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.
Machbarkeitsstudie zur Einbringung von Sensorik in Organoblech-Halbzeuge. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, die Machbarkeit der Einbringung von Sensorik in Organoblech-Halbzeuge zu überprüfen. Dadurch soll die Möglichkeit gegeben werden, intelligente faserverstärkte Bauteile bereits in der Halbzeugproduktion und der anschließenden Umformung herzustellen. Hierfür erfolgt eine Recherche und Berechnung der notwendigen Prozessparameter und deren Dokumentation ins Lastenheft. Auf dieser Basis wird eine Auswahl an zu testenden Sensoren getroffen. Nachfolgend sollen die verschiedenen Sensoren auf Anwendbarkeit hinsichtlich Temperatur, Druck, Messgenauigkeit und Möglichkeit der Weiterverarbeitung geprüft werden. Es werden die Auswirkungen der beeinflussenden Prozessparameter gegenüber den ausgewählten Sensoren mit Hilfe eines Versuchsplans erfasst und durch Messreihen die maximalen Betriebspunkte der Sensoren ohne deren Schädigung ermittelt. Danach wird ein Konzept entworfen, bei welchem die Einbringung der ausgewählten Sensoren sowohl im Herstellungsprozess vor der Kalandrierung als auch im Umformprozess des FVK-Halbzeugs untersucht werden können. Nach der Integration der Sensoren erfolgen Kontrollmessungen, die Messergebnisse werden mit den Eingangsmessungen verglichen und die Auswirkung der Einarbeitung erfasst. Abschließend ist, bei erfolgreicher Einbringung eine Strategie zur automatisierten Sensorzuführung für die industrielle Einarbeitung im Herstellungsprozess mit Blick auf verschiedene Anlagenkonzepte zu entwickeln.
Analyse des Werkstoffverhaltens von Kohlenstofffasern gegenüber Glasfasern in der Verarbeitung. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ist die resultierende Länge der Fasern von elementarer Bedeutung, da diese großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, Steifigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit, hat. Während die Herstellung solcher Formteile üblicherweise auf einem Extruder erfolgt, bietet der Innenmischer einen neuen Ansatz für die Compoundierung faserverstärkter Kunststoffe. Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit der Analyse des Werkstoffverhaltens von Kohlenstofffasern gegenüber Glasfasern bei der Verarbeitung auf einem Miniatur-Innenmischer. Im Rahmen der Arbeit wurde zuerst eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt, auf deren Grundlage der Innenmischer, verschiedene Arten von FVK sowie die Schädigungsmechanismen von Fasern während der Verarbeitung dargestellt wurden. Zudem wurden die Einflussfaktoren auf die Faserverkürzung während der Verarbeitung im Miniatur-Innenmischer herausgearbeitet, woraufhin die beiden Prozessparameter, Rollungen und Ausgangsfaserlänge, als Variationsparameter für die Versuche ausgewählt wurden. In der anschließenden Versuchsphase wurde neben dem Einfluss der beiden Prozessparameter auf die resultierende Faserlänge zudem speziell der Einfluss des Fasertyps auf die resultierende Faserlänge im Verbund untersucht. Dabei wurden sowohl die geometrischen Unterschiede des Durchmessers zwischen den beiden Glasfasern als auch die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zwischen der Kohlenstofffaser und den Glasfasern herausgearbeitet.
Untersuchung des Tränkungsverhaltens von Faserhalbzeugen mit thermoplastischen Kunststoffen. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Thermoplastische Faser-Verbund-Kunststoffe finden in vielen Bereichen der Industrie Anwendung. Aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften in Kombination mit einer geringen Dichte verfügen sie über ein hohes Leichtbaupotenzial. Während der Herstellung kann es jedoch zu prozessbedingten Schwankungen der Halbzeugqualität kommen. Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der Herstellung von Organoblechen. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die resultierende Halbzeugqualität wird untersucht, um Richtlinien für eine anwendungsoptimierte Parametereinstellung zu schaffen. Anhand eines erarbeiteten Versuchsplans werden Organobleche aus Polypropylen-Granulat und Glasfasergewebe hergestellt. Die Verarbeitung in einem statischen beheizten Presswerk dient der Reduzierung äußerer Einflüsse. Durch die Analyse entnommener Proben können Aussagen bezüglich der Faserverschiebung sowie des Poren- und Faservolumengehalts getroffen werden. Zudem erfolgt eine statistische Auswertung der Messwerte sowie die Darstellung der Parameterabhängigkeit der Qualitätsmerkmale. Es wird geprüft, ob die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Materialien anwendbar sind.
Recherche und Erprobung umweltverträglicher Weichmacher für den Einsatz in thermoplastischen Elastomeren. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Für Einsatzgebiete, in denen elastische Werkstoffeigenschaften, hohe Umweltverträglichkeit, physiologische Unbedenklichkeit und Recyclierbarkeit gefordert sind, stellen biobasierte und/oder biologisch abbaubare thermoplastische Elastomere (TPE) eine interessante Alternative zu konventionellen Elastomeren dar. Zur gezielten Modifikation der Härte ist die Zugabe von Weichmachern die am häufigsten genutzte Methode. In der Arbeit wurde exemplarisch die Eignung ausgewählter Weichmacher für das thermoplastische Copolyesterelastomer (TPC) Apinat DP 1888/90 hinsichtlich der erzielten Härte- und Viskositätsreduktion experimentell untersucht. Zum Einsatz kam hierfür ein Laborwalzwerk, mithilfe dessen das TPC mit den zehn ausgewählten Weichmachern compoundiert wurde. Für vier Weichmacher wurde ein Versuchsplan verfolgt, der jeweils die Variation des Weichmacheranteils zwischen 10, 15 und 20 % vorsah. Die Abmusterung des Rohgranulats fand an der Spritzgießmaschine statt. Mittels drei verschiedener Messverfahren wurde die Härte der Proben bestimmt. Für die Messung von Shore-A- und Shore-D-Härte wurden Handprüfgeräte eingesetzt. Die Messung der Kugeleindruckhärte HB erfolgte an der Maschine. Überdies schloss die mechanische Untersuchung die Ermittlung des Druckverformungsrestes ein. Weiterhin wurden die Fließkurven der Materialpaarungen in Abhängigkeit von Temperatur und Weichmacheranteil mit einem Rotationsrheometer in Kegel-Platte-Anordnung aufgezeichnet. Die thermodynamischen Eigenschaften der Proben wurden mithilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) sowie der thermogravimetrischen Analyse (TGA) bestimmt. Der Effekt einzelner Weichmacher auf die Härte konnte bereits bei einem Anteil von 10 % nachgewiesen werden. Gegenüber dem Vergleichsnormal, dem Spritzgießprobekörper aus rohem TPC, konnte die Shore-D-Härte um bis zu 14 Skalenwerte gesenkt werden. Beim Weichmacher mit dem stärksten Effekt handelte es sich um Dibutoxyethoxyethyladipat (DBEEA), einen Glykoletherester. Anhand der Fließkurven zeigte sich eine korrelierte Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Weichmacheranteil. Zwischen den beiden Größen Härte und Viskosität bestand für DBEEA und annähernd auch für die anderen mit variierten Anteilen gemessenen Proben mit den Weichmachern Acetyltributylcitrat (ATBC) und PP 2755 eine exponentielle Korrelation. Im Rahmen der thermodynamischen Analyse konnte festgestellt werden, dass die Enthalpie der mit 15 % compoundierten Probe DBEEA gegenüber dem TPC-Rohmaterial im Mittel um fast 100 mJ/mg geringer liegt. Dies liegt in der Wirkung des Weichmachers auf die intermolekularen Kräfte begründet. Mithilfe der thermogravimetrischen Analyse (TGA) konnten der Füllstoffgehalt des untersuchten TPC-Rohmaterials Apinat sowie der Siedepunkt des Weichmachers DBEEA bestimmt werden. Bei der compoundierten Probe fiel die erhöhte Restmasse auf, für die keine plausible Erklärung gefunden werden konnte. Dieses beobachtete Phänomen bedarf somit weiterer Untersuchungen. Für die Bestimmung der Migrationstendenz des Weichmachers wurde die Probe für 72 h unter Standard-Labortemperatur von 23 ˚C mithilfe des Werkzeugs für den Druckverformungsrest auf Druck beansprucht. Anschließend wurde der Masseverlust bestimmt. Bereits ohne Erhöhung der Temperatur konnten Unterschiede zwischen den Proben identifiziert werden. Weiterhin erfolgte eine subjektive Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit der Proben. Stichworte: thermoplastische Copolyesterelastomere (TPC), Compoundierung
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Trennung der Metalle aus Kunststoffmetallverbunden vorgestellt, dass durch Vergleichen der mechanischen, elektronischen und rheologischen Eigenschaften von PA6 GF15 und PPS GF40 vor und nach der Wärmebehandlung den Grad der thermischen Degradation von Kunststoff definiert und damit den optimalen Temperaturbereich daraus zu ermitteln. Der Stand der Technik und der Mechanismus der verwandten. Theorie werden ausführlich diskutiert. Experimentelle Studien an Laborgeräten bestätigen die Machbarkeit und Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode. Auf dieser Basis wird auch die Möglichkeit zukünftiger Arbeiten diskutiert.
Untersuchung von Schädigungsmechanismen faserverstärkter Kunststoffe in Salzschmelzen. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es, auftretende Schädigungsmechanismen von faserverstärkten Kunststoffen in Salzschmelzen zu untersuchen. Mit dem Hintergrund einer ressourcenschonenden, spanlosen Trennung von Kunststoffmetallverbunden durch eine Schwimm-Sink-Trennung werden zahlreiche Experimente durchgeführt und dokumentiert. Dabei wird eine Trennung von glasfaserverstärkten Polyamidmetallverbunden aus der Automobilindustrie in zwei einzeln untersuchten industriellen Salzen realisiert. Der Kunststoff und die Metallbestandteile lassen sich voneinander trennen und können somit dem Wertstoffkreislauf zurückführen werden. Bei der Untersuchung von im Spritzgussverfahren hergestellter Prüfkörper aus unbehandelten und in der Salzschmelze behandelten Polyamid 6-GF15 konnten keine erhebliche Veränderung der wichtigsten mechanischen Eigenschaften festgestellt werde.
Entwicklung eines variablen Angusssystems für Harzinjektionsverfahren. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Bei Harzinjektionsverfahren wie zum Beispiel dem Resin Transfer Moulding kommt es häufig zu Porenbildung innerhalb des Werkstücks. Eine der Hauptursachen für dieses Fehlerbild sind unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. ungleichmäßige Fließfronten innerhalb der Kavität. Damit diesen Ursachen entgegengewirkt werden kann, ist es Ziel dieser Arbeit ein variables Angusssystem zu entwickeln, mit dem es möglich ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Fließfront lokal zu regeln. Um das Ziel zu erreichen, wird zunächst der Stand der Technik bezüglich Harzinjektionsverfahren und den dabei verwendeten Materialien dargelegt. Außerdem wird im Stand der Technik auf verschiedene Eigenschaften und Verhaltensweisen von Poren eingegangen. Anschließend erfolgt die Konzeptions- und Bewertungsphase, in der mit Hilfe des konstruktiven Entwicklungsprozesses vier Lösungsvarianten erarbeitet werden. Zu dieser Phase gehören unter anderem die Erarbeitung einer Anforderungsliste, eines graphischen Forderungsplans und einer Funktionsstruktur. Um eine der gefundenen vier Varianten auszuwählen, werden sie unter technischen und wirtschaftlichen Bewertungskriterien analysiert und bewertet. Zusätzlich werden Richtlinien zur Positionierung von Angüssen und Steigern bei Harzinjektionswerkzeugen formuliert. Auf Grundlage der Konzeptions- und Bewertungsphase, sowie der formulierten Richtlinien wird anschließend die ausgewählte Lösungsvariante konstruktiv ausgelegt und gestaltet. Während dieser Gestaltungsphase wird ein konkretisiertes technisches Prinzip, eine Produktstruktur sowie die Auslegung der einzelnen Bauteile, Baugruppen und Schnittstellen vorgenommen. Daraufhin werden die benötigten Einzelteile hergestellt bzw. gekauft, um das entwickelte Angusssystem herzustellen und zu testen. Zuletzt wird eine Analyse des Systems vorgenommen und Verbesserungsvorschläge formuliert. Durch die Analyse des Systems und der Ergebnisse aus den Versuchen wird ersichtlich, dass die erarbeitete Konstruktion die gestellten Anforderungen erfüllt, wenn mehr als ein Anguss verwendet wird. Bei der Verwendung von nur einem Anguss wirkt das Kontinuitätsgesetz und es erhöht sich lediglich die Geschwindigkeit am kleineren Querschnitt, jedoch ergibt sich kein gedrosselter Volumenstrom. Wird mehr als ein Anguss verwendet ist eine Drosselung des Volumenstroms erkennbar.
Simulation und Optimierung des Tränkungsverhaltens mehrlagiger Faserhalbzeuge mit unterschiedlichen Permeabilitäten. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Resin Transfer Molding Verfahren (RTM) wird häufig bei der Serienherstellung von Faserverbundkunststoffen verwendet. In diesem Verfahren wird ein flüssiges Harzsystem in einen Formhohlraum injiziert, der darin befindliche Faservorformling wird imprägniert und härtet zu einem stabilen Formteil aus. Im Regelfall besteht ein Formteil aus mehreren Laminatschichten. Ein unvermeidbares Problem beim Harzinjektionsprozess ist die Porenentstehung, die die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenqualität des Bauteils verringert. Laut aktuellem Stand der Wissenschaft, ist die Porenentstehung vom Tränkungsverhalten abhängig. In dieser Arbeit wird die Untersuchung über den Harzinjektionsprozess mit mehrlagigen Faserhalbzeugen durchgeführt. Das theoretische Modell wird verwendet, um ein geeignetes Prozessfenster zu definieren. Die Beziehung zwischen Fließverhalten und eingestellten Prozessparametern wird untersucht. Geeignete Funktionen zur Steuerung des Injektionsdruckes wurden aufgestellt und Konzepte zur Optimierung entwickelt und getestet, auf Grundlage aktueller Studien. Das entwickelte Simulationskonzept basiert auf der Fließsimulation mit ANSYS Fluent. In dieser Abschlussarbeit wurde die Fließsimulation mittels zweiphasiger laminarer Strömung in einem porösen Medium analysiert. Ein Konzept zur Optimierung des Injektionsdruckes wird eingeführt um die Entstehung fließbedingter Fehlstellen zu minimieren. Stichworte: RTM, Porenentstehung, Tränkungsverhalten, Fließsimulation