Ermittlung von mechanischen, funktionalen und thermischen Materialkennwerten von Faserverbundlaminaten für Wärmespeicher. - 78 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Prüfung der Möglichkeit faserverstärkte Kunststoffe bei einer neuen Bauart von Warmwasserspeichern einzusetzen. Die Wärmespeicher sollen in Zukunft aus glasfaserverstärkten Kunststoffplatten zusammengesetzt werden. Die mechanischen, thermischen und funktionalen Eigenschaften der Platten sind dabei noch nicht hinreichend bekannt. Diese Arbeit befasst sich mit der Ermittlung dieser Eigenschaften. Zunächst werden die Beschaffenheit und die grundsätzlichen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Kunststoffen dargestellt. Die Prüfmethoden werden vorgestellt. Es werden von drei verschiedenen glasfaserverstärkten Kunststoffplatten die mechanischen Kenngrößen wie Zug- und Druckfestigkeit, E-Modul, G-Modul, Querkontraktionszahl und Biegesteifigkeit ermittelt. Die Kenngrößen werden bei Temperaturen von 25˚ C, 50˚ C und 80˚ C geprüft, um die maximale mechanische Belastbarkeit, bei in der Anwendung üblichen Temperaturen, zu simulieren. Die thermischen Eigenschaften der faserverstärkten Kunststoffplatten werden über die Wärmeausdehnung und die Wärmeleitzahl charakterisiert. Als weitere wichtige funktionale Kenngröße für die Anwendung wird die Wasserdampfdurchlässigkeit überprüft. Die Versuche werden nach den aktuellen Normen für die Prüfung von Kunststoffen durchgeführt. Die gemessenen Kennwerte werden grafisch dargestellt und mit Richtwerten aus der Literatur verglichen. Die Versuche haben eindeutig die Platte mit den besten mechanischen Eigenschaften aufgezeigt. Diese Platte besteht aus einer duroplastischen Matrix aus ungesättigtem Polyesterharz namens UP R937-IPF-17 und wird in der Arbeit als Platte 3 bezeichnet. In das Harz sind Glasfaserschichten aus Rovinggewebe und Endlosmatten eingebettet. Der massebezogene Glasfasergehalt beträgt 37,13 %. Die Materialkosten sind bei Platte 3 am geringsten. Die Versuche haben unter anderem ergeben, dass diese Platte eine Zugfestigkeit von 140,51 MPa und einen Zug-E-Modul von 6,68 GPa bei 80˚ C aufweist. Das Deutsche Institut für Bautechnik schreibt bei ähnlichem Material eine Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa und einen Zug-E-Modul von mindestens 9 GPa vor[KNA06 S.62]. Nun muss im weiteren Projektverlauf mithilfe von FEM-Simulationen geprüft werden, ob unter anderem der geringe Zug-E-Modul der Platte 3 dennoch ausreichend für diese Anwendung ist. Zudem hat sich gezeigt, dass die Wasserdampfdurchlässigkeiten aller geprüften Werkstoffe im Hinblick auf die Betriebsdauer der Wärmespeicher (mindestens 10 Jahre) zu hoch sind. Die Wärmeleitfähigkeiten aller Platten liegen im Bereich der Literaturwerte. Die Eignung der Platten kann damit leider noch nicht für diese Anwendung bestätigt werden und es ist noch weitere Entwicklungsarbeit zu leisten.
Entwicklung eines Heißkanal- und Schmelzedosiersystems für das Multilayerspritzblasen. - 101 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung, Simulation, Konstruktion und Herstellung eines Schmelzespeicher- und Dosiersystems mit Heißkanalverteilung zur Anfertigung von innovativen Multilayer-Injektionsflaschen. Das erarbeitete Verfahren bietet die signifikante Möglichkeit, die Kavität einer Spritzgießform für Vorformlinge separat mit zwei verschiedenen Kunststoffen zu befüllen und eine durchgängige Barriereschicht auszubilden. Aus diesem Grund zeichnen sich die spritzgeblasenen Injektionsflaschen durch sehr gute Barriereeigenschaften gegenüber Gasen, Unzerbrechlichkeit, geringes Gewicht und einer chemisch nicht reaktiven Oberfläche aus. Nach einer kurzen Einführung wird das Innovationspotenzial des Schmelzespeicher- und Dosiersystems anhand einer ausführlichen Recherche zum Stand der Technik einschließlich bestehender Patente herausgearbeitet. Danach werden verschiedene Anforderungen an das System definiert und mit Hilfe einer Bewertungsmatrix ein geeignetes Prinzip ausgewählt. Anschließend wird eine Theorie zur Herstellung von Multilayer-Vorformlingen aufgestellt, die auf der Co-Injektion unter Berücksichtigung von Temperaturverlauf, Fließgeschwindigkeiten und Scherraten an den Randschichten basiert. Aufbauend darauf werden verschiedene Einzelprinzipien für die Schmelzespeicherung, Schmelzedosierung sowie dazugehörige Antriebe untersucht und mit Hilfe der Bewertungsmatrix ein Gesamtkonzept abgeleitet. Die nachfolgenden Berechnungen zum Fließverhalten der Schmelze und die Auslegung der mechanischen Komponenten ebnen den Weg für die Konstruktion des Systems. Auf Grundlage der theoretischen Vorüberlegungen wird ein technischer Entwurf konstruiert, der die vollständige Geometrie und Funktion des Gesamtsystems beschreibt.
Entwicklung und Verifizierung eines Modells zur Vorhersage der Leistungsaufnahme von Einschnecken-Extrudern. - 111 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Eine genaue Vorhersage der Schneckenantriebsleistung, zur Auslegung von Antrieben und Schnecken, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Verifizierung eines modifizierten Ansatzes, zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Leistungsaufnahme von Einschneckenextrudern. Zu Beginn dieser Arbeit findet eine umfangreiche Literaturrecherche statt, um die vorliegenden Modelle zu sichten. Anschließend erfolgt eine Analyse des Verhaltens einzelner Modelle unter Variation der Eingangsgrößen. Mithilfe einer Sensitivitätsanalyse wird die Abweichung der berechneten Leistung aufgrund von Schwankungen der Eingangsparameter festgestellt. Im Rahmen der experimentellen Überprüfung der Antriebsleistung findet ein Vergleich zwischen Messung und Simulation statt. Aus den Erkenntnissen der Modellanalyse und der experimentellen Analyse wird ein neues integrales Modell abgeleitet. Dieses Modell erzielt, mit einer durchschnittlichen Abweichung zu den gemessenen Antriebsleistungen von 14 %, gute Ergebnisse.
Simulationsbasierte Auslegung eines Faserverbund-Zellmodulrahmens für Lithium-Ionen Zellen. - 107 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Aufgrund der niedrigen Energiedichte von Li-Ionen Batteriezellen im Vergleich zu den fossilen Kraftstoffen und dem damit verbundenen Mehrgewicht ist der Leichtbau ein signifikanter Treiber für die Entwicklung des elektrifizierten Antriebsstrangs. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Leichtbaukonzept mit Hilfe eines Faserverbundkunststoffes für einen Zellmodulrahmen entwickelt, der für die Verspannung und Fixierung von prismatischen Li-Ionen Zellen im Energiespeicher verantwortlich ist. Der Faserverbund-Rahmen muss dabei einer hohen Last standhalten, denn die Li-Ionen Zellen zeigen eine Ausbauchung, die sich negativ auf die Lebensdauer des Systems auswirkt und folglich verhindert werden muss. Das Konzept für den Faserverbund-Zellmodulrahmen wurde hinsichtlich der Parameter Bauraum, Gewicht, Kosten, mechanische Beanspruchung sowie thermische Isolationswirkung optimiert. Innerhalb des Vergleichs mit dem Referenzsystem konnten die Potentiale des Faserverbundkunststoffes aufgezeigt werden. Die Arbeit gliedert sich in die wesentlichen Schritte Analyse des aktuellen Systems anhand der Durchführung von Messungen zum mechanischen Verhalten der Li-Ionen Zelle, methodische Konzeptentwicklung und konstruktive Auslegung des Faserverbund-Zellmodulrahmens. Es wird nachgewiesen, dass bei gleichem Bauraum und Kosten das Gewicht sowie die Deformation im Vergleich zum Referenzsystem gesenkt werden können. Zusätzlich zeichnet sich der gewählte Faserverbundkunststoff als thermischer und elektrischer Isolator aus.
Bedingungen für die Einarbeitung leitfähiger Füllstoffe in Thermoplaste. - 116 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Diese Arbeit befasst sich mit den Bedingungen für die Einarbeitung leitfähiger Füllstoffe in Thermoplaste. Es sollen dabei die Einflüsse auf die Leitfähigkeit herausgearbeitet werden und abschließend eine Empfehlung für Verarbeitungsparameter erfolgen. Hierfür wird zunächst die Extrusion der Fasern betrachtet. Als wesentliche Einflussfaktoren werden die Faserlänge, Faserkonzentration und die Extruderparameter wie Temperaturführung, Schneckengeometrie und Schneckendrehzahl analysiert. Um eine Aussage über deren Einfluss zu treffen, werden verschiedene Versuche am Extruder und anschließend eine Prüfung des erzeugten Strangs hinsichtlich der Leitfähigkeit durchgeführt. Im Anschluss an die Untersuchung des Strangs wird das Kunststoffgranulat hergestellt und ebenfalls auf Leitfähigkeit untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass aufgrund der mangelhaften Leitungsverbindung zwischen den Granulatkörnern kein Stromfluss stattfindet. Abschließend werden Probekörper aus dem Kunststoffgranulat gespritzt, die ebenfalls auf ihre Leitfähigkeit getestet werden. Hierfür werden wie bei der Messung des Strangs zwei Elektroden auf den Probekörper aufgebracht und wieder der elektrische Widerstand gemessen. Um die Analyse der Probekörper abzurunden werden verschiedene Untersuchungen am Probekörper durchgeführt. Mithilfe der Dichtemessung und der thermografischen Analyse und wird der Fasergehalt des Probekörpers ermittelt. Durch einen Zugversuch werden die mechanischen Kennwerte der Probekörper aufgenommen. Schließlich wird noch die Faserlänge und Faserorientierung im Probekörper untersucht. Abschließend kann man sagen, dass sowohl für die Einleitung des Stroms als auch für den Stromtransport durch das Material neben der Faserkonzentration die Faserorientierung den größten Einfluss hat. Für die Herstellung von Bauteilen aus leitfähigen Kunststoffen kann man deshalb Empfehlungen für die Werkzeugkonstruktion und die Verarbeitungsparameter geben.
Vergleich und Synthese unterschiedlicher Verfahren zur Technologiebewertung zu einem ganzheitlichen Modell. - 105 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Industrielle Unternehmen müssen sich zunehmend zwischen einer hohen Zahl von möglichen Fertigungstechnologien entscheiden, um eine in ihrem Sinne wirtschaftlich und technologisch sinnvolle Lösung zu finden. Ausgehend von relevanten Forschungsarbeiten zum Thema Technologiebewertung werden in dieser Arbeit bestehende Modelle analysiert und deren inhaltlichen Stärken und Schwächen herausgearbeitet. Auf Basis eigener inhaltlicher und formaler Anforderungen werden Schwerpunkte für ein neues Modell formuliert. Hierbei wird insbesondere eine Definition für die technologische Wertschöpfung gegeben und diese im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit für die Bewertung zugänglich gemacht. Eine weitere zentrale Rolle spielt die Abbildung von Technologieketten für die Analyse und die Einschätzung der technologischen und wirtschaftlichen Komplexität, wobei hier vor allem die Dimensionen Vielfalt, Dynamik und Unsicherheit Eingang in die vorliegende Arbeit finden. Durch das erstellte Modell wird ausgehend von einer Produkt-Roadmap und den Eigenschaften der zu untersuchenden Technologien eine systematische Vorgehensweise beschrieben, welche über die Erstellung von Technologieketten, die Bewertung der benannten Faktoren mit Berücksichtigung der weiteren Größen Produktivität und Kosten bis zur Darstellung des Modells in einem zusammenfassenden Kennzahlenkatalog reicht. Abschließend werden Teile des Technologiebewertungsmodell auf das Beispiel eines Displays für automobile Anwendungen und eines Trägerbauteils aus Faserverstärkten Kunststoff angewendet, um so die praktische Vorgehensweise zu verdeutlichen.
Leichtbau Sandwichverbunde aus thermoplastischen Composites. - 82 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2012
Leichtbau durch Kunststoff, besonders durch neuartige Leichtbau-Sandwichstrukturen, eröffnet eine neue Dimension im Automobiltechnik. Die Firma REHAU AG+Co. hat sich besonders das Thema Strukturleichtbau auf Basis thermoplastischer Composites (TPC) vertieft. Hierbei stehen Konzepte der unidirektionalen Faserverstärkung (DU-Tapes) im Mittelpunkte. Die einachsig ausgerichteten Faserlagen werden in einer Thermoplast-Matrix eingebettet. Das neue Verfahren trägt den Namen ULTRLITEC. Nach einer Recherche zum Stand der Technik wird eine Marktrecherche nach geeigneten Kernschichtmaterialien durchgeführt. Aus UD-Tapes wurden im ULTRLITEC verfahren Sandwichplatten mit unterschiedlichen Materialkombinationen hergestellt. Als Kernschichtmaterialien wurden verschiedenen Schäumen (sowie PVC, PUR, PMI, PET), Waben und Balsaholz eingesetzt. Dabei werden die verwendeten Herstellparameter zu optimieren und zu beschreiben. Die Sandwichplatten werden hinsichtlich ihre mechanischen Kennwerten aus dem Druck-, Schub- und Biegeversuch ermittelt und beurteilt. Als Bewertungskriterium wurde Leichtgüte und Leichtbaurentabilität verwendet. Anschließend lässt sich sagen, dass aufgrund der hohen Leichtbaugüte und hohen Leichtbaurentabilität welche Kernschichtmaterialien für weitere Untersuchung und Verwendung besonders interessant.
Vergleich und Entwicklung von Krafteinleitungsmöglichkeiten in Bauteile aus CFK. - 93 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Für eine Produktionsmaschine, welche eine Werkzeugbank aus kohlefaserverstärktem Kunststoff haben soll. In dieser Arbeit ist eine Krafteinleitungsmöglichkeit erarbeitet worden, welche die Verbindung zwischen den Verbundwerkstoff und einem Metall ermöglicht. Das Ziel hierbei ist, die Verbindungselemente theoretisch auszulegen und dann mittels Versuchen diese Werte zu überprüfen. In der Arbeit wurden dafür verschiedene Versuche für die Krafteinleitungen, Schrauben, Kleben, Inserts und die Synthese aus Schrauben und Kleben, durchgeführt. Diese Verbindungsarten wurden anhand einer Bewertung als beste Methode für die Verbindung ausgewählt. Diese Versuche dienen in der Arbeit auch dazu, dass damit die jeweiligen Sicherheitsfaktoren für die Verbindungselemente erarbeitet werden. Am Ende der Arbeit wurde die Schraubverbindung als geeignete Verbindung ausgewählt, da sie die besten Eigenschaften für dieses Problem aufweist.
Konzept eines Leichtbau-Frontsitzes aus Faser-Kunststoff-Verbund. - 145 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Durch die geänderten Ansprüche und Rahmenbedingungen der Fahrzeugindustrie, ist eine Gewichtsreduktion der Modelle notwendig. Im Bereich der Fahrzeugsitze, weist die aktuelle Stahlstruktur nur noch wenige Potentiale in dieser Richtung auf. Aus diesem Grund untersucht die vorliegende Arbeit ein neues Konzept eines Frontsitzes aus faserverstärktem Kunststoff. Dabei wird dieser in 3 Teile geteilt: eine einteilige Sitzschale, den Unterbau und das Polstermaterial. Die geforderten mechanischen Festigkeiten werden mit Hilfe der FE-Methode simuliert und anschließend in mehreren Iterationsschritten in die Konstruktion eingebracht. Der Unterbau beinhaltet eine innovative Beeinflussung aller Verstellwege, um durch eine vereinfachte Konstruktion Gewicht zu sparen und gleichzeitig einen großen Teil von potentiellen Insassen abzudecken. Auch hier kommt faserverstärkter Kunststoff zum Einsatz, um durch einen angepassten Versagensverlauf Gewicht zu sparen. Die Arbeit analysiert diesen auf die Vorgänge des Materials bei Belastung. Den Komfort und die Ergonomie des Konzeptes bestätigen Probandenuntersuchungen eines Musters, aus denen zukünftige Schritte ableitbar sind. Die Polstermaterialien werden auf ihre klimaphysiologischen Eigenschaften untersucht, mit Hilfe verschiedener thermischer Experimente. Dabei zeigt sich, dass mit neuen Materialien bessere Eigenschaften geschaffen werden können, die gleichzeitig zur Vereinfachung und Gewichtsreduktion der Konstruktion beitragen.
Volumen- und Ausdehnungsbestimmung von PET-Flaschen an einem Berstdruckprüfstand. - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Kunststoffe sind ein unverzichtbarer Bestandteil des heutigen Lebens. In jedem industriellen und privaten Bereich sind sie vertreten. In der Lebensmittelindustrie werden bevorzugt Kunststoffe als Verpackungen eingesetzt. Mehr und mehr Getränke werden ausschließlich in Kunststoffflaschen abgefüllt. Erfrischungsgetränke enthalten oftmals Kohlensäure und entwickeln dadurch einen flascheninternen Überdruck. Diesem muss die Polyethylenterephthalat-Flasche standhalten. Um die Belastungsgrenzen zu bestimmen, werden sie in verschiedensten Prüfständen bis zum Versagen getestet. Das Ziel der Arbeit ist es, einen bestehenden Berstdruckprüfstand, der einem Standard-Industrie-modell überlegen ist, weiter zu optimieren. Dafür wurde ein Konzept ausgearbeitet und umgesetzt. Der Inhalt war es, das vorhandene System von direkter Luftdruckbelastung auf indirekte Druckbeaufschlagung mit Wasser umzustellen. Dafür wurde ein Vordruckbehälter ausgelegt und installiert. Dieser ist mit Wasser gefüllt und Luft kann mit einem Kompressor eingepumpt werden. Somit wird der Druck von der Luft auf das Wasser übertragen und die Flasche wird mit dem fast inkompressiblen Medium geprüft. Damit werden die negativen Eigenschaften einer schlagartigen Luftentspannung eliminiert. Das bisherige Rohrleitungssystem wurde gewechselt, da es stark korrodiert war. Alle Teile, die mit Wasser in Berührung kommen, wurden durch Edelstahl ersetzt. Um das Konzept umzusetzen, wurden mehrere Ventile und andere Funktionsteile umpositioniert oder ausgetauscht. Enthalten sind unter anderem die Planung der benötigten Teile und Werkzeuge, sowie deren Einbau. Dem neuen Aufbau folgte eine Steuerungsanpassung. Einen Großteil dieser Arbeit nimmt der Informatikbereich ein. Ein passender Funktionsablauf wurde erarbeitet. Dieser wurde einprogrammiert. Die zu bearbeitenden Programmteile sind ausführlich beschrieben und nachvollziehbar dargelegt. Das Programm ist fehlerfrei funktionstüchtig. Eine Versuchsplanung und -durchführung ist enthalten. Die Kalibrierungswerte wurden ermittelt und dem Programm hinzugefügt.