Versuche und Modellbildung zur Beschreibung des Molekülkettenabbaus bei der Verarbeitung von Biokunststoffen. - 113 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Der Markt für Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wächst jährlich um 20 % und mehr. Der Fokus von Biokunststoffen liegt zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf dem Einsatz in technischen Anwendungen. Bei dieser sogenannten dritten Generation der Biokunststoffe geht die Tendenz daher von der (Bio-) Abbaubarkeit zur Beständigkeit, um die Produktlebensdauer zu erhöhen. Der Einsatz von Biokunststoffen in technischen Anwendungen ist allerdings davon abhängig, dass Biokunststoffe ein zu konventionellen Kunststoffen vergleichbares Eigenschaftsprofil aufweisen. Aufgrund ihrer geringen mechanischen und thermischen Stabilität zeigen viele Biokunststoffe im Verarbeitungsprozess einen Molmassenverlust von bis zu 50 % und damit eine starke Herabsetzung der Bauteileigenschaften. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, in einem Modellversuch den mechanisch und thermisch induzierten Abbau zu trennen und mithilfe von Kennzahlen und Funktionen zu beschreiben. Die Funktionen ermöglichen im weiteren Schritt eine Vorhersage der Degradation in Abhängigkeit der Prozessparameter während der Verarbeitung auf Schneckenmaschinen. Die Ergebnisse aus dem Modellversuch und der Verarbeitung im Extruder und Spritzgießmaschine werden gegenübergestellt und diskutiert. Abschließend wird ein neues Verarbeitungsverfahren basierend auf der Inline-Compounding vorgestellt, welches erlaubt, Biokunststoffe unter geringer mechanischer Belastung und Verweilzeit schonend zu verarbeiten. Für dieses Verarbeitungsverfahren wird eine Vorabschätzung des Degradationsprozesses und der mechanischen Eigenschaften durchgeführt.
Ermittlung von Prozessvarianten zur Integration von Versteifungselementen in schalenförmige CFK-Bauteile. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Großflächige CFK-Bauteile in der Luftfahrtindustrie werden zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit Versteifungselementen versehen. Weiterentwicklungen in diesem Bereich sind getrieben durch eine Effizienzsteigerung. Insbesondere integrale Bauweisen zeigen verbesserte Gewichtseigenschaften, bei einem gleichzeitig geringeren Montageaufwand. In dieser Bachelorarbeit sollen verschiedene Prozessvarianten auf deren Eignung zur Fertigung großflächiger, integraler CFK-Bauteile hin untersucht werden. Hierfür wird zunächst eine globale Prozesskette aufgestellt und daran angelehnt, grundsätzliche und spezifische Randbedingungen abgeleitet. Anhand dieser Randbedingungen und der ermittelten Prozesskette ist es möglich, aufbauend auf einer umfangreichen Literatur- und Patentrecherche, Konzepte auszuformulieren. Auf dieser Basis kann eine Bewertung der Konzepte in technischer und wirtschaftlicher Sicht durchgeführt werden, mit entsprechenden Soll- und KO-Kriterien. Diesen Kriterien werden mit Hilfe eines paarweisen Vergleiches Gewichtungen zugeordnet. Ziel dieser Bewertung ist es, die Prozessvarianten auf deren Eignung für den vorliegenden Bearbeitungsfall hin zu prüfen. Die somit ermittelten Konzepte sollen im Anschluss an diese Arbeit weiter detailliert und mit Hilfe von Versuchsbauteilen optimiert werden, mit dem Ziel der Technologieeinführung im Jahre 2025.
Entwicklung neuer Maschinentechnik für das Multilayerspritzblasen und Bewertung deren technisch wirtschaftlichen Komplexität. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung neuer Anlagentechnik für das Multilayerspritzblasen und die Bewertung der technisch wirtschaftlichen Komplexität. Dabei wird der momentan verwendete Monolayerspritzblasprozess in einen Multilayerprozess überführt und daraufhin eine angepasste Maschinentechnik zur Herstellung von Mehrschichtbehältern erarbeitet. Der erste Schwerpunkt liegt in der Recherche zum Stand der Technik für das Monolayerspritzblasen. Hauptbestandteil ist hier die Ermittlung üblicher Konzepte und Maschinentechniken. Insbesondere wird auf die verfahrenstechnischen Randbedingungen geachtet, wie z.B. Temperaturen, Prozesszeiten und Drücke. Außerdem wird der Verfahrensschritt der thermischen Konditionierung genauer betrachtet. Dafür werden Versuche an einem Prüfstand vorgenommen, welche die Prozessparameter in Vorbereitung auf und während des Blasprozess untersuchen. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für eine Nachbildung des Spritzblasprozesses in einer thermischen Simulation. Weiterhin werden Messungen an einer laufenden Spritzblasmaschine vorgenommen und mit den Ergebnissen der Simulation verglichen. Auf Basis der ermittelten verfahrenstechnischen Randbedingungen werden Konzepte zur Optimierung des Prozesses für Multilayerflaschen erarbeitet, welche anschließend vergleichend bewertet werden. Die Bewertung soll dabei technische und wirtschaftliche Aspekte betrachten. Nachfolgend werden aus den Konzepten technische Prinzipe entwickelt, die ebenfalls vergleichend bewertet werden. Abschließend wird eine Variante weiter eingegrenzt um eine Gegenüberstellung mit einer handelsüblichen Monolayermaschine hinsichtlich der technisch wirtschaftlichen Komplexität anzustellen.
Aufstellung von Gestaltungsregeln für Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff. - 76 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Im Bereich des klassischen Maschinen- und Anlagenbau werden zunehmend Leistungsgrenzen der verwendeten Werkstoffe sichtbar. Faser-Kunststoff-Verbund als Konstruktionswerkstoff bietet aufgrund seiner spezifischen Eigenschaften einzigartige Möglichkeiten der Gestaltung von Strukturen. Eine faserverbundgerechte Konstruktion wird jedoch durch das anisotrope Verhalten von Strukturen erschwert. Eine reine Substitution der Gestaltungsgrundlagen für metallische Werkstoffe ist absolut nicht sinnvoll. Auf diese Weise wird der Großteil an Potential von Faser-Kunststoff-Verbunden nicht genutzt. In der vorliegenden Bachelorarbeit werden Gestaltungsregeln für Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff zusammengefasst. Darüber hinaus werden anhand von empirischen Versuchen, weitere spezielle Gestaltungsregeln aufgestellt und geprüft. Die Untersuchungen basieren auf einer umfassenden theoretischen Analyse sowie experimentellen Nachweisen. Es werden grundsätzlich zwei Gestaltungsregeln für unterschiedliche Anforderungen erarbeitet. Die Nutzung des anisotropen Verhaltes von Faser-Kunststoff-Verbunden und die damit verbundene Verformungs-Koppelungen ermöglichen die Gestaltung von Bauteilen mit vordefinierten Verzerrungen. Der schichtenweise Aufbau bietet dagegen die Möglichkeit Eigenspannungen in das Laminat einzubringen und zwar mit einer entgegengesetzten Richtung zur äußeren Belastung. Das sorgt für eine erhöhte Festigkeit. Hier wurden zwei Verfahren zum Einbringen von Eigenspannungen nach Puck betrachtet. Daraus wurde ein weiteres Verfahre ausgearbeitet und seine Wirksamkeit nachgewiesen.
Simulation mechanischer Eigenschaften endlosfaserverstärkter Thermoplast (ELFT) Strukturbauteile auf Basis mikromechanischer Ansätze. - 108 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Homogenisierung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten. Durch ihre hohe spezifische Festigkeit werden sie in der Automobilindustrie für den Leichtbau als Konstruktionswerkstoffe genutzt. In den Grundlagen werden die verschiedenen Möglichkeiten, welche die Standardhomogenisierungen bieten erläutert. Zur Homogenisierung werden verschiedene Methoden genutzt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Homogenisierung mittels der Software DIGIMAT der Firma e-Xstream liegt. Die ersten Schritte der Arbeit sind die Analyse des mechanischen Verhaltens der Faserverbundkunststoffe an Hand von Biegeversuchen und Zugversuchen. Diese Versuchsergebnisse wurden mit analytischen Modellen abgeglichen, um eine Eingrenzung der Modelle vorzunehmen, die für eine analytische Homogenisierung von endlosfaserverstärkten Kunststoffen geeignet sind. Weiterhin werden die ermittelten Kennwerte genutzt, um die Materialmodelle an Hand einfacher uniaxialer Beanspruchungen im ANSYS Workbench zu evaluieren. Nachdem diese Voruntersuchungen abgeschlossen sind, wird ein Strukturbauteil genutzt, die Gültigkeit der Modelle bei einer komplexen zusammengesetzten Beanspruchung zu testen. Die Durchführung von Realbauteilversuchen und die anschließende Implementierung des Versuchsaufbaues in die Simulation dienen zur Abschätzung der Streuung des Steifigkeitsverhaltens der verschiedenen Materialmodelle bei komplexen Belastungen. An Hand der Versuchs- und Simulationsergebnisse werden die verschiedenen Materialmodelle miteinander verglichen und eine Einordung ihrer Tauglichkeit hinsichtlich von wirtschaftliche und technischen Gesichtspunkten. Am Ende der Arbeit steht eine Hierarchisierung der Modelle an Hand von verschiedenen Bewertungskriterien.
Beschreibung des Energieverbrauchs von Schließeinheiten bei Spritzgießmaschinen. - 88 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Aufgrund steigender Energieeffizienzforderung und Kostendruck seitens der kunststoffverarbeitenden Unternehmen besteht das Bedürfnis, den Energiebedarf von Spritzgießprozessen zur Herstellung eines Formteils zu ermitteln. Diese Arbeit betrachtet den Energieverbrauch der Schließeinheit von Spritzgießmaschinen, als Teil eines Gesamtkonzeptes zur energetischen Beschreibung von Spritzgießmaschinen. Ziel ist es, anhand vorgegebener Bauteileigenschaften, den Energieverbrauch der Schließeinheit bestimmen zu können. Diese Beschreibung soll allgemein, als auch angepasst auf die Bauart der Spritzgießmaschine erfolgen. Zu diesem Zweck wird nach einer Betrachtung der technischen Gegebenheiten ein mathematisches Modell erstellt. Es umfasst mehrere Abstraktionsebenen ausgehend von einem idealen Prozess bis hin zu der Beschreibung des Energiebedarfs der konkreten Schließeinheit. Dieses wird zu einem allgemein gültigen Gesamtmodell zusammengefasst und durch Messungen verifiziert.
Einfluss der Faser-Ondulation auf die Festigkeitseigenschaften bei Faserverbundbauteilen. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit der Ondulation bzw. Faserwelligkeit bei gewobenen Fasereinzelschichten. Grundlage hierfür bildet ein im Rahmen der Arbeit aufgestelltes Berechnungs-modell, das mit einem Ondulationsfaktor erweitert wird, sodass realitätsnahe Spannungsverhältnisse in Laminaten dargestellt werden können. Der Ondulationsfaktor [Chi] wird so definiert, dass er ausschließlich Einfluss auf Faserparameter hat. Anschließend werden anhand von praktischen Versuchen mit Vergleichslaminaten die realen Ingenieurskonstanten ermittelt und mit denen des Berechnungsmodells verglichen. Hierzu dient ein ondulationsfreies, unidirektionales (UD-) Laminat, an welchem ein Abgleich zwischen berechneten und ermittelten Werten erfolgt. Der so erhaltene Ausgleichsfaktor wird als [Kappa] bezeichnet. Abschließend wird durch iteratives Abgleichen der angepassten, experimentell gewonnenen Ingenieurskonstanten und denen des Rechenmodells [Chi] so verändert, dass ein theoretisch bestimmter und experimentell ermittelter E-Modul in Längsrichtung für ein beliebig dickes Laminat gleich groß sind. Im Rahmen der Arbeit werden grundlegende Untersuchungen mit Glasfaserproben durchgeführt, wobei die Erkenntnisse später auf weitere synthetische Fasern übertragen werden können. Unter der Verwendung von Glasfasern wird ein Vergleich zwischen UD-, Atlas-, Köper- und Leinwandbindung durchgeführt. Die Zielstellung dabei ist eine Aussage über die Ondulation einer einzelnen gewobenen Faser und deren Einfluss auf die Festigkeitswerte in einem beliebigen Laminat treffen zu können.
Qualitätsbeurteilungskriterien für Faserverbunde. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
In der vorliegenden Arbeit werden Harzinjektionsverfahren und Vakuuminfusionsverfahren analysiert. Harzinjektionsverfahren zeichnen sich durch eine endkonturnahe Fertigung von hochbelastbaren Faserverbundbauteilen aus, wobei ein hoher Automatisierungsgrad möglich ist. Jedoch bedarf es auf dem Gebiet der Bauteilqualität noch Verbesserungen. Häufig treten Fertigungsfehler wie Lufteinschlüsse (Poren) oder nicht imprägnierte Teilbereiche auf. In Form einer Prozessanalyse werden die wesentlichen Prozessparameter herausgearbeitet und mit bekannten Qualitätsproblemen verknüpft. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen Bauteilqualität und den mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen bestimmt. Im Zuge dessen werden Methoden zur Fehlerdetektierung und Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen vorgestellt und eingesetzt. Die Versuche sollen Aufschluss darüber geben, inwieweit Lufteinschlüsse und andere Fertigungsfehler, wie zum Beispiel nicht imprägnierte Teilbereiche, Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff schwächen. Auf Basis der Prozessanalyse und der durchgeführten Versuche werden Kriterien zur Qualitätsbeurteilung von faserverstärkten Kunststoffen aufgestellt und Vorschläge zur Verbesserung der Bauteilqualität vorgestellt. Diese werden in weiteren Versuchen verifiziert.
Konzeption und Konstruktion eines modularen Spritzgießwerkzeugs zur Herstellung von Vorformlingen für das Blasformen. - 69 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Hohlkörperverpackungen aus Kunststoff sind flexibel einsetzbar, kostengünstig herzustellen und recyclingfähig. Auf Grundlage dieser Nutzungseigenschaften haben sich diese Verpackungen in vielen Bereichen der Wirtschaft eingegliedert. Sie sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Im Haushalt werden sie für Lebensmittel genutzt in der Industrie als Speicher oder Transportbehälter für sämtliche Betriebsmittel. Um nicht nur der Funktion Genüge zu tun sondern auch ein ansprechendes Design zu erhalten, gibt es eine große Vielfalt an verschiedene Formen. Zur Ausprägung dieser Formvielfalt sind optimierte Preforms nötig, um die geforderten Nutzungseigenschaften zu erfüllen. Eine Optimierung der Preforms ist nach analytischer Auslegung durch Versuche fortzuführen und auszuweiten. Zur Zeit- und Kostenersparnis wird in dieser Arbeit ein Werkzeug entworfen, das eine zügige Anpassung der Formkavität erlaubt. In diesem Wechselwerkzeug kann eine Kavitätsänderung im eingebauten Zustand durchgeführt werden. Auf Grundlage eines modular aufgebauten Schichtsystems kann neben der Anpassung der Wechseleinsätze, eine Anpassung der Kavitätslänge erreicht werden. Die in dem Werkzeug erreichbare konturnahe Kühlung bleibt von der modularen Bauweise unberührt. Damit kann durch dieses Werkzeug eine Reduzierung der Kosten bereits in der Entwicklung stattfinden nicht erst in der Produktion.
Integration von Befestigungselementen in einen Hybridverbund aus CFK und Aluminiumschaum für automobile Anwwendungen. - 70 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Verbundstrukturen gewinnen im Zuge der Gewichtsersparnis immer mehr an Bedeutung. Die Anwendungsgebiete sind zahlreiche Branchen wie zum Beispiel die Fahrzeugindustrie, den Maschinen- und Anlagenbau und die Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Gewichtersparnis geht direkt einher mit einer Senkung der Energiekosten. Aus dieser Entwicklung geht unter anderem auch der Verbund von Deckschichten aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit einem Kern aus Aluminiumschaum hervor. Dieser Verbund stellt den zentralen Forschungsschwerpunkt der folgenden Arbeit dar. Dabei wird im speziellen untersucht wie Befestigungselemente in einen solchen Verbund integriert werden können. Der Zweck ist es, das Anwendungsgebiet dieses Hybridverbundes zu erweitern. Im Rahmen dieser Arbeit soll eine vorhandene horizontale Schwingplatte eines Schwingungsprüfgerätes durch den Verbund aus Aluminiumschaum und CFK ersetzt werden. Dazu Konzepte erstellt und gefertigt. Unter Zuhilfenahme des Lastenheftes können Parameter festgelegt werden, welche dazu dienen, den Anwendungsfall möglichst genau nachvollziehen zu können. Also werden die Schwingungsgrößen des im Lastenheft beschriebenen Standartprüfverfahrens genommen, um eine ähnliche Bauteilbelastung zu simulieren. Mittels eines optischen Prüfsystems konnte untersucht werden, ob sich die Gewindeeinsätze in irgendeiner Art und Weise lockern bzw. ob es zum Bruch der Probe kommt. Im Vorfeld ist mit Hilfe von Excel ein Berechnungsprogramm entstanden, welches die erforderlichen Bauteildimensionen aus den Stoffgrößen, der verwendeten Werkstoffe und aus den Schwinggrößen heraus, berechnet. In Bezug auf die festgelegten Parameter lässt sich sagen, dass alle drei Befestigungskonzepte den simulierten Schwingfall ohne Bruch oder eine Lockerung des Gewindeeinsatzes ertragen haben.