Prozessoptimierung zur Direktextrusion von endlos faserverstärkten Thermoplasten. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Faser-Kunststoff-Verbunde haben sich in vielen Industriebereichen als Standardwerkstoffe etabliert. Dabei bilden sie aufgrund guter gewichtsspezifischer mechanischer Eigenschaften, eine ernstzunehmende Alternative zu klassischen Werkstoffen wie Metallen. Obwohl Faserverbunde mit duroplastischer Matrix lange Zeit den größten Marktanteil hatten, gewinnen Thermoplastverbunde immer mehr an Bedeutung. Diese können erwärmt und mittels Tiefziehverfahren umgeformt werden, was die Herstellung komplexer Bauteile ermöglicht. Die vorliegende Bachelorarbeit setzt sich mit der Prozessoptimierung zur Direktextrusion auseinander. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung vollständig imprägnierter, endlos faserverstärkter Thermoplasthalbzeuge (Organobleche). Im Rahmen der Arbeit wird eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt. Dabei werden verschiedene Arten von FKV, Herstellungsverfahren sowie Einflussparameter auf den Prozess und die Imprägnierung dargestellt. Es werden Vorversuche zur Herstellung einlagiger Organobleche durchgeführt. Auf Basis von Literatur und Vorversuchen wird ein Versuchsplan erstellt, um die wichtigsten Parametereinflüsse zu untersuchen. Die hergestellten Organobleche werden auf Faservolumenanteil, Porenvolumenanteil und Faserverschiebung untersucht. Die Ergebnisse der einzelnen Zustände werden ausgewertet, diskutiert und verglichen. Mit Hilfe einer Auswertungssoftware werden die Parameter im Hinblick auf Effekt und Einflussmaß untersucht, um einen physikalischen Zusammenhang aufzustellen. Abschließend wird ein Prozesspunkt ausgewählt und überprüft, ob sich das Modell auf einen mehrlagigen Prozess gleicher Werkstoffpaarung übertragen lässt.
Analyse der Porenentstehung im RTM-Verfahren bei komplexen Geometrien. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In dieser Masterarbeit wurde die Porenentstehung in Faserverbundkunststoffen aus Glasfasergeweben und Epoxidharz beim Resin Transfer Molding (RTM) Verfahren mit komplexen Geometrien untersucht. Der Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet der Porenentstehung innerhalb von Harzinjektionsverfahren wurde recherchiert und verfahrenstypische Werkzeuggeometrien ausgewählt. Ein modulares RTM-Werkzeug wurde entwickelt, das eine variable Einbringung lokaler Permeabilitätsänderungen ermöglichte. Für die eigenen Untersuchungen wurde ein Versuchsplan aufgestellt, der den Einfluss bei unterschiedlicher Werkzeug- und Gewebegeometrie auf Porengeometrie und Porenvolumengehalt beschreibt. Im RTM-Verfahren wurden komplexe Bauteile hergestellt. Die Bauteile wurden mit ausgewählten Prüfverfahren auf Porenentstehung untersucht. Ein bereits bestehendes Berechnungsmodell wurde zur Beschreibung der Porenentstehung auf komplexe Geometrien übertragen. Eine Gesamtbewertung der Untersuchungsergebnisse mit einem Ausblick auf zukünftige Möglichkeiten zur Beschreibung der Porenentstehung bei komplexen Geometrien im RTM-Verfahren wird abschließend gegeben.
Entwicklung und Fertigung eines Bauteilgreifers in Leichtbauweise aus Faserverbundkunststoff. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Beim Prozess des Spritzgießens geht der Trend in Richtung immer kürzerer Zykluszeiten. Dies betrifft auch die Zeiten, in denen ein fertiges Formteil aus der Spritzgussmaschine entnommen wird. Im Labor des KTI werden momentan die Spritzgussteile lediglich in einen Auffangbehälter fallen gelassen. Um ein dadurch mögliches Beschädigen der Formteile zu vermeiden, soll ein Roboter inklusive Greifer an der Spritzgussmaschine angebracht werden, der das fertige Teil entnimmt und in Bezug auf eine anschließende Qualitätskontrollstrecke präzise in verschiedenen Lagen positioniert. Dieser sollte dem Trend der kurzen Zykluszeiten folgen, um Totzeiten aufgrund einer Verzögerung des Entnahmeprozesses zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit soll deshalb ein Robotergreifer aus Faserverbundkunststoff in Leichtbauweise entwickelt und konstruiert werden. Die Ausschöpfung von Leichtbaupotentialen ist daher von Vorteil, da eine Gewichtsreduktion des Greifers insgesamt zu einer Reduktion der bewegten Masse führt und somit zu einer möglichen Verbesserung der Greifdynamik. Der Entnahmegreifer wird dabei mittels entwicklungsmethodischer Ansätze wie beispielsweise dem Entwurf verschiedener Technischer Prinzipe entwickelt und anschließenden in einer Konstruktion umgesetzt. Zudem werden verschiedene mögliche Faserverbund-Materialien miteinander verglichen und eine Verformungs- und Spannungsanalyse durchgeführt, um eine bestmögliche Auswahl bezogen auf Gewicht und Festigkeiten zu treffen. Des Weiteren wird die benötigte Griffkraft für verschiedene Handhabungsrichtungen und Gewichte der Formteile berechnet. Eine Fertigung und abschließender Test des Greifers sind aufgrund technischer Probleme des vorhandenen Roboters nicht möglich und werden durch eine theoretische Betrachtungsweise ersetzt. Die Erkenntnisse werden mit herkömmlichen Greifern verglichen und eine Aussage darüber getroffen, inwieweit die Massereduktion tatsächlich einen Vorteil bringen könnte.
Thermische und mechanische Auslegung kunststoffumspritzter Leiterplatten. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
In dieser Arbeit wird der Einfluss einer rückseitigen Umspritzung einer Leiterplatte untersucht. Die Leiterplatte ist vorderseitig mit elektrischen Komponenten bestückt, sodass mechanische und thermische Beanspruchungen auf die Platine und die Komponenten wirken können. Das Spritzgießgehäuse mit eingebetteter Leiterplatte soll so ausgelegt werden, dass die thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen beim Verbau im Motorraum eines Kraftfahrzeugs ertragen und die Komponenten adäquat vor diesen Einflüssen geschützt werden. Mit Hilfe einer Aufschlüsselung und Analyse der Belastungsarten wird ein geeigneter Thermoplast gewählt und in einem faktoriellen Versuchsplan für die Umspritzung mit unterschiedlichen Parametern verwendet. Um den Einfluss des Spritzprozesses auf die Komponenten zu quantifizieren, werden Kennwerte der Komponenten vor und nach der Umspritzung gemessen und die prozentuale Abweichung bestimmt. Durch eine statistische Analyse können einige der beobachteten Abweichungen mit einstellbaren Parametern des Spritzprozesses in Verbindung gebracht werden. Aus den experimentellen Beobachtungen werden anschließend Konstruktionsempfehlungen abgeleitet und wichtige Abwägungen hervorgehoben.
Machbarkeitsstudie zum Fügen thermoplastischer Faserverbundstrukturen durch Infrarotschweißen. - Ilmenau. - 148 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die vorliegende Masterarbeit behandelt das thermische Fügen geschäfteter, thermoplastischer Faserverbundstrukturen unter Anwendung der Infrarottechnologie und zeigt eine systematische Vorgehensweise zur Verfahrensentwicklung auf. Die Konstruktion und Validierung eines Prüfaufbaus sowie die Fertigung der geschäfteten Probekörper bilden die Basis für nachfolgende experimentelle Untersuchungen. Aus den Resultaten erster Vorversuche wird ein Versuchsplan zur Eingrenzung des Prozessfensters sowie zur Auswahl einer optimalen Werkstoffkombination abgeleitet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen in eine Regressionsanalyse ein mit dem Ziel, die Wirkzusammenhänge zwischen wesentlichen Prozessparametern und ausgewählten Zielgrößen numerisch darzulegen. Den Abschluss der Arbeit bildet die Überführung der ermittelten Beziehungen in einen physikalischen Kontext. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren eine Vielzahl an indirekten Faktoren bereithält, die die Qualität der Fügeverbindung massiv beeinflussen. Die Versuchsergebnisse weisen einen großen Streubereich und damit keine Reproduzierbarkeit auf, sodass die Anwendung des gebildeten mathematischen Modells auf zukünftige Untersuchungen zur Prozessoptimierung beschränkt ist.
Auslegungsrichtlinien für Frontalzusammenstoß-relevante Fahrzeugbauteile bestehend aus Aluminiumschäumen und faserverstärkten Thermoplasten. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Zielstellung dieser Arbeit ist die Erstellung von Auslegungsrichtlinien für Frontalzusammenstoß-relevante Fahrzeugbauteile. Diese sollen leichtbaugerecht aus Aluminiumschäumen und faserverstärkten Thermoplasten hergestellt werden und eine hohe massenspezifische Energieabsorption aufweisen. Zunächst erfolgt eine Darstellung der aktuellen Forschungsarbeiten. Anschließend werden die zu verwendenden Werkstoffe hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens unter dynamischen Druckbelastungen charakterisiert. Aluminiumschäume zeigen über einen großen Stauchungsbereich eine quasi-konstante Druckspannung und eignen sich daher hervorragend, um im Crashfall hohe kinetische Energien umzuwandeln. Faserverstärkte Thermoplaste werden zur Positionierung und lokalen Verstärkung der Aluminiumschaumstruktur eingesetzt. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden mehrere Crashelement-Konzepte entwickelt, verglichen und bewertet. Zum Abschluss erfolgt eine beispielhafte Auslegung für ein konkretes Crashelement.
Abschätzung mechanischer Eigenschaften faserverstärkter Sandwichverbundmaterialien unter zyklischer Biegebeanspruchung. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Sandwichverbunde sind Schichtverbunde, die aus einer niedrigdichten Kernschicht mit zwei umliegenden zugfesten und mechanisch belastbaren Deckschichten bestehen und im Bauwesen, Schiffsbau, sowie Luft- und Raumfahrt Verwendung finden. Der Vorteil von Sandwichverbunden im Vergleich zu Werkstoffen in voller Ausführung ist das deutlich reduzierte Gewicht bei weiterhin hohen mechanischen Eigenschaften. Diese Arbeit setzt sich mit der analytischen Modellierung der mechanischen Eigenschaften unter dynamischer Biegebelastung auseinander. Dabei werden Sandwichverbunde mit Deckschichten aus faserverstärkten Kunststoffen und Kernschichten aus Metall- und Polymerschäume in Betracht gezogen. Nach Beschreibung grundlegender Biegeversuche folgt ein Grundlagenteil über die mechanischen Eigenschaften der ausgewählten Sandwichkomponenten. Insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen werden Einflussparameter wie Fasergehalt, -länge und -orientierung, sowie Anhaftungs- und Schädigungsmechanismen beschrieben. Anschließend folgt eine kurze Abhandlung unterschiedlicher Modellierungsansätze aus der Forschung sowohl für statische als auch dynamische Biegebeanspruchung. Schließlich wird ein eigenes Konzept unter Zuhilfenahme eines Steifigkeitsreduktionsansatzes von Philippidis ausgearbeitet, welches die analytische Vorbestimmung der Biegesteifigkeit eines Sandwichbalkens in Abhängigkeit der Lastspielzahl und Spannungsamplitude ermöglicht.
Verfahrensbedingte Änderungen der Morphologie von Holzlangspänen. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Im Rahmen der vorliegenden Bachelorthesis wurden durch eine umfassende Literaturrecherche die Eigenheiten der Struktur des Nadelholzes bis hin zum molekularen Aufbau dargestellt. Unter Zuhilfenahme bereits bekannter Modelle zum zellulären Aufbau sowie der klassischen Laminattheorie, wurden mechanische Kennwerte des Holzes berechnet und verifiziert. Auf Basis dieser Recherche wurden die Morphologieänderungen der Holzlangspäne unter den Prozesseinwirkungen zur Herstellung eines Hochleistung-Holzlangspan-Kunststoff-Verbundwerkstoff-Bauteils (HHKV-Bauteils) charakterisiert und Rückschlüsse auf eine verbesserte Prozessführung gezogen.
Einfluss des Tränkungsverhaltens faserverstärkter Duroplaste auf Porenvolumengehalt und Porengeometrie. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit des Harzes und dem resultierenden Porenvolumengehalt sowie der Porengeometrie im Harzinjektionsverfahren festzustellen. Dadurch soll durch geeignete Wahl der Fließgeschwindigkeit der Porenvolumenanteil während des Herstellungsprozesses minimiert werden. Es existieren Berechnungsmodelle zur Bestimmung des Porenvolumengehaltes für unidirektionale FVK. Diese Berechnungsmodelle werden auf ihre Anwendbarkeit auf multidirektionale FVK untersucht. Ebenfalls Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss eines Aushärtedrucks auf Porenvolumengehalt und Porengeometrie zu untersuchen. Dazu wird zuerst die Entstehung der Poren während des Herstellungsverfahrens dargestellt. Danach wird ein Versuchsaufbau entworfen, in dem Probekörper im RTM-Verfahren mit unterschiedlicher Fließgeschwindigkeit hergestellt werden können. Anschließend werden die Probekörper hergestellt und auf Porenvolumengehalt und Porengeometrie untersucht. Die Messergebnisse werden dann mit den Berechnungsmodellen verglichen, um die Gültigkeit der Berechnungsmodelle zu prüfen. Abschließend wird der Einfluss der Fließgeschwindigkeit und der Einfluss des Aushärtedrucks auf den Porenvolumengehalt und die Porengeometrie untersucht.
Modellbildung zur Faserverkürzung von Kohlenstofffasern im Innenmischer. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Faserlänge beeinflusst die mechanischen Eigenschaften signifikant. Zum Erhalt längerer Fasern bei Verarbeitung faserverstärkte Polymer wird mit Innenmischer als relativ neue Konzeption betrachtet. Die Wirkweise des Innenmischers ist derzeit kaum erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wird zuerst den geeigneten berechneten Modellen recherchiert. Dabei werden die unberücksichtigten Prozessparameter ausgewählt. Durch ein Screening-Versuchsplan werden die ausgewählte Prozessparameter ausgesiebt. Die Einflüsse der ausgesiebten Prozessparameter auf die Faserlänge werden in Hauptversuch mit einem zentralen zusammengesetzten Versuchsplan untersucht. Nach Auswertung der Ergebnisse wird ein neues berechnetes Modell abgeleitet, damit kann zur Vorhersage der Faserlänge der faserverstärkten Thermoplaste verwendet werden. Mit dem abgeleiteten Modell wird ein Scale-Up der Prozessparameter von Mini-Innenmischer zu Labor- und Industrieinnenmischer durchgeführt.