Ermittlung der Temperaturabhängigkeit mechanischer Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen. - Ilmenau. - 176 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die mechanischen Eigenschaften von gewebeverstärkten Faserverbundkunststoffen werden durch die Ondulation der Verstärkungsfasern beeinflusst. Darüber hinaus beeinflusst die Umgebungstemperatur die mechanischen Eigenschaften der gewebeverstärkten Faserverbundkunststoffe. Um den Einfluss der Ondulation und variierender Umgebungstemperaturen zu quantifizieren wurde in dieser Arbeit ein Berechnungsablauf entwickelt. Der Berechnungsablauf ermöglicht die Berechnung der Steifigkeiten und der Festigkeiten von gewebeverstärkten Faserverbundkunststoffen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur, auf Basis der klassischen Laminattheorie. Im Berechnungsablauf werden der mittlere Ondulationswinkel und die thermischen Eigenspannungen als Funktion der Temperatur berücksichtigt. Grundlage der Berechnungen der thermischen Eigenspannungen und der temperaturbedingten Ondulationswinkeländerungen ist ein in dieser Arbeit entwickeltes analytisches Modell, welches die Gewebestruktur und die Temperaturabhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kunststoffmatrix berücksichtigt. Für die Berechnungen in dieser Arbeit wurden drei mögliche Definitionen des mittleren Ondulationswinkels verwendet. Zur Validierung der Theorie und zur Ermittlung der mittleren Ondulationswinkel, welche sich am besten für die Berechnung der Steifigkeit und der Festigkeit eignen, wurden Zugversuche bei variierender Temperatur mit verschiedenen Verbunden durchgeführt.
Experimentelle Untersuchung der Wiederverwertungsoptionen von Biokunststoffen. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Diese Arbeit befasst sich mit Beeinträchtigungen der Kaskadennutzung von Biokunststoffen durch Degradationseffekte sowie Maßnahmen zur Erhaltung der Eigenschaften. Es werden die Auswirkungen einer Mehrfachverarbeitung des Biokunststoffs Poly(β-hydroxybutyrat-co-β-hydroxyvalerianat) (PHBV) auf mechanische, thermische und rheologische Eigenschaften unter-sucht. Dazu werden in Vergleichsmessungen nach jedem Recyclingzyklus an spritzgegossenen Prüfkörpern Messungen der Zugfestigkeit, des Elastizitätsmoduls, der Bruchdehnung, der Schlagzähigkeit und des Schmelzeflussindex (MFI) durchgeführt sowie deren Veränderungen analysiert. Zur Erklärung der gemessenen Kennwerte werden zusätzlich Daten aus Differenzka-lorimetrie (DSC) und Thermogravimetrie (TGA) herangezogen. Die Ergebnisse zeigen die Wie-derverwertungsmöglichkeiten des Biokunststoffes auf und ermöglichen Empfehlungen für die Verarbeitung von PHBV.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Länge der Fasern in faserverstärkten Kunststoffen hat einen signifikanten Einfluss auf deren mechanische Eigenschaften. Die Herstellung solcher Compounds kann neben Doppelschnecken-extrudern auch in Innenmischern erfolgen. Das Verhalten von Fasern in Innenmischern ist bislang allerdings kaum erforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Miniaturinnenmischer entworfen. Die Skalierung erfolgt in Anlehnung an einen vorhandenen Innenmischer. Besonderheiten für die Verarbeitung von Kohlefasern werden berücksichtigt. Der Miniaturinnenmischer besitzt eine durchsichtige Mischkammer zur Beobachtung der internen Prozesse. An dem fertigen Aufbau werden Versuchsreihen mit Kohlefasern in Glycerin durchgeführt. Die Einflüsse von volumetrischem Faseranteil, Drehzahl und Mischdauer auf die resultierenden Faserlängen und die Durchmischung werden experimentell untersucht. Erste Modellansätze werden dargelegt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit analysiert.
Ursachen- und Auswirkungsidentifikation von Fehlstellen in direktextrudierten Organoblechen. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Faserverbunde konnten sich aufgrund ihrer gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften gegenüber klassischen Werkstoffen wie Metallen in der Industrie durchsetzen. Ihre Anwendung finden sie hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie in Windenergieanlagen und im Bootsbau. Insbesondere Faserverbunde mit einer duroplastischen Matrix konnten sich gut etablieren. Endlosfaserverstärkte Faserverbunde mit thermoplastischer Matrix sind dagegen weniger verbreitet. Ein Grund hierfür ist das mangelnde Verständnis der Herstellung und der sich daraus ergebenden mechanischen Eigenschaften. In der vorliegenden Masterarbeit wird der Zusammenhang von herstellungsbedingten Fehlstellen und mechanischen Eigenschaften von Organoblechen beschrieben. Es werden einlagige Organobleche mittels Direktextrusion hergestellt, diese auf Fehlstellen untersucht, um ihren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zu bestimmen. Hierfür werden Berechnungsmodelle zur Fehlstellenentstehung und mechanischen Eigenschaften erstellt. Neben Prozessparametern wie Schmelzetemperatur, Konsolidierungsdruck und Durchsatz werden auch Versuche mit unterschiedlichen Materialparametern durchgeführt. Es wird der Einfluss von verschiedenen Faser-Matrix-Kombinationen, Bindungsarten und Flächengewichten analysiert.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In der vorliegenden Master-Arbeit wurden Prozesseinflüsse der Kühlstrecke auf die Temperaturführung und die Absorption von Wasser bei der Polyamid-Compoundierung untersucht. In einer ausführlichen Literaturrecherche über die Struktur der Polyamide, das Kühlen von Extrudaten und den Mechanismus der Wasserabsorption werden Methoden zur Messung der Kristallinität und des relativen Wassergehaltes vorgestellt. Nach einer Analyse der Kühlstrecke, der in ihr wirkendem Wärmeüber-tragumgsmechanismen und der Wasserabsorption wird ein FEM-Modell generiert, welches den Temperaturverlauf des Extrudates beschreibt. Nach diesen Voruntersuchungen werden zwei Ansätze formuliert. Mittels DoE-Methode (Design of Experiments) führen diese zu unterschiedlichen Versuchskonzeptionen und -Durchführungen. In einer ersten Versuchsreihe wird die Kühlrate verändert und deren Effekt auf die Kristallinität und die Wasseraufnahme untersucht. In der zweiten Versuchsreihe wird der Effekt der Granulattemperatur auf die Wasserabsorption aus der Umgebungsluft analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse führen zu konstruktiven Maßnahmen zur Reduktion der Wasseraufnahme der Extrudate, sowie zu einer optimierten Temperaturführung innerhalb des Kühlprozesses
Analyse von Fehlstellenentstehungsmechanismen bei der Hinterspritzung von Naturfasermatten. - Ilmenau. - 113 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Der NFPP-Hybridprozess ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von naturfaserverstärkten Verkleidungsteilen und stellt eine Kombination aus Formpressen und Hinterspritzen dar. In dieser Arbeit wird die Entstehung von unterschiedlichen Fehlstellen beim NFPP-Hybridprozess betrachtet, um ein besseres Verständnis für deren Ursachen sowie Möglichkeiten zu deren Vorhersage und Vermeidung zu gewinnen. Nach der Analyse der physikalischen Grundlagen des NFPP-Hybridprozesses und Vorversuchen wurden Arbeitshypothesen erstellt, die die Entstehung von Glanzstellen, Abzeichnungen, Formabweichungen und Überspritzungen erklären können. Zur Bestätigung der aufgestellten Hypothesen wurden im Rahmen der durchgeführten Hauptversuche NFPP-Hybrid Probekörper mittels eines Versuchswerkzeugs hergestellt und hinsichtlich Fehlstellen untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass Glanzstellen in Form von oberflächigen PP-Anhäufungen durch eine lokal zu starke Verdichtung der aufgeheizten NFPP-Matte entstehen. Hell sichtbare Abzeichnungen des Spritzbildes resultieren aufgrund von Materialversagen der bereits erkalteten NFPP-Matte, welches durch die Druckbeanspruchung des Hinterspritzprozesses hervorgerufen wird. Fühlbare Einfallstellen auf der Sichtseite sind durch Schwindungseffekte der rückseitig angespritzten Strukturen zu erklären. Überspritzungen auf der Bauteilrückseite sind auf zu hohe Fülldrücke bei mangelnder Fließkanalabdichtung zurückzuführen. Alle genannten Fehlstellen können durch Variation der in dieser Arbeit untersuchten Material- und Prozessparameter in ihrer Ausprägung beeinflusst werden. Dies waren im Einzelnen: PP-Typ, NFPP-Mattenart, Grammatur, Bauteildichte, Kalibrierzusatz und Nachdruck. Durch eine geeignete Kombination der Parameter konnten Bauteile hergestellt werden, die nahezu keine sicht- oder fühlbaren Fehlstellen aufweisen.
Analyse der Haftungsmechanismen innerhalb der Grenzschicht thermoplastischer Sandwichverbunde. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die wirkenden Haftungsmechanismen innerhalb der Grenzschicht von thermoplastischen Sandwichverbunden. Der Fokus liegt auf einer Kombination aus einem Wabenkern aus Polypropylen (PP) und endlosfaserverstärkten Deckschichten aus Glasfasern und PP. Die Verschweißung beider Komponenten ermöglicht die Herstellung von Probekörpern für optische und mechanische Untersuchungen. Durch den 4-Punkt-Biegeversuch und den Trommelschälversuch werden sowohl die Grenzschicht als auch die mechanischen Eigenschaften der Kernverbunde analysiert. Die Nutzung der statistischen Versuchsplanung ermöglicht die Trennung der Effekte und eine Auswertung in Faktordiagrammen. Als Ergebnis entsteht ein quantitatives Modell, welches die Auswirkungen der Verfahrensparameter auf die vorliegenden Haftungsmechanismen beschreibt.
Bewertung von Recyclingmöglichkeiten für Verschnitt endlosfaserverstärkter thermoplastischer Halbzeuge. - Ilmenau. - 168 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ziel der Abschlussarbeit ist das Aufzeigen und Bewerten möglicher Strategien zum Recyceln von Organoblechverschnitten aus technischer und wirtschaftlicher Sicht. Im ersten Schritt werden der Zustand und die anfallende Menge an Verschnitten ermittelt. Anschließend erfolgt die Durchführung von Zerkleinerungsversuchen an verschiedenen Anlagen und die Beurteilung der Ergebnisse. Bei Verarbeitungsversuchen wird das Material zu Probekörpern verarbeitet, welche nachfolgend hinsichtlich der Faserlängen und mechanischen Eigenschaften geprüft werden.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Mit Hilfe von numerischen Strömungsberechnungen (Computational Fluid Dynamics) können Aufschmelzvorgänge, die bis heute nur teilweise experimentell nachvollzogen werden können, dargestellt werden. Am Beispiel der Plastifizierung von thermoplastischen Kunststoffen im Einschneckenextruder soll ein numerisches Aufschmelzmodell mit Ansys Polyflow erstellt werden. Ziel soll es sein, anhand dieses Modells genaue Untersuchungen des Aufschmelzvorganges zu ermöglichen. Nach einer Analyse bestehender analytischer und numerischer Aufschmelzmodelle erfolgt die Konzeption eines Aufschmelzmodells in Ansys Polyflow. In dieser werden die benötigten Geometrie-, Prozess- und Materialparameter genau analysiert und hinsichtlich der Auswirkungen von vereinfachten Annahmen diskutiert. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Abbildung der Materialdaten sowie des Feststoffbettes, in Form eines hochviskosen Fluids für die numerische Strömungssimulation, gelegt. Anschließend erfolgt die schrittweise Implementierung in Ansys Polyflow sowie die Diskussion der Ergebnisse und auftretender Problemstellungen.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Einschneckenextruder (ESEx) finden große Anwendung in Verarbeitungsprozessen von Kunststoffformteilen. Wie eine Pumpe gehört das Druck-Durchsatzverhalten zum wichtigen Charakter eines Einschneckenextruders. Das theoretische Verständnis dieses Verhaltens ist bei schmelzedominierten Bereiche (Kompressionszone und Meteringzone) eines ESEx erfolgreich validiert. Für die feststoffdominierten Bereiche (Einzugszone) fehlen die theoretischen Erfassungen dieses Verhaltens wesentlich. Ziel dieser Arbeit ist es, das Druck-Durchsatzverhalten in der Einzugszone von Einschneckenextrudern experimentell zu untersuchen und dieses Verhalten modelhaft zu beschreiben. In der vorliegenden Arbeit wird zuerst auf das theoretische Verständnis über den Massedurchsatz und den Druckaufbau in der Einzugszone für die Feststoffförderung eingegangen. Dabei werden folgende Einflussfaktoren auf den Druckaufbau in der Einzugszone festgestellt und soll experimentell untersucht werden: Steigungswinkel der Schnecke, Schneckenreibung, Kanalhöhe, innere Reibung der Granulate, Nutenanzahl Temperatur, Drehzahl und Lawinenwinkel. Anschließend wird ein Versuchsaufbau konzipiert und umgesetzt. Der neue Versuchsaufbau baut den Druck auf, indem die Einzugszone komplett geschlossen wird. Zur axialen Druckmessung dient eine Kraftmessdose. Schließlich werden die Versuche durchgeführt. Der Druckgradient aus den Messergebnissen wird als der Indikator für den Druckaufbau verwendet. Die Messergebnisse sind zu interpretieren und mit dem theoretischen Modell zu vergleichen.