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Development of a novel method and apparatus for analysis of die dynamics of an isothermal thermoset pultrusion process
(2021) Selvarayan, Sathis Kumar; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Pultrusion is a continuous process to manufacture constant cross-sectional fibre reinforced composite profiles. The profiles take their shape as the continuously moving fibre-matrix combination consolidates inside the cavity of a pultrusion die. The temperature-induced viscosity and volumetric changes of the fibre-matrix during the consolidation as well as the friction between the die wall and the moving fibre-matrix generates shear and normal forces that act on the die wall - phenomena known as “die dynamics”. Quantification and analysis of the die dynamics are crucial to understand and control the pultrusion process. However, state-of-the-art methods available to characterise the pultrusion process have limited capability to record the forces that act on the die wall at each position along the length of the pultrusion die. Further, the on-line measurement techniques demand full-scale pultrusion line which, in general, are resource intensive. In addition, the available methodologies have not considered the impact of process additives on the die dynamics. This research work, therefore, focuses on developing a resource-efficient offline testing method to characterise the die dynamics of a thermoset pultrusion process and to pre-determine the required process parameters for a given fibre-matrix combination. In the newly developed approach, called rotating core method, pre-impregnated rovings wound on a solid core with defined fibre volume fraction rotates about the axis of the core inside a hollow cylindrical heated die. The rotational velocity of the rotating core is set to be identical to the line speed of the pultrusion process. The rotating fibre-matrix undergo temperature-induced polymerisation leading to the transformation of the fibre-matrix into a solid composite within the cylindrical die. This mimic the dominant phenomena that occur inside a pultrusion die in the pultrusion process. An apparatus developed within the scope of this work, the Die Dynamics Simulator (DDS), for the first time allows to continuously measure the torque exerted by the rotating fibre-matrix on the DDS die during the polymerisation process. The measured torque represents the resistive forces that arise within the die during the consolidation of the fibre-matrix combination. Evaluation of the curing kinetics and rheology of the resin formulations facilitates the characterisation of their polymerisation behaviour enabling identification of the components of the resistive forces. Further, this work investigates the influence of the following parameters on die dynamics using the developed apparatus: (1) die temperature, (2) velocity of the fibre-matrix, (3) contact area of the die and the fibre-matrix, (4) part thickness, (5) fibre volume fraction, and (6) process additive - internal mould release (IMR). Subsequently, the developed methodology is validated against the pultrusion process using a lab-scale pultrusion line. The results show the dependency of the resistive forces on the individual and the interactions between multiple parameters. More importantly, the experiments conducted with varying concentrations of IMR permitted to evaluate the implication of the mould release on the evolving resistive forces within the die. The results further provide insight at which phase of the polymerising matrix is the IMR most effective. Comparison of the measured forces on the DDS and from that measured on the pultrusion line show good fit for higher fibre volume fractions of the consolidated composite.
Open Access
Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung von Faserverbundwerkstoffen mittels piezoelektrischer Mehrlagengewebe
(2022) Hofmann, Paul; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Eine Form der Beschädigung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist die Delamination. Diese Beschädigung ist durch konventionelle, visuelle Prüfung oft nicht zu erkennen. Methoden, wie das zyklische Austauschen der Bauteile oder regelmäßige Inspektionen, sind zeitaufwendig und vor allem teuer. Daher soll in Zukunft Sensorik direkt in solche Bauteile integriert werden, um die Beanspruchung oder den Zustand der Bauteile kontinuierlich im Betrieb zu überwachen (Condition Monitoring bzw. Structural Health Monitoring). Herkömmliche, elektronische Sensorbauteile, integriert in einem FKV, stellen allerdings einen Fremdkörper in der textilen Verstärkungsstruktur dar und bilden daher eine mechanische Schwachstelle. Gleichzeitig gewinnen dreidimensionale Mehrlagengewebe als textile Verstärkung im FKV aus mechanischen, aber auch wirtschaftlichen Gründen immer mehr an Bedeutung. Diese Arbeit beschreibt daher die Entwicklung und Charakterisierung einer piezoelektrischen Biegesensorik auf Mehrlagengewebebasis als Teil der gewebten Verstärkungsstruktur von FKV. Weil die Verstärkungsstruktur an sich als Sensor fungiert, entstehen durch diese Sensorik keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Bauteileigenschaften durch Fehlstellen in der textilen Grundstruktur. Durch grundlegende Analysen zu Sensorprinzip und Sensoraufbau wird eine Methode entwickelt, wie textile Mehrlagenstrukturen partiell sensorisch ausgerüstet werden können. Die piezoelektrische Gewebestruktur wird auf eine möglichst gute sensorische Charakteristik bei möglichst geringem Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften hin entwickelt und optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann an verschiedenen Mehrlagengewebestrukturen umgesetzt, analysiert und verifiziert. Abschließend werden die Sensorsignale der gewebten Piezoelemente an einem mechanischen Berechnungsmodell validiert: Vom Signal der sensorischen Gewebestruktur kann direkt auf die Bauteilbeanspruchung geschlossen werden. Durch die entwickelte textile Sensortechnologie wird eine kontinuierliche Überwachung von dynamisch belasteten Bauteilen während des Betriebs ermöglicht. So können bspw. künftig mit Hilfe der Sensorik aus einer piezoelektrischen Mehrlagengewebestruktur eine mögliche Überlast während des Betriebs erkannt, eventuelle Beschädigungen vermieden bzw. detektiert und damit Wartungs-, Reparatur- und Stillstandkosten erheblich reduziert werden.
Open Access
Entwicklung und Analyse einer selbstkühlenden und substratunabhängigen Beschichtung für technische Textilien unter Nutzung der energiefreien Strahlungskühlung
(2024) Zimmermann, Lea; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und des städtischen Wärmeinseleffekts (UHI) ist der Bedarf an Kühlenergie insbesondere in städtischen Gebieten gestiegen und wird voraussichtlich auch in Zukunft weiter zunehmen. Bisherige konventionelle Kühlsysteme für Gebäude wie Klimaanlagen basieren auf thermodynamischen Kreisläufen, die einen großen Teil des Strombedarfs ausmachen und gleichzeitig Abwärme und Kohlendioxid (CO2) an die Umwelt abgeben. Technologien wie die Strahlungskühlung bieten eine nachhaltige und energiefreie Lösung, indem sie die Wellenlängenbereiche der Atmosphäre, die für elektromagnetische Strahlung transparent sind, das so genannte atmosphärische Fenster (8-13 µm), nutzen, um Wärmestrahlung in den kälteren (3 K) Weltraum abzugeben. Durch die Entwicklung von Beschichtungen, die selektiv Wärme durch die Atmosphäre abstrahlen und weniger Sonnenwärme absorbieren, ist eine Abkühlung unter die Umgebungstemperatur auch tagsüber möglich. Während sich bisherige Veröffentlichungen im Bereich der textilen Gebäudekühlung auf spezifische Faserstrukturen und textile Trägermaterialien sowie komplexe Mehrschichtaufbauten konzentrierten, was den Einsatz für hochskalierte Außenanwendungen einschränkt, zielt diese Arbeit auf die Entwicklung einer neuartigen, substratunabhängigen Beschichtung mit spektral selektiven Strahlungseigenschaften hin. Durch die detaillierte Abstimmung von Beschichtungsparametern wie der Partikelkonzentration, verteilung und -größe in Kombination mit niedrig emittierenden und solarreflektierenden Partikeln sowie einem stark im mittleren Infrarot emittierenden Matrixmaterial, wird eine substratunabhängige Kühlung unter die Umgebungstemperatur erreicht, gezeigt am Beispiel von drei für den Membran- und Zeltbau typischen Gewebetypen. Darüber hinaus ist die Beschichtung so konzipiert, dass sie einfach auf verschiedene textile Materialien appliziert werden kann und gleichzeitig eine geringe Dicke aufweist, um hohe Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten. Um die Funktionsweise des entwickelten Beschichtungssystems weiter zu validieren, wurden Tests im Freien mit einem konzipierten Messaufbau durchgeführt, um Temperaturunterschiede und Kühlleistungen unter realen Wetterbedingungen zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Beschichtung (zwischen 7-19 Uhr) an einem heißen Sommertag um durchschnittlich 2 °C unter der Umgebungstemperatur liegt. Darüber hinaus wird ein thermisches Modell an textile Materialien angepasst und validiert, um die Kühlleistung für verschiedene Wetterszenarien zu simulieren und zu berechnen. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger textilbasierter Kühltechnologien und bietet eine vielversprechende Lösung für den wachsenden Bedarf an energieeffizienter Kühlung in städtischen Umgebungen.
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Fortschritte im kernlosen Wickeln für eine digitale Prozesscharakterisierung
(2022) Mindermann, Pascal; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Das kernlose Wickeln ist ein aufstrebendes additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von duroplastischen Faserverbundstrukturen. Ein imprägniertes Faserbündel wird frei zwischen räumlich angeordneten punktförmigen Ankern frei aufgespannt, wodurch die Geometrie der herzustellenden gitterförmigen Bauteile definiert wird. In Verbindung mit der Automatisierung des Prozesses kennzeichnet diese Gestaltungsfreiheit das kernlose Wickeln als relevant unter den verfügbaren Leichtbautechnologien. Allerdings bedarf es noch mehrerer Weiterentwicklungen, um das Potenzial des kernlosen Wickelns für den Maschinenbau und die Architektur nutzbar zu machen. Im Maschinenbau werden effiziente Strukturen zur Erreichung der Klimaneutralität und hoch-leistungsfähige Strukturen für technische Innovationen benötigt. Hingegen besteht im Bauwesen aufgrund des Bevölkerungswachstums ein ansteigender Bedarf nach Gebäudeflächen, während die Produktivität jedoch infolge mangelnder Digitalisierung stagniert. Die technologische Verbreitung des kernlosen Wickelns wird durch die inhärenten Streuungen in Prozess- und Strukturparametern verlangsamt. Abweichungen im Material und Schwankungen in den Prozessparametern führen zu Unsicherheiten im Auslegungsprozess, welche durch eine Erhöhung der Sicherheitsfaktoren und des Ressourcenverbrauchs kompensiert werden. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Verbesserung der Charakterisierung des kernlosen Wickelprozesses. Dies wurde durch eine Weiterentwicklung der Methoden zur digitalen Erfassung umgesetzt, wobei das primäre Ziel in der Vergrößerung der Übereinstimmung zwischen dem digitalen Modell und dem physischen Gegenstück bestand. Durch die Implementierung von physikalischen und digitalen Anpassungen wurde das primäre Ziel erreicht. Zugleich wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Fortschritte in der Bauteilqualität und der Prozesseffizienz gemacht. Darüber hinaus wurde das Verfahren auf neue Funktionen und Anwendungen erweitert. Das kernlose Wickeln wurde ganzheitlich anhand von vier Forschungsansätzen betrachtet, welche auf das Fertigungssystem, das Materialsystem, die Lasteinleitung und die Datenverarbeitungsinfrastruktur ausgerichtet sind. Der kumulative Entwicklungsfortschritt, welcher anhand der Forschungsansätze aus den eingebundenen wissenschaftlichen Beiträgen gewonnen wurde, zeigt aufgrund der konsistenten digitalen Charakterisierung eine übergreifende Verbesserung in den Prozessbewertungskriterien. Zudem ermöglicht das vermehrte Verständnis über die Eigenheiten des kernlosen Wickelns eine effektivere Handhabung von zukünftigen spezifischen Anforderungen, indem die Entscheidungsfindung während des Auslegungsprozesses in allen Prozessaspekten vereinfacht wird.
Open Access
Grundlegende Ermittlung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Strukturknäuelprozess für technische Anwendungen
(2022) Haigis, Kathrin; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Die Strukturknäueltechnik ist eine Technologie, um hochautomatisiert und wirtschaftlich leichte Strukturbauteile herzustellen, bei denen das Garn auf allen Seiten des Dornkörpers abgelegt wird. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmalig die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Strukturknäuelprozess für technische Anwendungen. Hierfür werden die Einflussfaktoren auf die Strukturknäuelbildung erstmalig definiert und erarbeitet, zu denen neben den knäueltechnologischen Aspekten auch die Maschinenelemente Flyer und Dorn sowie die garnseitigen Einflussfaktoren gehören. Die technologischen Zusammenhänge stellen die Grundlage für ein Berechnungsmodell dar, das in der Arbeit erarbeitet wird. Anhand dieses Modells und der gezeigten recheneffizienten Strategien erfolgt eine auf Dornkörpergrundformen abgestimmte Berechnung der Ablagepunkte.
Open Access
Methodenentwicklung zur Konstruktion und Auslegung von endlosfaserverstärkten thermoplastischen Komponenten für die Automobilindustrie
(2017) Fürst, Fabian; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)
Diese Arbeit befasst sich mit einer Methode zur Auslegung und Dimensionierung von Faserverstärkten-Kunststoff-Verbund (FKV) Bauteilen, welche aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten bestehen. Der Fokus liegt dabei auf der Anwendung in der Automobilindustrie. Es wird eine Methode entwickelt und vorgestellt, anhand derer das Verhalten von Komponenten in Simulationsmodellen vorhergesagt werden kann. Die hier erarbeitete Vorgehensstrategie setzt sich dabei in erster Linie aus einzelnen Entwicklungsschritten zusammen, wie sie heute bei der Entwicklung von herkömmlichen FKV-Komponenten mit duromeren Matrixsystemen und Spritzgusskomponenten mit thermoplastischem Kunststoff verwendet werden.