04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Bestimmung des Elastizitätsmoduls von Kunststoffen bei hohen Dehnraten am Beispiel von PP(2006) Keuerleber, Martin; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung des E-Moduls bei hohen Dehnraten und hierfür ein kos-tengünstiges Prüfverfahren mit hoher Messqualität und Reproduzierbarkeit zu entwickeln. Dazu werden zwei verschiedene Ansätze untersuch. Direkte Bestimmung des E-Moduls aus uni-axialen Zugversuchen: Bei der direkten Bestimmung des E-Moduls wird dieser manuell bzw. automatisiert aus Spannungs-Dehnungs-Kurven von Zugversuchen ermittelt. Uni-axiale Zugversuche wurden bei verschiedenen Geschwindigkeiten (0,0001 m/s bis 8 m/s) und Temperaturen (-10 °C bis 40 °C) durchgeführt. Dazu wurde eine neue Versuchsvorrichtung für Schnell-zerreißversuche (Geschwindigkeit > 0,001 m/s) entwickelt und gebaut sowie eine Versuchsdurchführung und –auswertung erarbeitet. Einflussfaktoren auf die Versuchsergebnisse wurden untersucht, insbesondere die Messung des Prellschlags mittels Beschleunigungssensoren und die Dehnungsberechnung mit der reduzierten Einspannlänge nach DIN 53455. Die manuelle Auswertung des E-Moduls im linearelastischen Bereich (Bereich mit konstanter Steigung) ist personenabhängig und nicht reproduzierbar. Durch eine Optimierung konnte sie als Referenz für das automatisierte Auswerteverfahren verwendet werden. Indirekte Bestimmung des E-Moduls aus Schub- und Kompressionsversuchen: Bei der indirekten Bestimmung wird der E-Modul mit Hilfe der FEM-Software MARC® berechnet. In der Software wurde ein allgemeines viskoelastisches Maxwell-Modell über eine User-Subroutine implementiert und die Parameter der Maxwell-Elemente aus Schub- und Kompressionsversuchen bestimmt. Die Schubmodule wurden frequenz- und temperaturabhängig gemessen, daraus eine Mas-terkurve erzeugt und diese in ihr Relaxationsspektrum und die Verschiebefaktoren aTS zerlegt. Für die Anpassung der Verschiebefaktoren wurde ein neuer empirischer Ansatz über eine Arkustangens-Funktion erarbeitet, da WLF- und Arrhenius-Funktionen nicht anwendbar waren. Eine Versuchsvorrichtung wurde entwickelt und gebaut, um den Kompressionsmodul aus Relaxations-Isothermen zu gewinnen. Entsprechend den Schubversuchen wurde eine Masterkurve erzeugt und für die Anpassung der Verschiebefaktoren ein Ansatz mittels Arkustangens-Funktion verwendet. Die Verschiebefaktoren aTK aus den Kompressions-versuchen unterscheiden sich von denen aus den Schubversuchen. Für Geschwindigkeiten größer 0,3 m/s sind die mit der Simulation ermittelten E-Module um bis zu 20 % kleiner gegenüber dem manuellen Verfahren. Dies ist einerseits auf das nichtlineare Materialverhalten von iPP und andererseits auf die nicht vorhandene Volu-menkonstanz zurück zu führen. Somit gewinnen die automatisierten Auswerteverfahren zur direkten Bestimmung des E-Moduls an Bedeutung. Es wurde ein neuer Ansatz gefunden, der dem Einlaufverhalten der Spannungs-Dehnungs-Kurven aus den Schnellzerreißversuchen gerecht wird. Die untere Grenze des Auswerteintervalls repräsentiert den Wendepunkt der Kurve, der mittels Differen-zenquotienten berechnet wird. Die Größe des Auswerteintervalls ist konstant und wurde em-pirisch ermittelt, damit ist auch die obere Grenze des Intervalls definiert. Die Abweichung zum manuellen Auswerteverfahren ist im Allgemeinen kleiner 10 %. Die Übertragbarkeit des Auswerteverfahrens wurde an einem Airbag-Cover-Material und an einem Langglasfaser verstärkten PP-Material (PP-LGF) überprüft. Für das steifere Material (PP-LGF) war die Übertragbarkeit gegeben, da die Intervallgröße passend war. Für das weni-ger steife Material (Airbag-Cover-Material) musste die Intervallgröße angepasst und vergrößert werden. Eine allgemeine Anwendbarkeit auf beliebige Materialien bei angepasster Inter-vallgröße ist gegeben.Item Open Access Einfluss der Verarbeitungsparameter beim Thermoformen auf Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften von Polyethylenterephthalat(2008) Liebing, David; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Das Thermoformen ist ein seit langem etabliertes, wenngleich relativ unbekanntes und technologisch nicht sehr weit fortgeschrittenes, Fertigungsverfahren. Einstellungen von Prozessparametern und sogar Weiterentwicklungen finden auf Basis jahrelanger Erfahrungs-werte statt bzw. werden empirisch ermittelt. Hier ist eine Sättigungsgrenze erreicht worden, d.h. weitere Entwicklungen sind nur noch mit großem Aufwand durchzuführen. Um den Bedürfnissen des Marktes gerecht zu werden oder sogar neue Märkte zu erschließen, ist es notwendig, den Thermoformprozess reproduzierbarer zu gestalten und eingehender zu untersuchen. Neueste Trends in der Maschinenbauindustrie (instrumentierte Maschinen, Einführung von Maschinenregelungen statt –steuerungen, ...) weisen in die richtige Richtung. In dieser Arbeit wurden Formteile in einem Verfahren hergestellt, das dem Thermoformen in industriellem Maßstab ähnelt, aber bezüglich der Temperaturführung sowie der Umform-geschwindigkeit wesentlich definierter ist. Hierzu ist eine servohydraulische Universal-maschine zum Einsatz gekommen, die Temperierung des Halbzeuges wurde mittels Konvektion anstelle der industriell üblichen Infrarotstrahlung vorgenommen. Durch Variation der Prozessparameter in einem sehr weiten Bereich ist sichergestellt, dass alle relevanten Einstellungen abgeprüft werden konnten. Die auf diese Art und Weise definiert hergestellten Formteile sind hinsichtlich ihrer Mikrostruktur sowie ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht worden. Diese Werkstoff-kennwerte wurden in Zusammenhang mit den Verarbeitungsparametern gebracht, wodurch relevante Parameter identifiziert werden konnten. Zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften konnte kein direkter Zusammenhang hergestellt werden. Um eine Vorhersage der für die Auslegung der Formteile wichtigen mechanischen Kennwerte treffen zu können, ist zunächst ein etabliertes Werkstoff-modell verwendet worden. Da dieses keine befriedigenden Ergebnisse liefert, ist eine Erweiterung des Modells um die Orientierungskennwerte sowohl der amorphen als auch der kristallinen Phase eingeführt worden. Dadurch konnte die innere Anisotropie der vorliegenden Proben berücksichtigt werden. Zur Vorhersage sowohl der mechanischen Eigenschaften als auch der Mikrostruktur als Funktion der Prozessparameter wurde der phänomenologische Ansatz der multiplen nichtlinearen Regression gewählt. Die Ergebnisse dieser Versuchsanalyse sind zufrieden-stellend und ermöglichen die direkte Vorhersage sowohl der mechanischen Eigenschaften als auch der Mikrostruktur, die wiederum weitere wichtige Formteileigenschaften wie Optik oder Barriereeigenschaften beeinflusst.Item Open Access Werkstoff- und Verfahrensentwicklung für Kunststoffbauteile aus naturfaserverstärkten Thermoplasten(2009) Schäfer, Dirk Franz Johann; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit werden alle Aspekte eines naturfaserverstärkten Verbundkunststoffes (NFVK) behandelt. Die Werkstoffentwicklung erfolgt mit der Zielsetzung, diesen Verbundkunststoff möglichst weitgehend auf Basis nachwachsender Rohstoffe darzustellen. Die ermittelten, auf ein spezielles Anforderungsprofil aus der Automobilindustrie maßgeschneiderten Rezepturen werden mit Hilfe eines innovativen Matrizenpressverfahrens zu einem Granulat geformt. Die Formgebung erfolgt dann mittels des etablierten Spritzgieß- oder Strangablegeverfahrens. Abschließend wird das Recycling der Werkstoffe untersucht und diskutiert. Am Anfang der Werkstoffentwicklung steht eine Beschreibung der zur Verbundwerkstoffgenerierung verwendeten Ausgangskomponenten. Nach einer Darstellung der zur Komponenten- und Additivauswahl herangezogenen Kriterien werden auf dieser Basis verschiedene Polypropylene, Cellulosepropionate und Polyamid 11 selektiert. Als Verstärkungsfasern werden Flachs-, Hanf- und Jutefasern herangezogen. Für Rezepturen aus Polypropylen und Naturfasern wird weiterhin maleinsäureanhydridgepfropftes Polypropylen als Additiv zur Verbesserung der Faser-Matrix-Wechselwirkung eingesetzt. Variationen der Verbundkunststoffrezepturen können weiterhin durch die Wahl verschiedener Polypropylen- und Cellulosepropionattypen herbeigeführt werden. Dabei wird der Zusammenhang zwischen Eigenschaften von Ausgangskomponenten und Produkten anhand des Vergleichs verschiedener ausgewählter Rezepturen erarbeitet. Der Zug-Elastizitätsmodul ausgewählter Rezepturen wird mittels einer mikromechanischen Modellierung analytisch beschrieben. Beim Vergleich berechneter und gemessener Werte ergibt sich eine gute Übereinstimmung der Daten. Dieser Vergleich erlaubt weiterhin eine Schlussfolgerung auf maximal mögliche Fasergehalte, wie sie für manche Anwendungsfälle in der Praxis angestrebt werden. Mechanische Kennwerte, die einer analytischen Modellierung nicht ohne Weiteres zugänglich sind, werden für ausgewählte Rezepturen mittels multipler Regression beschrieben. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis kann hier durch Modifikationen der Regressionsgleichungen verbessert werden. Eine Vereinfachung der Gleichungen sichert gleichzeitig ihre praxisgerechte Anwendbarkeit. Als Ergebnis der theoretischen Betrachtungen können Verbundkunststoffrezepturen aus naturfaserverstärkten Thermoplasten im Hinblick auf ein gegebenes Anforderungsprofil bezüglich der mechanischen Kennwerte maßgeschneidert werden. Zum Abschluss der Werkstoffentwicklung werden Rezepturen aus naturfaserverstärktem Polypropylen, Cellulosepropionat und Polyamid 11 einander vergleichend gegenübergestellt. Sie weisen den Weg zu einem Faserverbundkunststoff, der das gegebene Anforderungsprofil erfüllt und überwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden kann. Als Aggregat zur Aufbereitung naturfaserverstärkter Verbundkunststoffe wird der sogenannte Agglomerator vorgestellt. Hierbei handelt es sich um eine Ringmatrizenpresse, die mit einer Schneidmühle kombiniert ist. Grundlage für die Untersuchung dieser Aufbereitungstechnik bildet die Optimierung der Zudosierung von kurzen Schnittfasern. Durch eine Regelung der Zuführschneckendrehzahl anhand der Stromaufnahme des Aufbereitungsaggregats kann eine hervorragende Langzeitkonstanz der Faserdosierung erreicht werden. Die aufgrund von Faseragglomerationen kurzzeitig schwankende Faserdosierung wird durch die physikalische Ver¬mischung der Rezepturbestandteile im Arbeitsraum der Ringmatrizenpresse zumindest teilweise kompensiert. Das Resultat ist eine hinreichend robuste Prozessführung mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit des Fasergehalts im Produkt. Ein besseres Verständnis des Aufbereitungsprozesses wird durch eine Beschreibung der Strömungsvorgänge im Arbeitsraum der Ringmatrizenpresse sowie in den zylindrischen Matrizenbohrungen gewonnen. Es zeigt sich, dass insbesondere die thermische Schädigung der Naturfasern aufgrund der kurzen Verweilzeiten im Aufbereitungsaggregat weitgehend vermieden werden kann. Weiterhin wird der Einfluss von Eigenschaften der Ausgangskomponenten und Prozessparametern auf Produkteigenschaften und Betriebsparameter geklärt. Durch Ermittlung der Faserlängenverteilung im Produkt wird die geringe Faserschädigung bei der Verarbeitung von Naturfasern in der Ringmatrizenpresse nachgewiesen. Faserbündel werden dennoch vereinzelt, woraus hohe mechanische Eigenschaften des Faserverbundkunststoffs resultieren. Besonders deutlich wird dies anhand des Vergleichs mit der Aufbereitung in einer Flachmatrizenpresse als alternativem Aufbereitungsverfahren. Das weitere Potenzial des Agglomerators als Aggregat zur Aufbereitung von Granulaten aus naturfaserverstärkten Kunststoffen wird schließlich durch Versuche auf einer Großanlage bestätigt. Hier können noch deutlich geringere Faserschädigungen während der Aufbereitung realisiert werden. Die Formgebung des aufbereiteten Granulats erfolgt mittels des Spritzgieß- oder des Strangablegeverfahrens. Die verfahrensspezifischen Gegebenheiten im Hinblick auf die Faserschädigung und -verteilung werden diskutiert. Dazu wird zunächst der Einfluss von Prozessparametern des Spritzgießens auf die Faserschädigung erörtert. Anschließend werden die Spezifika beider Verfahren im Hinblick auf Faserschädigung, -verteilung und orientierung im Produkt gezeigt. Anhand von ausgewählten Demonstrationsbauteilen wird schließlich die Eignung des Werkstoffs und der vorgestellten Prozesskette für Anwendungen im Automobilbereich nachgewiesen. Nach dem Ende des Produktlebenszyklus können naturfaserverstärkte Thermoplaste problemlos und ohne wesentliche Eigenschaftsänderungen werkstofflich rezykliert werden. Dies wird anhand des Verfahrens der Extrusion auch über mehrere Recyclingdurchläufe mit anschließender Wiederverarbeitung gezeigt. Die Faserlängenreduktion kann über die einzelnen Recycling- und Wiederverarbeitungsschritte anhand ausgewählter Abbaualgorithmen theoretisch beschrieben werden. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den in der Praxis gefundenen Gegebenheiten.Item Open Access Prognose von Umweltauswirkungen bei der Entwicklung chemischer Anlagen : ein Beitrag zur ganzheitlichen Bilanzierung(2005) Kupfer, Thilo; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Auf der Basis von Methoden zur Prognose von ökonomischen Auswirkungen chemischer Anlagen, der Methodik der Ökobilanzierung und der verfahrenstechnischen Grund-operationen wird eine Vorgehensweise zur Prognose von ökologischen Auswirkungen in der Vorstudie zur Verfahrensentwicklung bei chemischen Anlagen entwickelt. Sie ist angepasst an den Stand der Verfahrensentwicklung, der durch Informationsmangel und eine hohe Zahl von Lösungsmöglichkeiten gekennzeichnet ist. Grundlage der Methode ist die Ökobilanz mit ihrer Abfolge von Modellbildung, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Bewertung. Es werden Stoff- und Energieströme prognostiziert, die direkt in die Wirkungsabschätzung eingehen können. Die prognostizierten Größen sind so für eine Bewertung nach in der Ökobilanz üblicherweise verwendeten Methoden geeignet. Der hohe Datenbedarf als Schwäche der Ökobilanz für den Einsatz in frühen Phasen der Verfahrensentwicklung wird durch den Einsatz von Kennzahlenmethoden vermindert. Systemraum der Prognose ist das betrachtete Verfahren. Der Aufwand zur Informations-beschaffung ist für diesen Systemraum handhabbar. Um die Genauigkeit der Prognose zu erhöhen, wird das Verfahren in seine Grundoperationen unterteilt und diese werden einzeln prognostiziert. Dazu wird ein Ordnungssystem der Grundoperationen verwendet, das innerhalb der Hauptgruppen die Grundoperationen anhand des Aggregatzustandes der eintretenden Stoffe unterscheidet. Dieses Ordnungssystem wird entsprechend der Anforderungen der ökologischen Analyse modifiziert, indem chemische Stoffumwandlungen und diffuse Emissionen in die Systematik aufgenommen werden. Nach einer ökologischen Relevanzanalyse für den Bereich der organischen Grundstoffchemie und der kunststofferzeugenden Industrie werden Kennzahlen gebildet, die den Arbeits-aufwand zur Erhebung von benötigten Informationen vermindern. Es handelt sich dabei um Kennzahlen für Emissionen von Feststoffen in Luft, diffuse gasförmige Emissionen in Luft und Energiebedarf (thermische Energie und Strom). Abschätzungsrechnungen erleichtern die Bestimmung der ökologischen Relevanz für den Bau der Anlage und die Mitarbeiter. Die Vorgehensweise bei der ökologischen Prognose wird am Beispiel des Polymerisations-verfahrens für die Herstellung eines aliphatischen Polyesteramid Block-Copolymers in die Praxis umgesetzt. In diesem Beispiel wird nach Expertenschätzung eine Abweichung von 10 % zum prognostizierten Ergebnis erzielt. Dies ist vergleichbar mit der Genauigkeit von ökonomischen Prognosemethoden in der Vorstudie zur Verfahrensentwicklung. Es wird gezeigt, dass ökologische und ökonomische Aspekte parallel analysiert und die Ergebnisse zur Entscheidungsunterstützung bezüglich der Wahl des Polymers und der Herstellungsroute genutzt werden können.Item Open Access Simulation des Underfill-Prozesses bei Flip Chip-Anwendungen(2009) Häußermann, Tanja; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Flip Chips sind elektronische Bauteile, die über leitfähige Höcker, so genannte Bumps, mit der aktiven Seite nach unten direkt auf dem Träger kontaktiert werden. Am häufigsten werden die Chips mit Hilfe von Lotbumps mit organischen Substraten verbunden. Nach dem Löten wird der Spalt zwischen Chip und Substrat komplett mit einem nicht leitfähigen Klebstoff, dem so genannten Underfiller, aufgefüllt. Der flüssige Underfiller wird entlang einer oder mehrerer Chipkanten appliziert, durch Kapillarwirkung in den Spalt gezogen und anschließend ausgehärtet. Die Hauptaufgabe des Underfiller ist es, mechanische Spannungen zu reduzieren, die bei Temperaturbelastung aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Flip Chip und organischem Substrat in den Lotbumps entstehen. Daher ist die Chipunterfüllung entscheidend für die Zuverlässigkeit des Verbunds. Blasen im Underfiller können sich negativ auf die Zuverlässigkeit der Lotstellen auswirken. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe von Strömungssimulationen und Experimenten die Entstehung von Fließblasen beim Unterfüllen von Flip Chips untersucht. Es wurden Methoden zur Modellierung des Underfill-Prozesses und des Fließverhaltens des Underfillers entwickelt. Das Ziel der Arbeit war es, die Mechanismen zu verstehen, die zur Bildung von Fließblasen führen, und die Parameter zu identifizieren, welche die Blasenbildung beeinflussen. Dadurch können in zukünftigen Flip Chip-Anwendungen die Geometrien von Flip Chip und Substrat sowie die Prozessführung im Hinblick auf die Underfill-Qualität optimiert werden. In bereits bestehenden Anwendungen können die Prozessparameter für die gegebenen Baugruppengeometrien optimiert werden. Der verwendete Underfiller besteht aus einem anhydridhärtenden Einkomponenten-Epoxdidharz, gefüllt mit einem relativ geringen Anteil von SiO2-Füllstoffpartikeln. Die Viskosität des flüssigen Underfillers wurde mit einem Kegel-Platte-Rotationsrheometer gemessen. Die Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit wurde unter der Annahme einer homogenen Füllstoffverteilung im Underfiller mittels einer Carreau-Yasuda-Approximation beschrieben. Zur Beschreibung des Benetzungsverhaltens wurden die Grenzflächenspannung sowie die Kontaktwinkel des Underfillers auf allen im Verbund relevanten Oberflächenmaterialien ermittelt. Zur Simulation des kapillaren Fließens wurde das Programm Fluent ausgewählt. In einem ersten Schritt wurde in Simulation und Experiment die Fließlänge über der Fließzeit des Underfillers in einem einfachen ebenen Spalt ermittelt. Die in der Simulation ermittelten Werte geben die experimentellen Ergebnisse gut wieder. Somit sind die verwendeten Modellierungsansätze für die nachfolgenden Untersuchungen grundsätzlich geeignet. In Experimenten wurde bei bestimmten Strömungsverhältnissen ein Aufbau innerer Strukturen zwischen den Füllstoffpartikeln beobachtet. Da diese Strukturen aber nur bei sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten und bei Beschleunigung der Strömung wieder aufbrechen ist dieses Phänomen für Strömungszustände, in denen Fließblasen entstehen, nicht relevant. Ein Einfluss der Partikelmigration, wie er in der Literatur beschrieben wird, konnte bei dem verwendeten Underfiller wegen seines relativ geringen Füllstoffgehalts nachweislich vernachlässigt werden. Bei der Simulation des Underfill-Prozesses wurde die bewegte Dosiernadel in der Simulation mit Hilfe einer benutzerdefinierten Unterroutine modelliert. In einer Parameterstudie auf der Basis von CFD-Ergebnissen wurde der Einfluss von Material-, Geometrie- und Prozessparametern auf die Entstehung von Fließblasen bei peripher kontaktierten Flip Chips untersucht. Als blasenfördernd erwiesen sich ein tiefer Lötstopplackgraben, eine geringe Spalthöhe, ein großer Abstand der Bumps von der Chipkante sowie ein nahe der Chipecke liegender Startpunkt der Dosiernadelbewegung. Die Simulationsergebnisse wurden durch experimentelle Ergebnisse bestätigt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung zwischen Nadelstartpunkt und Spalthöhe sowie die Wechselwirkung zwischen Nadelstartpunkt und Abstand von Bump zu Chipkante einen signifikanten Einfluss auf die Entstehung von Fließblasen haben. Mit Hilfe der Simulation konnte nachgewiesen werden, dass durch den Ersatz des durchgängigen Lötstopplackgrabens durch einzelne runde Lötstopplackaussparungen das Risiko des Blaseneinschlusses verringert werden kann. Auch für flächig kontaktierte Flip Chips wurde der Einfluss verschiedener Geometriekonfigurationen auf die Blasenbildung untersucht. An Durchkontaktierungen oder Micro-Vias steigt das Risiko der Blasenentstehung mit abnehmender Spalthöhe und zunehmender Tiefe der mit Lötstopplack abgedeckten Durchkontaktierung. An den Lötstopplackaussparungen steigt das Risiko der Blasenentstehung mit abnehmender Spalthöhe und zunehmender Tiefe der Aussparung sowie bei zunehmender Breite der Lötstopplackaussparungen.Item Open Access Polylactide - Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen für neue Anwendungen(2000) Jacobsen, SvenIn den vergangenen Jahren haben gesellschaftlich geprägte Gründe aus völlig unterschiedlichen Richtungen die Förderung der Verwendung von Biopolymeren auch im Verpackungssektor forciert und werden in den folgenden Jahren die Einführung solcher Kunststoffe in unterschiedlichen Anwendungsgebieten fördern. Bedingt durch die wachsenden Entsorgungsprobleme des Wohlstandsmüllberges, der mangels Fläche in Europa kaum mehr deponiert werden kann, der andererseits aufgrund öffentlicher Akzeptanzprobleme aber auch nicht verbrannt werden soll, traten in letzter Zeit Biopolymere in den Vordergrund der Überlegungen zur Reduzierung der Verpackungsmüllmengen. Biopolymere können nach Gebrauch durch die kombinierte Einwirkung von Wärme, Feuchtigkeit und Mikroorganismen in ihre Grundbestandteile zerlegt werden. Sicher sind die in Europa im Aufbau befindlichen Kompostieranlagen nicht in der Lage, große Mengen Biopolymere sofort aufzunehmen und umzusetzen, doch haben sie den entscheidenden Vorteil, sich in allen bekannten Entsorgungswegen wie Deponierung, Verbrennung, Kompostierung, sogar im Recycling unkritisch zu verhalten.Item Open Access Induktions-Lockin-Thermografie : ein neues Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung(2007) Riegert, Gernot; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Qualitätssicherung von Bauteilen erfordert eine zuverlässige Defekterkennung (z.B. bei Inspektions- und Wartungsarbeiten), die jedoch durch die Anzeige intakter Bauteilstrukturen erschwert wird. Wenn selektiv nur Defekte auf die Anregung ansprechen, werden intakte Strukturen unterdrückt und somit die Wahrscheinlichkeit zur Defekterkennung ("Probability of Defect Detection" POD) erhöht. Die 1995 am IKP-ZfP entwickelte ultraschallangeregte Lockin-Thermografie (ULT) ist ein solches Verfahren, dessen Nachteil allerdings eine nicht kontaktfreie Anregung ist. Eine kontaktfreie und dennoch defektselektive Anregung ist die induktive Erwärmung durch Wirbelströme (Ohmsche Verluste). Die Wirbelströme erwärmen Defektstellen innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe lokal stärker als ungeschädigte Bauteilbereiche. Stand der bisherigen Technik ist die Transienten-Thermografie mit pulsartiger Induktionsanregung. Bei ihr wird zur Auswertung das Bild des stärksten Kontrasts aus der aufgenommenen Abkühlungssequenz untersucht. Impulsangeregte Transienten-Thermografie hat den Vorteil einer kurzen Messzeit, allerdings sind die Ergebnisbilder durch inhomogene Erwärmung, wie sie bei induktiver Erwärmung häufig auftritt, und lokale Variation des Emissionskoeffizienten stark beeinflusst. Durch Anwendung der Lockin-Thermografie Methode auf die induktive Erwärmung werden die Nachteile der Transienten-Thermografie überwunden ("Induktions-Lockin-Thermografie" ILT). Im Gegensatz zur Transienten-Thermografie werden bei ILT die Wirbelstromamplituden (Frequenz von 30 bis 300 kHz) sinusförmig moduliert (zwischen 0,01 und 1 Hz), ähnlich der Amplitude bei ultraschallangeregter Lockin-Thermografie, während eine Infrarotkamera eine Infrarotbildsequenz über mehrere Anregungsperioden aufnimmt. Eine pixelweise Fouriertransformation der Sequenz berechnet dann ein Amplituden- und ein Phasenbild. Die Vorteile - speziell der Phasenbilder - sind dieselben wie bei den anderen Lockin-Thermografie Methoden: im Vergleich zu einzelnen Infrarotbildern haben die ILT-Phasenbilder ein erheblich verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis, und Temperaturgradienten werden unterdrückt. Außerdem ist die Tiefenreichweite an metallischen Werkstoffen mit ILT (begrenzt durch die thermische Eindringtiefe) im Vergleich zur konventionellen Wirbelstromprüfung, die durch den "Skin Effekt" begrenzt ist, deutlich gesteigert. Am IKP-ZfP wurde im Rahmen eines DFG-Projekts eine ILT-Anlage konzipiert und aufgebaut. Sie wurde anschließend an verschiedenen Materialien und Fehlerarten erprobt und optimiert. Nach der theoretischen Herleitung der ILT-Tiefenreichweite wurde der tatsächliche Einfluss elektrischer und thermischer Materialeigenschaften auf die Tiefenreichweite an Modellproben untersucht. Eine weitere experimentelle Fragestellung war die Auflösungsgrenze von ILT bei der Defekterkennung. Neben der Inspektion von Modellproben wurde ILT auch zur Prüfung von Praxisbauteilen herangezogen. Die Palette der detektierten Fehlerarten ging von Oberflächenrissen (z.B. Ermüdungsrisse, Haarrisse) und Fügefehlern (z.B. Klebungen, Schweißungen) metallischer Bauteile bis zu Delaminationen und Impactschädigungen kohlefaserverstärkter Laminate, wie sie zunehmend in der Luft- und Raumfahrt relevant werden (z.B. CFK, C/C-SiC). Die ILT-Ergebnisse wurden auch mit den Ergebnissen anderer am IKP-ZfP vorhandener moderner ZfP Verfahren verglichen. Dabei zeigte sich, dass ILT bei Defekten innerhalb der Wirbelstromeindringtiefe ähnlich defektselektive Ergebnisse liefert wie andere "Dunkelfeldmethoden" (z.B. ultraschallangeregte Thermografie und nichtlineare Vibrometrie), jedoch mit dem großen Vorteil einer berührungslosen Anregung.Item Open Access Steifigkeitsberechnung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten auf der Basis von Faserorientierungs- und Faserlängenverteilungen(2009) Radtke, Andreas; Eyerer, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Faserverstärkte Thermoplaste haben vor allem im Automobilsektor eine wachsende Bedeutung als Werkstoffe. Stand-der-Technik Verfahren bei der Verarbeitung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten, speziell der langfaserverstärkten Thermoplaste (LFT), ist der Einsatz von glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT) und Stäbchengranulaten (LFT-G). Daneben gewinnen Direktverfahren (LFT-D) an Bedeutung, bei denen die Bauteile direkt aus den Komponenten Glasfasern, Polymere und Additive compoundiert und ohne Zwischenschritt direkt im Fliesspress¬verfahren geformt werden. Das in dieser Arbeit verwendete Direktverfahren setzte Schnittglas als Verstärkungsfasern ein, um mit einer definierten Faserlängen¬verteilung mit Durchschnittswerten im Bereich zwischen 1 mm – 5 mm zu beginnen. Infolge des Fliesspressprozesses bildet sich durch die sich einstellende Faser-orientierung eine Anisotropie der mechanischen Eigenschaften aus. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Berechnungsmethodik entwickelt, um die anisotropen Steifigkeitseigenschaften von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplast-Bauteilen zu bestimmen. Die Berechnungsmethodik stützt sich auf die Berücksichtigung von Faserorientierungs- und Faserlängenverteilungen. Dazu erfolgte eine umfassende Charakterisierung der Faserorientierung mittels Steifigkeitsuntersuchungen von Biege- und Zugronden und mittels Röntgenanalysen. An den Fasern wurde eine Längenmessung vorgenommen und die so erhaltenen Faserlängenverteilungen (FLV) systematisch in die Auslegung integriert. Der Einsatz von FE-Simulationstechniken beinhaltete die Prozesssimulation zur Beurteilung von Formfüllung und Faserorientierungsberechnung und die anschließende strukturelle FE-Simulation der Probekörper und Bauteile. Damit konnten die aus der Faserorientierungsberechnung errechneten Steifigkeiten mit Versuchsergebnissen verglichen werden. Der Abgleich mit Simulationsberechnungen ergab den Beleg für Schwächen der existierenden Faserorientierungsmodellierung für mittlere (1 mm – 5 mm) und längere (> 5 mm) Faserlängenbereiche. Daraus wurden Hinweise zur möglichen Verbesserung der Faserorientierungsberechnung abgeleitet. Die Entwicklungen im Rahmen dieser Arbeit führen zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge während des Formfüllungsprozesses und zu einer Erhöhung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Berechnung von diskontinuierlich faserverstärkten Thermoplasten.Item Open Access Design, analysis and simulation in injection in-mold labeling(2009) Patcharee Larpsuriyakul; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Years ago, the production of packaging with the injection-IML has been established. This procedure concept ranks nowadays among the most modern technologies in the area of the plastic packaging. With this manufacturing technique, label and packaging, both are of the same polymer materials, become inseparably connected during the injection molding process. Since thermal conductivity of the polymeric label material is clearly smaller than that of the metal mold wall, thermal induced warpage of injected IML part or part surface deformation could be occurred. The objective of this work is to analyze and simulate the filling, holding, and cooling phases of the injection IML process by means of the simulation program Moldex3D® and to study the effect of inserted label on the warpage behavior and modulus of elasticity of injected parts. For this study, the injection mold for injection IML equipped with vacuum ports for holding the label was designed and constructed. For the automation of the injection IML process, a linear pneumatic robot was employed. As a preliminary examination, the experimental study and numerical simulation of the melt front advancement, course of the pressure and melt temperature profile during the injection molding of double-plated parts with non-uniform part thickness were done in order to acquire better understanding of the simulation program Moldex3D® prior to its application later on to the injection IML simulation calculations. The molded part composes of two thin plates joined together with a cold runner. One fan gate is connected to the thick side of the first plate and the other connected to the thin side of the second plate. Comparisons between the experiment and simulation performed with the same molding parameters were carried out. From the results, 2.5D simulation was verified to be more reliable than 3D simulation particularly in terms of predicting the melt front advancement as well as the melt pressure development during the molding. Owing to the complex flow and unbalance of the pressure within two cavities of the part, 3D simulation based on non-isothermal computation failed to predict course of the pressure and hence the melt front advancement within both cavities. However, with the 3D isothermal computation, improvement in accuracy was achieved. This phenomenon resulted from the instability of the 3D simulation program. By molding the double-plated part separately, both 2.5D and 3D simulation results agreed well with those from the experiments. After the preliminary examination has been done, analysis and 3D simulation on filling, holding, and cooling phases of the injection IML process and warpage behavior of injected IML parts were investigated, since the presence of label can significantly affect the molding process. From the study, good agreement of the mold filling, holding, and cooling results between 3D simulation and experiment was acquired. Structure and warpage behavior of IML parts were also investigated. In order to cope with part warpage problem, variations in mold temperature on the stationary and moving mold halves were carried out. With the higher mold temperature setting on the label side, part warpage was reduced. Furthermore, study of the effect of the mold temperature combination settings on the modulus of elasticity of the IML part was conducted. The results revealed that despite a slight reduction in the modulus of elasticity of the IML part owing to the different mold temperature settings on two mold halves, modulus of elasticity of the IML part was still found to be satisfactory.Item Open Access Mikrowellen-Orientierungsmessungen zur zerstörungsfreien Charakterisierung kurzfaserverstärkter Kunststoffe(2007) Predak, Sabine; Busse, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Mikrowellen eignen sich in der zerstörungsfreien Prüfung zur Untersuchung dielektrischer Werkstoffe, in die sie eindringen können. Dabei haben sich besonders polarisierte Mikrowellen zur berührungslosen Messung von Werkstoffanisotropien bewährt. Sie sprechen auf den richtungsabhängig unterschiedlichen Brechungsindex im anisotropen Werkstoff an. Der Einsatz eines in Reflexion betriebenen Hohlleitersensors in Kombination mit einem offenen Resonator variabler Länge ermöglicht scannende Untersuchungen an Proben unterschiedlicher Dicke und ist damit flexibler als andere Mikrowellenmethoden zur Anisotropiemessung wie die Störkörpermethode für Hohlraumresonatoren. In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrowellenmethode zur Untersuchung von Anisotropien in kurzfaserverstärkten Kunststoffen genutzt, die zahlreiche industrielle Anwendungen finden (z.B. im Fahrzeugbau). Kennt man die Anisotropie, so können Schwachstellen im Bauteil wie Bindenähte detektiert oder die Produktqualität beurteilt werden. Auch langfaserverstärkte Kunststoffe oder Holz sind so charakterisierbar. Der Einsatz des Mikrowellenverfahrens war erfolgreich bei der Bestimmung der Orientierungsrichtung, zeigte aber eine unzureichende Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Anisotropiegrades. Deshalb wurden Verbesserungsmöglichkeiten der Reproduzierbarkeit untersucht, um die Methode praxistauglicher zu machen. Um eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu erzielen, wurden Maßnahmen zur Optimierung der Justage ergriffen, was sich aber als nicht ausreichend erwies. Daher wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Messsignal am Detektor systematisch untersucht. Variiert wurden dabei Resonatorlänge sowie Brechungsindex, Probendicke und Position der Probe im Resonator. Ein neuer, flexiblerer Messaufbau ermöglichte dabei eine bessere Einstellbarkeit dieser Größen, die nun über weitere Bereiche verändert werden können. Als wesentlicher störender Faktor in Bezug auf die Messung des Anisotropiegrades erwies sich dabei die Probenposition. Ein Schichtmodell des Messaufbaus, das qualitativ eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Abhängigkeiten ergab, zeigte, dass die stehende Welle im Resonator und damit auch das Detektorsignal von allen oben genannten Größen bestimmt wird. Wenn Messung und Ergebnisse des Schichtmodells auch nicht ausreichen, um den Brechungsindex der Probe exakt anzugeben, wird die Aussagefähigkeit über den Anisotropiegrad einer Probe und die Interpretierbarkeit von Messergebnissen doch erheblich verbessert. So gelang auch die Anpassung der Mikrowellenmethode zur Fasergehaltsmessung. Die Messergebnisse zeigten eine besondere Empfindlichkeit der Methode im Fall einer relativ kurzen Resonatorlänge, weshalb die Orientierungsrichtung bei Proben mit geringem Anisotropiegrad hier am zuverlässigsten bestimmt werden kann. Mit dem flexibleren Messaufbau ließ sich auch der Einsatz eines in der Frequenz verstimmbaren Sensors für die Anisotropiemessung erfolgreich testen, wegen seiner zu geringen Bandbreite wurde aber für die Anwendungen das herkömmliche Messprinzip der Längenanpassung des offenen Resonators beibehalten. In der Materialcharakterisierung hat sich die Mikrowellenmethode bei der Faserorientierungsmessung an kurzfaserverstärktem PUR-RRIM bewährt. Da die integral messende Mikrowellenmethode schneller ist als die bekannten Referenzverfahren, war eine systematische Untersuchung möglich, wie sich verschiedene Prozessparameter bei der Herstellung auf die Faserorientierungsverteilung im Endprodukt auswirken. Vergleichsmessungen mit Ultraschallverfahren und thermische Ausdehnungsmessungen bestätigten die Mikrowellenergebnisse, die dann als Eingangsdaten für den Vergleich mit Simulationsverfahren dienten. Dies ermöglichte die Kalibrierung von Simulationsergebnissen und die Optimierung des Herstellungsprozesses. Bei Faserorientierungsmessungen an kurzfaserverstärkten Thermoplasten wurden die Ergebnisse des Mikrowellenverfahrens mit Schliffbild- und Ultraschalluntersuchungen kombiniert. Die Kenntnis der integral oder tiefenaufgelöst mit unterschiedlicher lateraler Auflösung ermittelten Orientierungen ermöglicht die Vorhersage von Bauteileigenschaften. Neue praxisrelevante Anwendungen der Mikrowellenanisotropiemessung ergeben sich in der Schädigungscharakterisierung kurzglasfaserverstärkter Thermoplaste. Es zeigte sich, dass Faser-Matrix-Ablösungen zu einem Anstieg der Mikrowellenanisotropie führen. Die Methode ermöglicht also neben der Schädigungsdetektion eine Aussage über die Schadensart. Der mit der Mikrowellenmethode bestimmte Anisotropiegrad des intakten Materials erlaubt die Vorhersage des Schädigungsablaufs und des Ortes des späteren Versagens. Zur Schädigungscharakterisierung dieser Werkstoffe hat es sich auch bewährt, verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren einzusetzen. Die gegenseitige Ergänzung mikroskopischer Methoden, Ultraschallmethoden und die Messung von Oberflächentemperatur und -dehnung während eines Zugversuchs ermöglichten ein umfassendes Verständnis des Schädigungsprozesses.