen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils. So verringern sich beispielsweise mit zunehmendem Porenvolumengehalt die Druckfestigkeit und die interlaminare Scherfestigkeit des Faserverbunds. Es existieren zulässige Grenzwerte, in denen sich der Porenvolumengehalt je nach Anwendungsgebiet befinden darf. Dieser Lösungsansatz widerspricht jedoch dem Bestre-ben der Leichtbauphilosophie, nach dem das Potential eines Werkstoffs bestmöglich genutzt werden soll. Mittels geeigneter Prozessvariationen kann auf die Porengeometrie sowie deren Bewegungsverhalten Einfluss genommen werden. Jedoch führen solche Maßnahmen zu einem signifikanten Anstieg der Prozesskosten und beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens wesentlich. Diese Arbeit befasst sich mit drei Lösungsansätzen zur Reduzierung des Fehlstellen-gehalts in Faserverbundbauteilen und beurteilt diese hinsichtlich energetischer und wirtschaftlicher Kriterien. Untersucht wurde der Einfluss von nachgelagerten Prozessschritten, wie Nachdruck, einer Erhöhung der Werkzeugkompression und eines Spülvorganges auf das Verhalten von Poren. In verschiedenen Versuchsreihen wurden schrittweise Variationen der Prozessparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf den Fehlstellengehalt untersucht. Die Auswertung der Versuchsreihen erfolgte über optische und physikalische Methoden. Nach der optischen Beurteilung der hergestellten Bauteile mittels Digitalmikroskop und der Auswertung von Mikroskopaufnahmen anhand von Histogrammen wurde eine Veraschung zur Bestimmung des Porengehalts der Probekörper durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass ein definierter und konstanter Nachdruck von 3 bar den Fehlstellengehalt in Glasfaserverbunden erheblich reduziert. Bei Nachdruckstufen oberhalb von 3 bar zeigt sich jedoch wieder ein erhöhter Fehlstellengehalt. Mittels der durchgeführten Versuche zu einer erhöhten Werkzeugkompression und Spülvorgängen konnte kein verbessertes Fehlstellenbild erzeugt werden.
Regelungsstrategien für Füll- und Expansionsprozesse im RIM-Verfahren. - Ilmenau. - 40 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Schaumstoffe zeichnen sich durch ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten aus. Neben Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Schaumstoffen wie Schaumextrusion gibt es Methoden, um duroplastischen Schaum herzustellen. Bei der Schäumung von Polyurethan wird sich die Reaktion von Isocyanat mit Wasser zu Nutze gemacht, bei der als Treibgas wirkendes Kohlenstoffdioxid entsteht. Die vorliegende Bachelorarbeit setzt sich mit den Regelungsmöglichkeiten des Reaction Injection Molding-Verfahrens (RIM) auseinander. RIM ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Fertigung von duroplastischen Polyurethanschaum. Hierbei werden die dazu benötigten Komponenten Polyol und Isocyanat automatisch dosiert und gemischt. Im Rahmen der Arbeit wird eine Übersicht über den Anlagenaufbau und die beiden Bestandteile Polyol und Isocyanat gegeben. Es werden potenzielle Fehlerquellen betrachtet und Möglichkeiten zur Überwachung des Prozesses diskutiert. Unterschiedliche Sensoren für die Messung verschiedener Größen werden ausgewählt. In den Versuchsreihen werden Schäumversuche mit verschiedenen Mischungsverhältnissen durchgeführt und die Sensoren auf ihre Funktionsfähigkeit getestet. Die hergestellten Schäume werden auf ihre mechanischen Eigenschaften untersucht. Die unterschiedlichen Schäume werden verglichen und ihre jeweilige Aushärtung analysiert. Zusammenhänge zwischen den gemessenen Größen werden aufgestellt.
Untersuchung des Materialeinflusses auf die Imprägnierung von Faserhalbzeugen mit Thermoplasten. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Faserverstärkte Kunststoffe sind vielseitig einsetzbare Leichtbau-Werkstoffe, die gute mechanische Eigenschaften mit einer geringen Dichte kombinieren. Neben duroplastischen Harzsystemen erlangen auch thermoplastische Kunststoffmatrizes immer mehr an Bedeutung, da sie im Gegensatz zu Duroplasten ein Umformen nach der Herstellung ermöglichen. Eine Möglichkeit zur Herstellung endlosfaserverstärkter Thermoplaste, sogenannter Organobleche, ist das Verpressen von Faserhalbzeugen mit aufgeschmolzenen Kunststofffolien, auch Film-Stacking genannt. In dieser Arbeit soll der Einfluss verschiedener Materialien und verschiedener Herstellungsparameter auf die Qualität von Organoblechen untersucht werden. Mit Folien aus Polypropylen, Polylactid, Polyethylenterephthalat und Polycarbonat werden Organobleche bei unterschiedlichen Herstellungsparametern hergestellt und anschließend deren Faser- und Porenvolumenanteile bestimmt. Die Ergebnisse werden ausgewertet und ihre Abhängigkeit zu verschiedenen Parametern wird grafisch dargestellt.
Untersuchung der Zugeigenschaften naturfaserverstärkter Thermoplaste. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Entwicklung von naturfaserverstärkter Biokunststoff ist ein wachsender Markt. Durch die Einarbeitung von Naturfasern kann sich das Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffs erhöhen. Auf der Grundlage von Literaturstudien wurde die Anwendbarkeit eines Forschungsmodells für naturfaserverstärkte Polymere untersucht. Durch den Vergleich von mikroskopischen Bildern mit Zugversuchen an reinen Sisalfasern wurde eine Versuchsstrategie entwickelt, die auf die Auswirkung von geometrischen Variationen auf die mechanischen Eigenschaften von Naturfasern abzielt. Geometrische Variationen innerhalb der Versuche werden untersucht. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird das Elastizitätsmodul von sisalfaserverstärktem PLA berechnet und mit den Messergebnissen abgeglichen. Abweichungen beim Vergleich von berechneten und gemessenen Elastizitätsmodulen werden untersucht, um deren Ursachen zu verstehen.