Extrusion as an energy-efficient manufacturing process for thermoplastic organosheets. - In: Sheet Metal 2023, (2023), 43, S. 345-352
Organosheets combine the advantages of reinforcement fibers and thermoplastic polymers. By pairing these two materials, composites with outstanding mechanical properties and low densities can be produced. These semi-finished products can be further processed into complex and functionalized components by thermoforming or injection molding. There are a number of different manufacturing processes for continuous fiber reinforced thermoplastics (CFRT), however, most of them require long production times and recurrent melting of the polymer resulting in high energy and manufacturing costs. This study presents a novel extrusion process, that enables a continuous production of reinforced thermoplastic sheets with only one melting step. Due to the high energy efficiency and wide range of processible materials, this process shows a high potential for an economical production of CFRT. To investigate the extrusion process in more detail, the influence of the processing and the flow behavior of the polymer on the impregnation quality and the mechanical properties of the composites were studied. The results showed increasing fiber volume contents with lower polymer viscosities. Furthermore, higher die temperatures and pressures resulted in higher fiber volume contents and thus in higher mechanical properties. The experiments also revealed that a complete impregnation can currently not be achieved without an additional small double belt press due to the line load of the calender, the high viscosity of the melt and the short impregnation time.
https://doi.org/10.21741/9781644902417-43
Aushärteüberwachung von Klebstoffen durch luftultraschallinduzierte und geführte Wellen. - Ilmenau, 2023. - 1 Band (verschiedene Seitenzählung)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Klebstoffsysteme finden zunehmend Anwendung in den verschiedensten Industriesegmenten und substituieren oder ergänzen oftmals konventionell angewandte Verbindungsverfahren wie das Schweißen und Nieten. Gleichzeitig bestehen zahlreiche, genormte Prüfverfahren, um die Aushärtung von Klebstoffen zu charakterisieren. Diese beschränken sich auf die Untersuchung von Probenkleinstmengen im Labor auf Basis von z. B. rheologischen und kalorimetrischen Verfahren. Die dabei erzielten Ergebnisse können aufgrund ungleicher Rahmenbedingungen nicht direkt auf die Gegebenheiten in einem industriellen Produktionsumfeld übertragen werden. Die zu Grunde liegenden Ursachen sind vielfältig. In den meisten Fällen ist etwa ein direkter Messzugang zum Klebstoff bedingt durch die vorhandenen Fügepartner nicht gegeben und Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit weichen gleichermaßen wie die betrachtete Menge an Klebstoff von den genannten Laborprüfungen ab. Im industriellen Umfeld kaum etabliert, aber im Stand der Technik und Wissenschaft beschrieben, sind hingegen zerstörungsfreie Methoden zur Prüfung von applizierten Klebstoffen. Zu diesen gehören beispielsweise die Terahertz-, berührende Ultraschall- und Kernspinresonanztechnik. Wesentliche Nachteile wie eine nicht berührungslose Arbeitsweise, die die Untersuchung klebriger Oberflächen behindert, eine geringe Eindringtiefe, aus der Informationen gewonnen werden können, einschränkende Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit der untersuchbaren Materialsysteme sowie letztlich hohe Systemkosten sind Gründe für eine geringe Anwenderakzeptanz. Diesen Verfahren steht ein neuer Prüfansatz auf Basis mittels Luftultraschall induzierter, geführter Wellen entgegen. Dieser erlaubt eine verhältnismäßig kostengünstige, wegintegrale Aushärteüberwachung von Klebstoffen über lange Strecken hinweg, ohne einen direkten Zugang zum Klebstoff zu erfordern. Die vorliegende Dissertation erforscht das Messprinzip und die damit verbundenen Vor- und Nachteile, demonstriert unmittelbar die Verfahrenseignung durch Betrachtung unterschiedlicher Klebstoffsysteme, untersucht den Einfluss wesentlicher Prüfrahmenbedingungen, zeigt Anwendungsmöglichkeiten sowie erkannte Limitationen auf und bietet anschließend Umgehungsstrategien zur Überwindung der genannten Limitationen z. B. durch Anwendung von sogenannten Pulskompressionsmethoden an.
Application of capacitive sensors and controlled injection pressure to minimize void formation in resin transfer molding. - In: Polymer composites, ISSN 1548-0569, Bd. 44 (2023), 3, S. 1658-1671
Void formation as a result of irregular resin flow at the flow front is discussed and a practical method for reducing void formation during resin transfer molding (RTM) is introduced. In this study, a sensor system is developed for in situ measurement of resin velocity inside a closed cavity. Assisted by the acquired data, a resin injection system is augmented to automatically adjust the injection pressure and achieve a uniform flow front velocity. It is proven, that the developed system is suited to monitor the resin flow front and is able to sufficiently control flow velocity of a linear flow front. Test specimen produced by this method show significantly reduced void contents in comparison to a common resin transfer molding process.
https://doi.org/10.1002/pc.27195
Optical detection of void formation mechanisms during impregnation of composites by UV-reactive resin systems. - In: Journal of composites science, ISSN 2504-477X, Bd. 6 (2022), 11, 351, S. 1-15
During the impregnation of reinforcement fabrics in liquid composite molding processes, the flow within fiber bundles and the channels between the fiber bundles usually advances at different velocities. This so-called “dual-scale flow” results in void formation inside the composite material and has a negative effect on its mechanical properties. Semi-empirical models can be applied to calculate the extent of the dual-scale flow. In this study, a methodology is presented that stops the impregnation of reinforcement fabrics at different filling levels by using a photo-reactive resin system. By means of optical evaluation, the theoretical calculation models of the dual-scale flow are validated metrologically. The results show increasingly distinct dual-scale flow effects with increasing pressure gradients. The methodology enables the measurability of microscopic differences in flow front progression to validate renowned theoretical models and compare simulations to measurements of applied injection processes.
https://doi.org/10.3390/jcs6110351
Development of a production process for environmentally friendly and resource-efficient molded parts consisting of load-appropriate reinforced wood-plastic composites :
Entwicklung eines Herstellungsprozesses für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus lastgerecht verstärkten Holz-Kunststoff-Verbunden. - In: Zeitschrift Kunststofftechnik, Bd. 18 (2022), 4, S. 203-233
Dieser Beitrag beschreibt einen Herstellungsprozess für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus neuartigen Holz-Kunststoff-Verbunden (HKV). Bei der Herstellung von HKV werden anisotrope mechanische Eigenschaften von langen, schlanken Holzspänen (Strands) durch deren lastgerechte Positionierung auf dreidimensionaler Werkzeugoberfläche anwendungsoptimiert ausgenutzt und umweltverträgliche duro- als auch thermoplastische Kunststoffe als Alternative zu den konventionellen formaldehyd- oder isocyanathaltigen Bindemitteln eingesetzt.
https://dx.doi.org/10.3139/O999.01042022
Numerical simulation of the deformation behavior of softwood tracheids for the calculation of the mechanical properties of wood-polymer composites. - In: Polymers, ISSN 2073-4360, Bd. 14 (2022), 13, 2574, insges. 25 S.
From a fiber composite point of view, an elongated softwood particle is a composite consisting of several thousand tracheids, which can be described as fiber wound hollow profiles. By knowing their deformation behavior, the deformation behavior of the wood particle can be described. Therefore, a numerical approach for RVE- and FEM-based modelling of the radial and tangential compression behavior of pine wood tracheids under room climate environment is presented and validated with optical and laser-optical image analysis as well as tensile and compression tests on pine sapwood veneer strips. According to the findings, at 23 ˚C and 12% moisture content, at least 10 MPa must be applied for maximum compaction of the earlywood tracheids. The latewood tracheids can withstand at least 100 MPa compression pressure and would deform elastically at this load by about 20%. The developed model can be adapted for other wood species and climatic conditions by adjusting the mechanical properties of the base materials of the cell wall single layers (cellulose, hemicellulose, lignin), the dimensions and the structure of the vessel elements, respectively.
https://doi.org/10.3390/polym14132574
Berechnung des Elastizitätsmoduls von Verbundwerkstoffen unter Berücksichtigung der Adhäsion an der Faser-Matrix-Grenzfläche : ein Beitrag am Beispiel kurzfaserverstärkter Thermoplaste. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xx, 216 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 ˚C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern.
https://doi.org/10.22032/dbt.51472
Kohlefaserrecyclingprozess zu hochgefüllten Langfaserthermoplasten mittels Innenmischer (CFINMISCH) : Schlussbericht : Berichtszeitraum: Oktober 2018-November 2020. - Ilmenau : [Technische Universität Ilmenau]. - 1 Online-Ressource (39 Seiten, 2,83 MB)Förderkennzeichen BMBF 033RK064A-C
https://doi.org/10.2314/KXP:1811025706
Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (vi, 143 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Der Planetwalzenextruder hat sich als Spezialist unter den Compoundierextrudern für die Aufbereitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen etabliert. Im Vergleich zu anderen Extrusionssystemen ist der Kenntnistand zum Materialtransport, des Energieeintrags und des Aufschmelzens in der Maschine jedoch mangelhaft. Insbesondere analytische Modelle zur Beschreibung des Prozessverhaltens von Planetwalzenextrudern fehlen vollständig. Dies wird bei der Auslegung und Optimierung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder durch die steigende Komplexität der Prozesse zunehmend zum Problem. Diese Arbeit zum Thema "Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders" soll einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderung liefern. In der vorliegenden Arbeit wird eine mathematische Beschreibung der Geometrie- und Geschwindigkeitsverhältnisse im Planetwalzenextruder entwickelt. Darauf aufbauend werden Modellierungsansätze aus der Ein- und Doppelschneckenextrudertheorie an die Geometrie- und Prozessbedingungen des Planetwalzenextruders angepasst. Hierzu werden die Teilbereiche Materialförderung, Plastifizierung, Temperatur- und Leistungseintrag getrennt modelliert und anschließend gekoppelt. Experimentelle Betrachtungen werden dabei für die Modellbildung und Validierung genutzt. Damit steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das wichtige Prozesskenngrößen wie Druck, Temperatur, Aufschmelzgrad, Viskosität, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit entlang des Planetwalzenextruders bestimmen und darstellen kann. Für die untersuchten Materialien wird in den Berechnungen eine Vorhersageunsicherheit von etwa 20 % erreicht. Die entwickelten Modelle stellen damit einen ersten Schritt für eine simulationsunterstützte Auslegung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder dar.
https://doi.org/10.22032/dbt.50333
Qualitätsorientierte Prozessauslegung im Resin Transfer Molding. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (257 Seiten). - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 11)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Resin Transfer Molding (RTM) als Herstellungsverfahren für Faserverbundbauteile bietet die Vorteile kurzer Zykluszeiten und niedriger Fehlstellengehalte in Form von Poren. Die Realisierung dieser beiden Ziele ist jedoch nur möglich, wenn der Einfluss der Prozesskenngrößen auf den Fehlstellengehalt bekannt ist. Hierzu wird in der vorliegenden Arbeit ein Beitrag geleistet. Die Bildung von Poren findet während der Benetzung der Faserbündel an der Fließfront des Harzes statt. Dabei entstehen aufgrund von Permeabilitätsunterschieden sowie der Wirkung des Kapillareffekts Ungleichmäßigkeiten, die zum Einschluss von Luft führen. In bisherigen Untersuchungen wurden zur Abschätzung des Porengehalts stets statische Kenngrößen verwendet und es erfolgte keine ausreichende Berücksichtigung der Bündelgeometrie. Daher können Ergebnisse nicht zur Prozessoptimierung auf konkret vorliegende Fälle übertragen werden. Mit Hilfe hier neu entwickelter Bündeltränkungsmodelle, in denen der dynamische Kontaktwinkel zwischen Harz und Faser erstmals rechnerisch erfasst wird, werden zunächst die Vorgänge an der Fließfront beschrieben. Es wird aufgezeigt, dass der Kapillareffekt bei hohen Tränkungsgeschwindigkeiten nicht mehr vorantreibend, sondern hemmend wirkt. Die Tränkungsmodelle werden in Fehlstellenentstehungsmodelle für sphärische und zylindrische Poren überführt. Ein neuartiges Weibull-Modell liefert dabei die Viskositätsentwicklung des Harzes während der Injektionsphase. Im anschließenden praktischen Teil werden Prozessversuche innerhalb eines Versuchsraums aus unterschiedlichen Preforms durchgeführt, in denen gezielt Poren erzeugt werden. Die vorliegenden Prozesskenngrößen werden in einem Glaswerkzeug in-situ erfasst. Die Gehalte der wesentlichen Fehlstellenarten werden analysiert. Hieraus ergeben sich empirisch ermittelte Anpassungsfaktoren für die Fehlstellenentstehungsmodelle, die von Faserhalbzeug oder Benetzungsrichtung abhängig sind. Die Modelle sind damit auf weitere Halbzeuge übertragbar. Abschließend wird ein Algorithmus zur Bestimmung der Injektionsparameter auf Basis des zu erwartenden Fehlstellengehalts anhand eines Beispielbauteils präsentiert. Dieser gestattet eine Prozessoptimierung, die sowohl eine kurze Zykluszeit als auch einen niedrigen Fehlstellengehalt zum Ziel hat. Somit wird ein kostengünstiger und qualitativ hochwertiger RTM-Prozess ermöglicht.
https://doi.org/10.22032/dbt.47951