Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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In diesem Beitrag stellt sich die Nachwuchswissenschaftlerin Dr.-Ing. Dorina Strieth vom Lehrgebiet Bioverfahrenstechnik der TU Kaiserslautern vor. Neben aktuellen Forschungsarbeiten und Lehraktivität berichtet sie über die Notwendigkeit des Wissenstransfers in die Zivilgesellschaft. Fachlich berichtet sie von aktuellen Ergebnissen der intelligenten Nutzung phototropher Biofilme sowie dem Potenzial zur biotechnologischen Herstellung nachhaltiger Baumaterialien.
Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Simulationen in Kombination mit Tropfenpopulationsbilanzen führen zu einem praxisgerechten Standard, um auf Basis verfügbarer Prozessdaten den Strömungsverlauf – und damit die Verweilzeitverteilung – in liegenden Abscheidern beliebiger Größe zu berechnen. Durch Implementierung des Tropfenverhaltens wird auch die Berechnung eines tropfenspezifischen Abscheider-Wirkungsgrades ermöglicht. Die Methodenentwicklung erfolgte mit baugleichen Anlagen an drei verschiedenen Standorten. Die darauf beruhenden CFD-Simulationen wurden erfolgreich mit experimentellen Daten der beteiligten Industriepartner validiert.
The digitization of extraction columns requires a profound knowledge of the present hydrodynamics/mass transport interaction as well as appropriate measurement techniques for the detection of relevant input and target values. In this article, the different techniques for droplet size distribution as well as concentration determination are presented and new methods for online evaluation are discussed. In combination with the simulation of droplet size, holdup and solute concentration distribution, an online-capable process tool for controlling and optimizing extraction columns will be obtained.
Ein Bioraffineriekonzept für (Bier-)Treber wird vorgeschlagen, bei dem im Gegensatz zu bestehenden Konzepten wasserlösliche Komponenten durch Pressen abgetrennt und als Grundlage für eine Milchsäurefermentation mit Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis verwendet werden. Die verbleibenden strukturellen Kohlenhydrate des Treberrückstandes werden durch hydrothermale und enzymatische Vorbehandlung in fermentierbare Zucker überführt. Es entstehen deutlich weniger Nebenprodukte, die das Wachstum von Mikroorganismen inhibieren können, als bei der Nutzung von nicht abgepresstem Treber.
Es werden Ergebnisse aus einer Kontaktsimulation vorgestellt, welche die Oberflächenveränderung eines Axiallagers infolge von unerwünschtem elektrischem Stromdurchgang bei Mischreibung zeigen. Das hierzu entwickelte Modell berücksichtigt neben den Oberflächenrauheiten auch das nichtlineare Materialverhalten des Wälzlagerwerkstoffes. Im Gegensatz zu bekannten Modellierungsmethoden für ähnliche Problemstellungen, wird hier ein neuartiger Ansatz auf Basis einer gekoppelten Euler- Lagrange- Finite Element Simulation entwickelt. Das Modell liefert, mit experimentell geschädigten Oberflächen als Eingangsgröße, Erkenntnisse zum Traganteilsverhalten und weiterer mechanischer Kenngrößen infolge kombinierter mechanischer und elektrischer Belastungen.
Im Rahmen dieses Beitrags werden Ergebnisse einer Untersuchung an feststoffgeschmierten Wälzlagern vorgestellt. Betrachtet werden dabei Lager, welche einen speziellen, modifizierten Käfig verwenden. Die Käfigtaschen des Käfigs dienen dabei, zusätzlich zu ihrer ursprünglichen Funktion, der Führung der Wälzkörper, als Schmierstoffdepot. Es werden zunächst Prüfaufbau und die Versuchsbedingungen erläutert und in diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass der in diesem Beitrag verwendete Aufbau, verglichen mit dem Aufbau vorangegangener Arbeiten, eine deutlich reduzierte Streuung aufweist. Als eine nicht zu vernachlässigende Fehlerquelle bei der gravimetrischen Bestimmung des Käfigtaschenverschleißes wurde das hygroskopische Verhalten des Polymercompounds identifiziert. Einer Verfälschung dieser Messergebnisse durch die unkontrollierte Feuchtigkeitsaufnahme aus der Umgebung, muss durch einen zeitlich vorgelagerten Trocknungsprozess unter definierten Bedingungen vorgebeugt werden. Zudem wird gezeigt, dass die Käfigtaschen sowohl durch den Innenring des Lagers, als auch durch die Wälzkörper verschlissen werden. Hierbei wird eine Messmethode zur Ermittlung der, durch den Innenring verschlissenen, Materialmenge vorgestellt. Durch Oberflächenanalysen der Messingstruktur des Käfigs wird eine Reduzierung des Zinks nachgewiesen, sowie eine Änderung der Oberflächenstruktur festgestellt. Als Ursache wird ein Sublimieren des Zinks aufgrund der Versuchsbedingungen vermutet. Weiterhin wird gezeigt, dass die Prüftemperatur von 300 °C zu einem Schrumpfen der Lagerringe führt. Eine Vorwegnahme dieser Maßverringerung ist durch Temperierung bei 300 °C für 48 h möglich.
Dort, wo in Prozessen und Anwendungen Flüssigkeiten unter hohem Druck in rotierende Systeme eingespeist werden, kommen Radialwellendichtringe an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Treten in den Dichtkontakten zusätzlich noch hohe Relativgeschwindigkeiten auf, eignen sich auch Gleitringdichtungen nicht mehr als dynamische Dichtung. Aufgrund ihrer sehr hohen thermischen Beständigkeit etablierten sich Rechteckdichtringe aus Hochleistungskunststoffen wie Polyimiden für diese Anwendungen. In ihrem Aufbau ähneln sie Kolbenringen, wie sie in Verbrennungskraftmaschinen und Kolbenmaschinen zum Einsatz kommen, weshalb im englischen Sprachgebrauch die Bezeichnung „piston ring“ verbreitet ist.
Als zentrale Größe für die Belastung des Rechteckdichtrings wird das Lastäquivalent aus dem Produkt von anliegendem Fluiddruck und der Relativgeschwindigkeit im Kontakt herangezogen (auch p · v-Wert). Der p · v-Wert wird als Systemkenngröße herangezogen, um die Eignung des Werkstoffs hinsichtlich ertragbarer Reibleistungen im Kontakt für die jeweilige Anwendung zu prüfen. Vorangegangene Arbeiten befassten sich vorwiegend mit der Leckagebildung, Reibungsreduzierung sowie der Bestimmung geeigneter Materialpaarungen für das Dichtsystem. Dabei wurden Einflüsse von Lageabweichungen auf die Funktionalität der Dichtringe nicht betrachtet. Mit Hilfe eines adaptierten Prüfstands am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik der Technische Universität Kaiserslautern, der zur Untersuchung von Radialwellendichtringen unter statischen und dynamischen Auslenkungen dient, soll das Verständnis über Rechteckdichtringe unter statischen und dynamischen Auslenkung erweitert werden.
Das Verhalten von Rechteckdichtringen unter statischen und dynamischen Lageabweichungen wird von sich überlagernden Einflüssen bestimmt. Hierbei hängt die auftretende Leckage des Dichtsystems vorrangig von den Betriebsgrößen wie Fluiddruck und den statischen Lageabweichungen ab. Dynamische Verlagerungen innerhalb des Dichtsystem beeinflussen das Leckageverhalten negativ, wobei kein Zusammenhang zwischen Leckage und Betrag oder Frequenz der Auslenkung herrscht. Die Querschnittsfläche des Dichtrings sowie die Geometrie der Nut führen so divergierenden Betriebsverhalten, wobei die druckabhängige Leckagebildung von anderen Verhaltensmustern überlagert werden kann.
Schneckengetriebe werden meist aus einer Stahlschnecke und einem Bronze-Schneckenrad gefertigt. Diese werden zur einstufigen Übertragung von Drehbewegungen bei hohen Übersetzungen eingesetzt. Einen Nachteil von Schneckengetrieben stellt der relativ hohe Verschleiß infolge der hohen Gleitreibung im Zahneingriff dar. Durch eine geeignete Schmierung können Reibung und Verschleiß reduziert werden. Dies reduziert den Temperaturanstieg
im Betrieb und führt somit zu einer längeren Lebensdauer des Getriebes. Aufgrund der ausgeprägten Kühlwirkung erfolgt die Schmierung von Schneckengetrieben in der Praxis überwiegend mit Schmierölen. Fettartige Schmierstoffe werden ebenfalls verwendet, weisen jedoch eine geringere Kühlwirkung als flüssige Schmierstoffe auf. Bei Vakuumanwendungen oder unter extremen Betriebsbedingungen, wie z.B. Hoch- oder Tieftemperaturanwendungen
sowie bei niedrigen hydrodynamischen Geschwindigkeiten, verlieren die oben genannten konventionellen Schmierstoffe ihre Schmierwirkung. Als Alternative
werden Festschmierstoffe eingesetzt.
Festschmierstoffe können im Allgemeinen auf verschiedene Weise in den Kontaktstellen von Maschinenelementen verwendet werden. In dieser Arbeit wird das Prinzip der Transferschmierung durch ein Opferbauteil eingesetzt. Hierbei werden Compounds aus strahlenmodifiziertem Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyamid (PA) als Opferbauteil im Schneckengetriebe verwendet, sodass die Stahlschnecke zeitgleich mit dem Bronze-Schneckenrad und dem Opferrad aus PA-PTFE-Compound im Zahneingriff steht. Durch die Belastung des Opferrades mit einem relativ kleinen Drehmoment verschleißt das Opferrad, wodurch der PTFE-Festschmierstoff freigesetzt und an der Stahloberfläche deponiert wird. Dies führt zur Bildung eines Transferfilms, welcher zur Schmierung des Kontakts
zwischen der Stahlschnecke und dem Bronze-Schneckenrad führt. Die Mechanismen des Auf- und Abbaus solcher Transferfilme in Schneckengetrieben sind derzeit unbekannt und werden in dieser Arbeit anhand experimenteller Untersuchungen erforscht. Hierzu wurden tribologische Versuche an Modellprüfständen durchgeführt, wodurch das reib- und Verschleißverhalten an Stahl-Bronze-Kontakten untersucht wurde. Als Modellprüfstände kamen der Block-auf-Ring-, der Block-Zwei-Scheiben- und der Drei-Scheiben-Prüfstand zum Einsatz. Anschließend wurden Bauteilversuche auf einem Schneckengetriebeprüfstand durchgeführt, um die aus den Modellversuchen gewonnenen Erkenntnisse zu validieren. Mit Hilfe von oberflächenanalytischen Techniken wurden die Prüfkörper auf der Mikroskala untersucht, um die Qualität und Quantität des aufgebauten Transferfilms zu bestimmen.
In dieser Arbeit wird die Co-Konsolidierung im Thermoformen zwischen kontinuierlich faserverstärkten, teilkonsolidierten CF/PEEK Tape-Preforms und kontinuierlich faserverstärkten, vollständig konsolidierten CF/PEEK Tape-Laminaten untersucht. Bei der Co-Konsolidierung handelt es sich um die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei oder mehr Thermoplasten durch separates Aufheizen, Zusammenbringen der Fügeflächen und rasches Abkühlen unter Druck im isothermen Werkzeug. Die adressierte Anwendung ist das Verschweißen von Versteifungen auf Tape-Preforms während dem Thermoformen, sodass nachgeschaltete Fügeprozesse solcher Versteifungen obsolet werden und die Zykluszeit des Thermoformens unverändert bleibt.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Grad der Teilkonsolidierung der Tape-Preforms -
unabhängig der gewählten Einstellgrößen des Werkzeugdrucks - keinen Einfluss auf die Konsolidierung der Tape-Laminate nach dem Thermoformen nimmt. Im Bereich einer Versteifung ist ein vergleichsweise größerer Werkzeugdruck zur Konsolidierung der teilkonsolidierten Tape-Preform notwendig, damit dort die gleichen Eigenschaften wie fern der Co-Konsolidierung erzeugt werden. Die zwischen Tape-Laminat und Versteifung gemessenen Zugscherfestigkeiten, die mittels Co-Konsolidierung im Thermoformen erzeugt werden, sind niedriger als die der Co-Konsolidierung im Autoklav.
Diese Dissertation erläutert die Umsetzung eines RAMI 4.0 konformen Marktplatz in der spanenden Bearbeitung. Ziel ist es einen Lösungsansatz zu definieren, in dem firmenübergreifende Prozessketten für kleine Losgrößen automatisiert identifiziert werden und die Fertigung eines individuellen Produktes realisiert wird. Die Extraktion von Produktinformationen, die Fertigung eines individualisierten Produktes sowie die Beschreibung der Informationen in den Verwaltungsschalen wird validiert. Vor allem stellt sich als Herausforderung für die Zukunft heraus, eine gemeinsame Semantik für die Beschreibung von Capabilities zu definieren. Diese würde ermöglichen, dass ein Matching zwischen proprietären Produktinformationen und Skills möglich wird.