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 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 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 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.Item Open Access Das Erwärmungsverhalten thermoplastischer Faserkunststoffverbunde durch Ausnutzung des Joule’schen Effekts(2020) Wellekötter, Jochen; Bonten, Christian (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Weiterverarbeitung thermoplastischer endlosfaserverstärkter Halbzeuge gilt als ein effizienter und automatisierbarer Herstellungsprozess von Faserkunststoffverbunden in Serienanwendungen. Bei der Verarbeitung werden die thermoplastischen Halbzeuge zunächst auf Endkontur geschnitten, dann erwärmt und zum Beispiel als Einleger im Spritzgießprozess hinterspritzt. Der Prozess läuft in der Regel vollautomatisiert ab. Als Erwärmungsmethoden kommen die gängigen Wärmeübertragungsprinzipien zum Einsatz. Für Faserkunststoffverbunde besteht unter anderem bei der Verarbeitung nach wie vor enormes Potenzial, die Umweltbilanz zu verbessern. Insbesondere lässt sich der Wirkungsgrad der Erwärmung steigern. Eine neuartige Erwärmungsmethode für kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge stellt die Joule'sche Erwärmung dar. Trotz des theoretisch enorm hohen Wirkungsgrads ist die Joule'sche Erwärmung faserverstärkter Halbzeuge jedoch bisher wenig erforscht und findet keine Anwendung im industriellen Umfeld. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, den Erwärmungsprozess thermoplastischer Prepregs durch Ausnutzung des Joule'schen Effekts zu analysieren und so Verfahrensgrenzen und Prozessparameter zu evaluieren. Dabei wird der Einfluss der Kontaktierung, der verwendeten Werkstoffe sowie der Größe und Geometrie der zu erwärmenden Halbzeuge auf die Zielgrößen mittlere Bauteiltemperatur, Temperaturverteilung, Wirkungsgrad sowie Bauteil- und Prozessqualität experimentell bestimmt. Zusätzlich erfolgt eine numerische Vorhersage des Erwärmungsprozesses. Es stellt sich heraus, dass die Qualität der Kontaktierung maßgeblich durch die Form und Größe der Elektroden bestimmt wird. Große Elektroden führen zu einer homogeneren Temperaturverteilung. Durch Rundungen an den Kanten der Elektroden kann die Temperaturverteilung weiter verbessert werden. Die im Halbzeug vorliegende Textilstruktur hat einen deutlichen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Halbzeuge auf Gewebebasis können aufgrund der vielen Verschlaufungen zwischen den Rovings homogener erwärmt werden. Die Halbzeuglänge hat aufgrund der sich einstellenden Reihenschaltung der Halbzeugwiderstände nur einen geringen Einfluss auf das Erwärmungsverhalten. Die Parallelschaltung der Halbzeugwiderstände durch Veränderung der Halbzeugbreite resultiert jedoch in einem ungleichmäßigen Erwärmungsverhalten. Formelemente in Form von Bohrungen oder Stufen haben einen deutlichen Effekt auf das Erwärmungsverhalten. Grundsätzlich werden durch komplexere Halbzeuge inhomogenere Temperaturprofile erreicht, was zu Schädigungen der Fasern und der Matrix führen kann. Die Temperaturverteilung während der Erwärmung kann durch numerische Verfahren vorhergesagt werden. Mithilfe der computergestützten Werkstoffsimulation lassen sich vergleichsweise einfache Geometrien mit hoher Genauigkeit bestimmen. Für komplexere Geometrien weichen die Maximaltemperatur und die mittlere Bauteiltemperatur jedoch deutlich voneinander ab. Durch eine Regressionsanalyse mittels Machine-learning können außerdem die Versuchsergebnisse ausgewertet werden. Dies erlaubt insbesondere eine stetige Verbesserung der numerischen Vorhersage, indem neue Versuchsergebnisse in die Analyse mit einbezogen werden können und somit ein Online-Überwachungssystem realisiert werden kann.Item Open Access Mechanical properties of 3D-printed liquid crystalline polymers with low and high melting temperatures(2023) Johann, Kai S.; Wolf, Andreas; Bonten, ChristianAdditive manufacturing allows for the production of complex components using various types of materials such as plastics, metals and ceramics without the need for molding tools. In the field of high-performance polymers, semi-crystalline polymers such as polyetheretherketone (PEEK) or amorphous polymers such as polyetherimide (PEI) are already successfully applied. Contrary to semi-crystalline and amorphous polymers, thermotropic liquid crystalline polymers (LCPs) do not change into an isotropic liquid during melting. Instead, they possess anisotropic properties in their liquid phase. Within the scope of this work, this special group of polymers was investigated with regard to its suitability for processing by means of fused filament fabrication. Using an LCP with a low melting temperature of around 280 °C is compared to processing an LCP that exhibits a high melting temperature around 330 °C. In doing so, it was revealed that the achievable mechanical properties strongly depend on the process parameters such as the direction of deposition, printing temperature, printing speed and layer height. At a layer height of 0.10 mm, a Young’s modulus of 27.3 GPa was achieved. Moreover, by employing an annealing step after the printing process, the tensile strength could be increased up to 406 MPa at a layer height of 0.15 mm. Regarding the general suitability for FFF as well as the achieved uniaxial mechanical properties, the LCP with a low melting temperature was advantageous compared to the LCP with a high melting temperature.Item Open Access A mobile nondestructive testing (NDT) system for fast detection of impact damage in fiber-reinforced plastics (FRP)(2020) Rittmann, Johannes; Rahammer, Markus; Holtmann, Niels; Kreutzbruck, MarcImpact damage in fiber-reinforced plastics, such as carbon-fiber-reinforced plastics (CFRP) and glass-fiber-reinforced plastics (GFRP), involves high challenges to nondestructive testing (NDT). The anisotropic material structure significantly complicates the interpretation of results in conventional testing. Resonant frequency sweep thermography (RFST) based on local defect resonance combined with well-known ultrasonic thermography enables the fast and simple detection of relevant impact damages. RFST utilizes frequency sweep excitation in the low- and mid-kilohertz range to activate defect resonances with low acoustical power of a few megawatts. Resonances of defects amplify the acoustic vibration amplitude by more than 1 order of magnitude and lead to a significant enhancement of the corresponding thermal signal. This is based on both crack friction and/or visco-elastic heating and can be detected at the part surface by an infrared camera. The defect detection threshold depends on excitation power and the distance between the defect and the ultrasonic source. For this new NDT approach, a first prototype system in the form of a tripod with an integrated infrared (IR) camera and ultrasonic excitation was developed. It stands out due to its simple handling and flexible applications. Augmented reality assists the inspector to interpret the results and mark the defect by projecting the evaluated test result onto the part surface. In this article, the first results from a series of impact damages in CFRP of varying impact energies and crack sizes are presented.