Studentische Arbeiten

Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen weisen an Kanten mit kleinen Radien schlechtere mechanische Eigenschaften auf. Die Gründe hierfür liegen in einer schlechteren Kompaktierung der Laminatlagen und einer eingebrachten Vorspannung der Fasern beim Biegen über die Formwerkzeugkante bei der Herstellung. Werden die Fasern nicht gerade über die Kante gelegt, sondern in einem Winkel, der von der Hauptbelastungsrichtung abweicht, wird eine Verbesserung der Kantenqualität und Abnahme der Vorspannung erwartet. Allerdings nimmt der Elastizitätsmodul in Belastungsrichtung ab. In dieser Arbeit werden die Zusammenhänge von Kantenradius zu Faservorspannung dargestellt und eine Formel entwickelt, mit deren Hilfe Verformungen durch Druckbelastung in Laminatdickenrichtung zu Zug-Druckspannungen innerhalb des Laminats umgewandelt werden sollen. Nachdem zunächst die, bei Biegung der Fasern, theoretisch und praktisch erreichbaren Mindestradien verschiedener Faserarten ermittelt wurden, werden im Vakuuminfusionsverfahren hergestellte Probekörper mit unterschiedlichen Kantenradien in Kombination mit variierenden Ablegewinkeln optisch sowohl auf Fehlerstellen und ungleichmäßige Faserverteilung untersucht, als auch der tatsächlich machbare Mindestradius gemessen. Über einen Drei-Punkt Biegeversuch werden die Kraft Weg Kennlinien und der Verfahrweg bei Versagen der Probekörper aufgenommen. Mithilfe der Klassischen Laminattheorie lassen sich, über die Verformung zum Zeitpunkt des Versagens, die Failure Indices für das Versagenskriterium der maximal ertragbaren Spannungen berechnen. Durch dimensionslose Kennzahlen können die berechneten Failure Indices an die empirisch gefundenen Ergebnisse angeglichen werden. Es wird abschließend abgeschätzt, wie groß ein Ablegewinkel in Abhängigkeit vom gegebenen Kantenradius sein sollte.

Die Wissensbasis zur Aufbereitung von Biopolymeren auf Schneckenmaschinen ist im Vergleich zu den konventionellen Kunststoffen noch sehr lückenhaft. Speziell das Abbauverhalten des Molekulargewichts bei unterschiedlichen Prozessbedingungen wie Entgasungssituation, Trocknungsgrad und Einstellgrößen am Extruder, sowie Änderung von Prozessparametern ist im Detail noch nicht Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen gewesen. Um diese Wissenslücke ein Stück weit zu schließen, werden in dieser Thesis die Aufbereitung von Biokunststoffen und die Auswirkung von Verarbeitungs- und Lagerungsbedingungen auf das Molekulargewicht untersucht. Die Aufbereitungsversuche werden auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder durchgeführt. Der Einfluss von Einstell- und Prozessgrößen auf den Molekulargewichtsabbau von Polylactid und Celluloseacetat wird statistisch mit Hilfe von Sternversuchsplänen und vollfaktoriellen Versuchsplänen untersucht. Dabei stehen explizit die Einstellgrößen Durchsatz und Umfangsgeschwindigkeit sowie Feuchtegehalt, Entgasungsdruck und Schneckenkonfiguration im Mittelpunkt. Die hergestellten Compounds werden sowohl chemisch mittels Gelpermeationschromatographie, als auch rheologisch vermessen. Durch die ermittelte Nullviskosität der rheologischen Messreihen wird die gültige Nullvis-kositäts-Molmassen-Beziehung für Biokunststoffe nachgewiesen, um über die Nullviskosität direkt auf den Molekulargewichtsabbau schließen zu können. Mit Hilfe dimensionsloser Kennzahlen wird der Compoundierprozess beschrieben, um den Abbau des Molekulargewichts bereits bei der Auslegung des Prozesses berechnen und charakterisieren zu können. Neben der Analyse des Aufbereitungsprozesses werden einzelne Compounds für eine Dauer von 30 Tagen bei unterschiedlichen Klimata ausgelagert und der Abbau des Molekulargewichts wird analysiert.

Die Philosophie des Leichtbaus motiviert die Forschung an hybriden Materialien. Diese kombinieren anwendungsorientiert artfremde Werkstoffe und deren Eigenschaften. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der RTM Herstellung und FEM Simulation eines solchen Hybridmaterials. Zwei zugsteife CFK Deckschichten werden mit einem niederdichten Aluminiumschaumkern im Sandwichprinzip verbunden um perspektivisch Bauteile mit hoher gewichtsspezifischer Biegesteifigkeit herstellten zu können. Zu Beginn der Arbeit wird auf Basis der Balkentheorie eine analytische Berechnungsmethode entwickelt, die eine erste Abschätzung der erreichbaren mechanischen Eigenschaften des Verbundes erlaubt. Diese Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines FEM Modells ein, welches die Simulation der verschiedenen Belastungsfälle bei frei wählbarem Verbundaufbau ermöglicht. Die Herausforderung bei der Entwicklung dieses Modells ist die Implementierung der stoffspezifischen Besonderheiten. Dazu zählen die Anisotropie des CFK und die Inhomogenität des Aluminiumschaums. Der nutzbare RTM Prozessparameterbereich wird durch Vorversuche lokalisiert und erste Probekörper werden hergestellt. In weiterführenden Arbeiten sollten die zielführendsten RTM Prozessparameter ermittelt, das aufgestellte FEM Modell validiert und die sich während der Herstellung ausbildende Verbindungsschicht aus Epoxidharz ausführlicher charakterisiert werden.

In der Verpackungsindustrie erfordert das Vordringen von Hohlkörperverpackungen in neue Anwendungsfelder bessere Barriereeigenschaften. Dabei ist es wichtig, neue Technologien zu schaffen, die dem Endkunden hochwertigere Verpackungen, z.B. für Lebensmittel und Medikamente, hinsichtlich der Qualität und Lebensdauer, zur Verfügung stellt. In der Lebensmittelindustrie ist der Einsatz von Verpackungen, wie PET-Flaschen, Wurst- und Käseschalen, schon etabliert. In der Medizin werden Kunststoffprodukte bis heute für den Einsatz von Spritzen, Tropfern und vielem mehr eingesetzt. Für Medizinflaschen mit Arzneimitteln, Impfstoffen und Infusionen kommen bis dato nur Glasflaschen zum Einsatz, die durch Mehrschichtbehälter aus Kunststoff ersetzt werden sollen. In der vorliegenden Arbeit wird nach einem Einblick in den Stand der Technik auf die theoretischen Grundlagen der Mehrschichtströmungen und des Grenzschichtverhalten von zwei Kunststoffen eingegangen. Des Weiteren werden die Sauerstoffpermeabilität und Wasserdampfpermeabilität der verwendeten Kunststoffe untersucht, um eine Empfehlung über mögliche Schichtdicken der Multilayerflaschen zu geben. Im Anschluss daran wird mit Hilfe der Simulationsumgebung Moldex3D der Füllvorgang eines Multilayervorformlings simuliert, um Prozessparameter für den Spritzgießprozess der Co-Injektion mit einem Schmelzespeicher- und Schmelzedosiersystem zu ermitteln. Dabei soll mit diesem System in den Flaschen eine durchgängige Barriereschicht ausgebildet werden, um die Inhaltsstoffe vor Gasen, wie Sauerstoff, zu schützen.

Bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) kommt es in Folge von unzureichender Faserbenetzung oder Verwirbelungen der Fließfronten sowie durch Beschläge der Fasern aufgrund von Feuchtigkeit zu einer prozessbedingten Ausbildung von Poren. Diese stellen eine Ursache der Verminderung der mechanischen Eigenschaften dar. Durch eine Erhöhung des Sicherheitsfaktors kann dieser Nachteil in der Konstruktion berücksichtigt werden. Jedoch sollte der Anspruch vorhanden sein, durch eine Optimierung der Verfahrenstechnik, wie auch der Qualitätssicherung, diesen Faktor zu minimieren. Die Qualitätssicherung ermöglicht erst die Analyse der Fehlstellen in FVK-Bauteilen, um auf dessen Basis die Prozessparameter hinsichtlich verbesserter Qualität zu optimieren. Aufgrund dessen ist es nach dem heutigen Stand der Technik nicht möglich, dass maximale Leichtbaupotential der FVK auszunutzen. Die folgende Arbeit beschäftigt mit der Analyse von Fehlstellen. Dazu werden verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels einer Bewertungsmethodik verglichen. Die Verfahren zur Fehlstellenanalyse werden hinsichtlich ihres Potentiales in einem industriellen Einsatzgebiet ausgewählt. Als elementare Bewertungsgrundlagen werden neben ökonomischen Aspekten der jeweiligen Verfahren auch die Fähigkeiten des Personals, wie auch die Genauigkeit, bewertet. Die Analyse der Proben hinsichtlich deren Porenvolumenanteile bzw. deren Fehlstellenverteilung geschieht mit der Thermographie, der Mikroskopie, dem Impuls-Echo-Verfahren und den Röntgenverfahren. Hinzu kommt der Vergleich der rein theoretischen Berechnung des Porenvolumenanteils mit den experimentell ermittelten Anteilen zur Verifizierung einer Tendenz der unterschiedlichen Berechnungsgrundsätze untereinander. Darüber hinaus werden die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Proben mit den entsprechenden Porenvolumenanteilen in Kontext gesetzt, um dahingehend eine Korrelation zu erstellen. Um Proben mit geeigneten Poren für die Analyse herstellen zu können, wird zu Beginn ein entsprechendes Versuchskonzept erstellt, welches sich vorrangig mit der Bildung von Fehlstellen beschäftigt. Auf Grundlage dessen werden die Proben mittels einer Variation der Injektionsdrücke hergestellt. Die These dahinter ist, dass mit steigenden Injektionsdrücken der Fehlstellengehalt abnimmt und die mechanischen Eigenschaften steigen. Des Weiteren werden bei der Analyse die Lage der Poren in den untersuchten Probenkörper berücksichtigt, um eine Aussage über die Fehlstellenverteilung in Fließrichtung treffen zu können. Die Berechnung des Porenvolumenanteils auf Basis von theoretisch ermittelten Kennwerten des Verbundes zeigt im Vergleich zum praktisch berechneten Fehlstellenanteil, dass diese Art der Berechnung aufgrund der Einfachheit ohne Messaufwand ein empfehlenswertes Verfahren ist. Mit Hilfe dessen können vorab erste Abschätzungen getroffen werden, welche die Qualität von Bauteilen beurteilen. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass durch unterschiedliche Prozessparameter die wahren von den theoretischen Porenvolumenanteilen abweichen können. Die Berechnungen der Porenvolumenanteile, auf Basis der gemessenen Verbundkennwerte, zeigen eine vergleichbare Tendenz zu den im CT ermittelten Fehlstellenanteilen auf. Somit bestätigen diese Werte die Theorie, dass mit steigenden Injektionsdrücken der Porenvolumenanteil sinkt. Die unter dem Lichtmikroskop vermessenen Porendurchmesser und die daraus bestimmten Porenvolumenanteile korrelieren nur mit den berechneten Fehlstellenanteilen in dem Sinne, dass die Tendenz der ermittelten Werte untereinander gleich sind. Die Ergebnisse des Impuls-Echo-Verfahrens sind zur Ermittlung der Fehlstellen nicht zuverlässig nutzbar. Indessen stellt die Thermographie einen quantitativen Überblick über die Fehlstellenverteilung innerhalb der Proben dar. Dieses Verfahren ist ebenfalls durch die Erstellung der Kosten-Nutzen-Matrix hinsichtlich der Analysegenauigkeit, der ökonomischen Aspekte und der einfachen Handhabung das zu empfehlende Messverfahren. Allerdings ist festzuhalten, dass das 3D-CT die realitätsnahesten Messergebnisse liefert. Dementgegen stehen die hohe Analysedauer und die Kosten einer Messung bzw. der Anschaffung dieses Messgerätes. Die Nachteile des Computertomographen können mittels der 2D-Analyse von Proben reduziert werden. Dabei werden lediglich vereinzelte computertomographische Aufnahmen unterschiedlicher Probenebenen angefertigt und nicht wie beim 3D-CT zu einem 3 dimensionalem Objekt zusammengesetzt. Der Nachteil der 2D-Methode ist die vergleichsweise hohe Streuung der Ergebnisse aufgrund der lokalen Erfassung der inhomogen verteilten Fehlstellen. Die Zugversuche der Prüfkörper quer zur Faserrichtung zeigen, dass mit steigenden Porenvolumenanteilen der E-Modul steigert wobei zugleich die Bruchspannungen vermindert werden. Des Weiteren bestätigt sich die Annahme bei der Prüfung der Proben quer wie auch längs zur Faserrichtung, dass mit steigenden Faservolumenanteilen die Bruchspannungen verbessern. Bei der Analyse der Zugproben in Faserrichtung ist aus den Werten ein idealer Faservolumenanteil zu erkennen, bei welchem die Bruchspannungen ihren Höchstwert einnehmen. Hinzu kommt, dass sich bei den Proben in Faserrichtung analog zum idealen Faservolumenanteil ein idealer Porenvolumenanteil einstellt.