04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Enhanced processing of regrind as recycling material in single-screw extruders(2021) Thieleke, Philipp; Bonten, ChristianRegrind processing poses challenges for single-screw extruders due to the irregularly shaped particles. For grooved feed zones, the output is lessened by the reduction of bulk density in comparison to virgin material. Simultaneously, the melt temperature increases, reducing the extruder’s process window. Through experimental investigations on a test stand, a novel feed zone geometry (nominal diameter 35 mm) is developed. It aligns the regrind’s specific throughput with that of virgin material. The regrind processing window is essentially increased. As the solids conveying in the novel feed zone cannot be simulated with existing methods, numerical simulations using the discrete element method are performed. Since plastic deformation occurs in the novel feed zone geometry, a new hysteresis contact model is developed. In addition to spheres, the regrind and virgin particles are modeled as superquadrics to better approximate the irregular shape. The new contact model’s simulation results show excellent agreement with experimental compression tests. The throughput of the extruder simulations is considerably underestimated when using spheres to represent the real particles than when using irregularly shaped superquadrics. Corresponding advantages can be seen especially for virgin material.Item Open Access Merkmalsanalyse mit thermischen Wellen in der zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung(2012) Spießberger, Christian; Busse, Gerd (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Moderne technische Systeme werden immer leistungsfähiger, aber auch komplexer. Jeder Fehler kann die Funktionstüchtigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen. Daher werden hohe Anforderungen an die Qualität der Einzelteile gestellt. Qualitätssicherung lässt sich auf zwei unterschiedlichen Wegen betreiben: Durch Optimierung des Fertigungsprozesses oder durch fertigungsbegleitende zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) der produzierten Bauteile. Meistens geht beides Hand in Hand: Der Fertigungsprozess wird mit Hilfe der Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung verbessert. Die Anforderungen, die an ein zerstörungsfreies Prüfverfahren gestellt werden, sind immer die gleichen: Zuverlässigkeit, Schnelligkeit (Taktzeiten) und Wirtschaftlichkeit. Aktive thermische Prüfverfahren erfüllen häufig diese Vorgaben und werden auch dementsprechend eingesetzt. Besonders beliebt ist die optisch angeregte Lockin-Thermografie (OLT), die moduliert Wärme ins Prüfobjekt einbringt und die zeitliche Verzögerung der Temperaturmodulation (Phase) an der Oberfläche auswertet. Die Phasenauswertung ist praktisch störunanfällig und dadurch zuverlässig einsetzbar. Allerdings wird bisher noch nicht die ganze Leistungsfähigkeit des Verfahrens ausgenutzt, da bei nur einer einzigen Lockin-Frequenz gemessen wird. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass sich mit geeigneten Korrelationsverfahren die Phasenbildinformationen bei verschiedenen Frequenzen in der "Merkmalsebene"' zusammenführen lassen ("data fusion"). Bestimmte Eigenschaftskombinationen ergeben dabei wolkenartige Muster, die die untersuchte Probe, vergleichbar einem Fingerabdruck, eindeutig charakterisieren. Durch geeignete Blendensetzung in dieser Merkmalsebene lassen sich gezielt Eigenschaften (z.B. Dicken, Grenzflächeneigenschaften, laterale Wärmeflüsse, Defekte, usw.) aus den ursprünglichen Phasenbildern extrahieren. Dadurch wird die Trennschärfe der Lockin-Thermografie wesentlich erhöht, was sich in einer erhöhten Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (probability of detection, POD) niederschlägt. Auf Grundlage bekannter analytischer Modelle des eindimensionalen Wärmeflusses werden Möglichkeiten der quantitativen Ermittlung thermischer Parameter, insbesondere Dicken und Reflexionskoeffzienten, vorgestellt. Das Verfahren arbeitet kalibrierfrei, wodurch sich der Einsatzbereich in der Praxis erweitert. Erste Ansätze zur Bestimmung thermischer Kontaktwiderstände, die bei der Grenzflächencharakterisierung eine wichtige Rolle spielen, werden diskutiert. Die Ergebnisse werden experimentell an praxisnahen Beispielen auf den Prüfstand gestellt.Item Open Access Inline-Charakterisierung und Vorhersage der Viskosität sowie des initialen Blasenwachstumsverhaltens beim Schäumen von treibmittelbeladenen Kunststoffschmelzen(2022) Schaible, Tobias; Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Miscibility and phase separation in PMMA/SAN blends investigated by nanoscale AFM-IR(2021) Resch, Julia; Dreier, Julia; Bonten, Christian; Kreutzbruck, MarcItem Open Access Nachweis von Impact-Schäden in Faserkunststoffverbunden mittels Resonanter Frequenzsweep Thermografie(2018) Rahammer, Markus; Kreutzbruck, Marc (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Item Open Access Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der aktiven Thermografie durch eine Lockin-Kompensationsmethode und der KI-gestützten Invertierung thermischer Wellen(2024) Rittmann, Johannes; Kreutzbruck, Marc (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die aktive Thermografie (TT) nutzt den natürlichen diffusen Wärmefluss, um aus der gemessenen Oberflächentemperatur Rückschlüsse auf die innere Struktur von technischen Bauteilen oder biologischen Proben zu ziehen. Allerdings beeinträchtigt die Diffusion thermischer Wellen und der dadurch induzierte laterale Wärmefluss in Prüfkörpern die herkömmlichen TT-Verfahren, da sie zu einer Verschmierung des Antwortsignals führen. Diese Arbeit widmet sich der Optimierung des örtlichen Auflösungsvermögens in der TT an isotropen Kunststoffen durch zwei Ansätze. In der Lockin-Thermografie-Kompensation (LTC) wird der störende laterale Wärmefluss durch gezielte inhomogene Anregung reduziert, was zu einer quasi 1D-Prüfsituation führt. Dies ermöglicht die sichere und hochauflösende Abbildung von Fehlstellen unabhängig von ihrer Tiefe bis zur thermischen Eindringtiefe, wobei das örtliche Auflösungsvermögen in den betrachteten Anwendungsfällen um mindestens den Faktor 2,2 und im Mittel um mehr als den Faktor 6 verbessert wird. Die Separierbarkeit eng benachbarter Fehlstellen nimmt um den Faktor 4 zu. Der zweite Ansatz verwendet neuronale Netze (NN), um Oberflächentemperaturen nach einer Puls-Thermografie-(PT-)Messung ohne weitere Regularisierungen direkt zu invertieren und in eine 2,5D-Prüfkörperinformation zu überführen. Diese Methode liefert für eine große Anzahl an Datensätzen rauschbehafteter Simulationen beeindruckend genaue Ergebnisse, aber selbst für wenige experimentelle Daten bestehend aus einigen zehn Thermogrammen beträgt das örtliche Auflösungs-vermögen ~2 Pixel bzw. ~0,5 mm bei einer mittleren Abweichung der Tiefenvorhersage von lediglich ~0,4 mm. Diese beiden Methoden demonstrieren die Überwindung herkömmlicher Einschränkungen der TT und ermöglichen die hochauflösende Darstellung von Fehlstellen. Dies eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten für die TT, insbesondere in Prüfsituationen, in denen bisherige Methoden aufgrund ihres begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht ausreichend waren. Diese Fortschritte haben das Potenzial, in automatisierten Prüfprozessen verwendet zu werden und etwa die zeitaufwendigen und berührenden Ultraschallprüfungen von kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffen (CFK) zu substituieren. Darüber hinaus eröffnen sich Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheitswesen, in der die TT vielversprechende Ergebnisse aufzeigt, bisher jedoch aufgrund eines begrenzten örtlichen Auflösungsvermögens nicht zum Einsatz kommt.Item Open Access Zerstörungsfreie Prüfung von modernen Werkstoffen mit dynamischen Shearografie-Verfahren(2013) Menner, Philipp; Busse, Gerd (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die Herausforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung steigen mit der zunehmenden Verbreitung moderner Werkstoffe. Die ZfP-Methoden sollten nicht nur schnell und kontaktfrei arbeiten, sondern auch die in diesen Werkstoffen auftretenden neuen Defektarten zuverlässig erfassen. Elektronische Speckle-Pattern-Interferometrie (ESPI) kann unter Verwendung zeitabhängiger Anregungs- und Auswerte-Methoden viele dieser Anforderungen erfüllen, sie ist jedoch für industrielle Anwendungen nicht robust genug. Shearografie wiederum ist hinreichend robust, wird jedoch nur mit statischen Belastungsarten eingesetzt. Die vorliegende Arbeit kombiniert Shearografie mit verschiedenen dynamischen Belastungs- und Auswerte-Techniken. Dazu wurde ein für dynamische Messungen geeignetes Shearografiesystem entwickelt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Modulierbarkeit der Anregungstechniken gelegt, also auf die optische und hydrostatische Anregung sowie die erstmals mit Shearografie kombinierte induktive Anregung. Die verschiedenen Varianten der dynamischen Shearografie unterscheiden sich in ihrem Kontrastmechanismus. Daher ist z.B. bei der auf thermischen Wellen basierenden optisch bzw. induktiv angeregten Lockin-Shearografie eine Phasenauswertung der modulierten Objektverformung vorteilhaft, während bei der hydrostatisch angeregten Lockin-Shearografie die Amplitudenauswertung besser geeignet ist. Diese neuen zeitabhängigen Shearografie-Verfahren wurden hinsichtlich Tiefenreichweite, Signal/-Rausch-Verhältnis, Auflösungsgrenzen etc. untersucht und die Ergebnisse mit denen der statisch anregenden Verfahren verglichen. Für diese Untersuchungen wurden überwiegend selbst gefertigte Modellproben verwendet; zunächst einfache Proben aus homogenem Epoxidharz, später auch faserverstärkte Kunststoffverbunde und Wabenstrukturen. Um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Anregungs- und Auswerte-Varianten der Shearografie einschätzen zu können, erfolgte außerdem ein Vergleich mit etablierten ZfP-Methoden sowie der Einsatz an überwiegend aus dem Luftfahrtbereich stammenden Realbauteilen. Dabei zeigte sich deutlich das große Potential der dynamischen Shearografie-Verfahren nicht nur bei Messungen unter Laborbedingungen, sondern auch im industriellen Umfeld.Item Open Access Prediction of the bubble growth behavior by means of the time-, temperature-, pressure- and blowing agent concentration-dependent transient elongational viscosity function of polymers(2024) Schaible, Tobias; Bonten, ChristianBubble growth processes are highly complex processes, which are not only dependent on the foaming process parameters (temperature, pressure and blowing agent concentration) but also on the type and structure of the polymer used. Since the elongational viscosity at the bubble wall during bubble growth also depends on these influencing factors, the so-called transient elongational viscosity plays a key role in describing the gas bubble growth behavior in polymer melts. The model-based description of the transient elongational viscosity function is difficult due to its dependence on time, Hencky strain and strain rate. Therefore, representative viscosities or shear viscosity models are usually used in the literature to predict the bubble growth behavior. In this work, the transient equibiaxial elongational viscosity function at the bubble wall during bubble growth is described holistically for the first time. This is achieved by extending the so-called molecular stress function (MSF) model by superposition principles (temperature, pressure and blowing agent concentration) and by using the elongational deformation behavior (Hencky strain and strain rate) at the bubble wall during the initial, and thus viscosity-driven, bubble growth process. Therefore, transient uniaxial elongational viscosity measurements are performed and the non-linear MSF model parameters of the two investigated polymers PS (linear polymer chains) and PLA (long-chain branched polymer chains) are determined. By applying the superposition principles and by changing the strain mode parameter to the equibiaxial case in the MSF model, the transient equibiaxial viscosity master curve is obtained and used to describe the bubble growth process. The results show that the extended MSF model can fully predict the transient equibiaxial elongational viscosity function at the bubble wall during bubble growth processes. The bubble growth behavior over time can then be realistically described using the defined transient equibiaxial elongational viscosity function at the bubble wall. This is not possible, for example, with a representative viscosity and therefore clearly demonstrates the influence and importance of knowing the transient deformation behavior that prevails at the bubble wall during bubble growth processes.Item Open Access Deformation behavior investigation of auxetic structure made of poly(butylene adipate-co-terephthalate) biopolymers using finite element method(2023) Schneider, Yanling; Guski, Vinzenz; Schmauder, Siegfried; Kadkhodapour, Javad; Hufert, Jonas; Grebhardt, Axel; Bonten, ChristianAuxetic structures made of biodegradable polymers are favorable for industrial and daily life applications. In this work, poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) is chosen for the study of the deformation behavior of an inverse-honeycomb auxetic structure manufactured using the fused filament fabrication. The study focus is on auxetic behavior. One characteristic of polymer deformation prediction using finite element (FE) simulation is that no sounded FE model exists, due to the significantly different behavior of polymers under loading. The deformation behavior prediction of auxetic structures made of polymers poses more challenges, due to the coupled influences of material and topology on the overall behavior. Our work presents a general process to simulate auxetic structural deformation behavior for various polymers, such as PBAT, PLA (polylactic acid), and their blends. The current report emphasizes the first one. Limited by the state of the art, there is no unified regulation for calculating the Poisson’s ratio n for auxetic structures. Here, three calculation ways of n are presented based on measured data, one of which is found to be suitable to present the auxetic structural behavior. Still, the influence of the auxetic structural topology on the calculated Poisson’s ratio value is also discussed, and a suggestion is presented. The numerically predicted force-displacement curve, Poisson’s ratio evolution, and the deformed auxetic structural status match the testing results very well. Furthermore, FE simulation results can easily illustrate the stress distribution both statistically and local-topology particularized, which is very helpful in analyzing in-depth the auxetic behavior.Item Open Access Degradation of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) reinforced with regenerated cellulose fibers(2024) Seitz, Michael; Rihm, Rainer; Bonten, ChristianPHBV is a promising plastic for replacing conventional petroleum-based plastics in the future. However, the mechanical properties of PHBV are too low for use in high-stress applications and the degradation of the polymer limits possible applications. In this work, the mechanical properties were, therefore, increased using bio-based regenerated cellulose fibers and degradation processes of the PHBV-RCF composites were detected in accelerated aging tests under various environmental conditions. Mechanical, optical, rheological and thermal analysis methods were used for this characterization. The fibers significantly increased the mechanical properties, in particular the impact strength. Different degradation mechanisms were identified. UV radiation caused the test specimens to fade significantly, but no reduction in mechanical properties was observed. After storage in water and in aqueous solutions, the mechanical properties of the compounds were significantly reduced. The reason for this was assumed to be hydrolytic degradation catalyzed by higher temperatures. The hydrolytic degradation of PHBV was mainly caused by erosion from the test specimen surface. By exposing the regenerated cellulose fibers, this effect could now also be visually verified. For the use of regenerated cellulose fiber-reinforced PHBV in more durable applications, the aging mechanisms that occur must be prevented in the future through the use of stabilizers.