Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Faculty / Organisational entity
In the last decade, injection molding of long-fiber reinforced thermoplastics
(LFT) has been established as a low-cost, high volume technique for manufacturing
parts with complex shape without any post-treatment [1–3]. Applications
are mainly found in the automotive industry with a volume annually
growing by 10% to 15% [4].
While first applications were based on polyamide (PA6 and PA6.6), the market
share of glass fiber reinforced polypropylene (PP) is growing due to cost savings
and ease of processing. With the use of polypropylene, different processing
techniques such as gas-assisted injection molding [5] or injection compression
molding [6] have emerged in addition to injection molding [7, 8].
In order to overcome or justify higher materials costs when compared to short
fiber reinforced thermoplastics, the manufacturing techniques for LFT pellets
with fiber length greater than 10mm have evolved starting from pultrusion by
improving impregnation and throughput [9] or by direct addition of fiber strands
in the mold [10–12].
The benefit of long glass fiber reinforcement either in PP or PA is mainly due
to the enhanced resistance to fiber pull-out resulting in an increase in impact
properties and strength [13–19], even at low temperature levels [20]. Creep
and fatigue resistance are also substantially improved [21, 22].
The performance of fiber reinforced thermoplastics manufactured by injection
molding strongly depends on the flow-induced microstructure which is
driven by materials composition, processing conditions and part geometry.
The anisotropic microstructure is characterized by fiber fraction and dispersion,
fiber length and fiber orientation.
Facing the complexity of this processing technique, simulation becomes a precious
tool already in the concept phase for parts manufactured by injection
molding. Process simulation supports decisions with respect to choice of concepts
and materials. The part design is determined in terms of mold filling
including location of gates, vents and weld lines. Tool design requires the
determination of melt feeding, logistics and mold heating. Subsequently, performance
including prediction of shrinkage and warpage as well as structural
analysis is evaluated [23].
While simulation based on two-dimensional representation of three-dimensional
part geometry has been extensively used during the last two decades, the
complexity of the parts as well as the trend towards solid modelling in CAD
and CAE demands the step towards three-dimensional process simulation. The scope of this work is the prediction of flow-induced microstructure during
injection molding of long glass fiber reinforced polypropylene using threedimensional
process simulation. Modelling of the injection molding process in
three dimensions is supported experimentally by rheological characterization
in both shear and extensional flow and by two- and three-dimensional evaluation
of microstructure.
In chapter 2 the fundamentals of rheometry and rheology are presented with
respect to long fiber reinforced thermoplastics. The influence of parameters
on microstructure is described and approaches for modelling the state of microstructure
and its dynamics are discussed.
Chapter 3 introduces a rheometric technique allowing for rheological characterization
of polymer melts at processing conditions as encountered during
manufacturing. Using this rheometer, both shear and extensional viscosity of
long glass fiber reinforced polypropylene are measured with respect to composition
of materials, processing conditions and geometry of the cavity.
Chapter 4 contains the evaluation of microstructure of long glass fiber reinforced
polypropylene in terms of two-dimensional fiber orientation and its dependence
on materials parameters and processing condition. For the evaluation
of three-dimensional microstructure, a technique based on x-ray tomography
is introduced.
In chapter 5, modelling of microstructural dynamics is addressed. One-way
coupling of interactions between fluid and fibers is described macroscopically.
The flow behavior of fibers in the vicinity of cavity walls is evaluated experimentally.
From these observations, a model for treatment of fiber-wall interaction
with respect to numerical simulation is proposed.
Chapter 6 presents the application of three-dimensional simulation of the injection
molding process. Mold filling simulation is performed using a commercial
code while prediction of 3D fiber orientation is based on a proprietary module.
The rheological and thermal properties derived in chapter 3 are tested by
simulation of the experiments and comparison of predicted pressure and temperature
profile versus recorded results. The performance of fiber orientation
prediction is verified using analytical solutions of test examples from literature.
The capability of three-dimensional simulation is demonstrated based on the
simulation of mold filling and prediction of fiber orientation for an automotive
part.
Solid particle erosion is usually undesirable, as it leads to development of cracks and
holes, material removal and other degradation mechanisms that as final
consequence reduce the durability of the structure imposed to erosion. The main aim
of this study was to characterise the erosion behaviour of polymers and polymer
composites, to understand the nature and the mechanisms of the material removal
and to suggest modifications and protective strategies for the effective reduction of
the material removal due to erosion.
In polymers, the effects of morphology, mechanical-, thermomechanical, and fracture
mechanical- properties were discussed. It was established that there is no general
rule for high resistance to erosive wear. Because of the different erosive wear
mechanisms that can take place, wear resistance can be achieved by more than one
type of materials. Difficulties with materials optimisation for wear reduction arise from
the fact that a material can show different behaviour depending on the impact angle
and the experimental conditions. Effects of polymer modification through mixing or
blending with elastomers and inclusion of nanoparticles were also discussed.
Toughness modification of epoxy resin with hygrothermally decomposed polyesterurethane
can be favourable for the erosion resistance. This type of modification
changes also the crosslinking characteristics of the modified EP and it was
established the crosslink density along with fracture energy are decisive parameters
for the erosion response. Melt blending of thermoplastic polymers with functionalised
rubbers on the other hand, can also have a positive influence whereas inclusion of
nanoparticles deteriorate the erosion resistance at low oblique impact angles (30°).
The effects of fibre length, orientation, fibre/matrix adhesion, stacking sequence,
number, position and existence of interleaves were studied in polymer composites.
Linear and inverse rules of mixture were applied in order to predict the erosion rate of
a composite system as a function of the erosion rate of its constituents and their
relative content. Best results were generally delivered with the inverse rule of mixture
approach.
A semi-empirical model, proposed to describe the property degradation and damage
growth characteristics and to predict residual properties after single impact, was
applied for the case of solid particle erosion. Theoretical predictions and experimental
results were in very good agreement.
Strahlerosionsverschleiß (Erosion) entsteht beim Auftreffen von festen Partikel
auf Oberflächen und zeichnet sich üblicherweise durch einen Materialabtrag aus, der
neben der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel stark vom jeweiligen
Werkstoff abhängt. In den letzten Jahren ist die Anwendung von Polymeren und
Verbundwerkstoffen anstelle der traditionellen Materialien stark angestiegen.
Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe weisen eine relativ hohe Erosionsrate
(ER) auf, was die potenzielle Anwendung dieser Werkstoffe unter erosiven
Umgebungsbedingungen erheblich einschränkt.
Untersuchungen des Erosionsverhaltens anhand ausgewählter Polymere und
Polymer-Verbundwerkstoffe haben gezeigt, dass diese Systeme unterschiedlichen
Verschleißmechnismen folgen, die sehr komplex sind und nicht nur von einer
Werkstoffeigenschaft beeinflusst werden. Anhand der ER kann das
Erosionsverhalten grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: sprödes und duktiles
Erosionsverhalten. Das spröde Erosionsverhalten zeigt eine maximale ER bei 90°,
während das Maximum bei dem duktilen Verhalten bei 30° liegt. Ob ein Material das
eine oder das andere Erosionsverhalten aufweist, ist nicht nur von seinen
Eigenschaften, sondern auch von den jeweiligen Prüfparametern abhängig.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, das grundsätzliche Verhalten von
Polymeren und Verbundwerkstoffen unter dem Einfluss von Erosion zu
charakterisieren, die verschiedenen Verschleißmechanismen zu erkennen und die
maßgeblichen Materialeigenschaften und Kennwerte zu erfassen, um Anwendungen
dieser Werkstoffe unter Erosionsbedingungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
An einer exemplarischen Auswahl von Polymeren, Elastomeren, modifizierten Polymeren und Faserverbundwerkstoffen wurden die wesentlichen Einflussfaktoren
für die Erosion experimentell bestimmt.
Thermoplastische Polymere und thermoplastische- und vernetzte- Elastomere
Die Versuche, den Erosionswiderstand ausgewählter Polymere (Polyethylene
und Polyurethane) mit verschiedenen Materialeigenschaften zu korrelieren, haben
gezeigt, dass es weder eine klare Abhängigkeit von einzelnen Kenngrößen noch von
Eigenschaftskombinationen gibt. Möglicherweise führt die Bestimmung der
Materialeigenschaften unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie bei den Erosionsversuchen zu einer besseren Korrelation zwischen ER und
Materialkenngröße.
Modifiziertes Epoxidharz
Am Beispiel eines modifizierten Epoxidharzes (EP) mit verschiedener
Vernetzungsdichte wurde eine Korrelation zwischen Erosionswiderstand und
Bruchenergie bzw. Erosionswiderstand und Vernetzungsdichte gefunden. Die
Modifizierung erfolgte mit verschiedenen Anteilen von einem hygrothermisch
abgebauten Polyurethan (HD-PUR). Der Zusammenhang zwischen ER und
Vernetzungsparametern steht im Einklang mit der Theorie der Kautschukelastizität.
Modifizierungseffizienz in Duromeren, Thermoplasten und Elastomeren
Des weiteren wurde der Einfluss von Modifizierungen von Polymeren und
Elastomeren untersucht. Mit dem obenerwähnten System (d.h. EP/HD-PUR) läßt sich
auch der Einfluss der Zähigkeitsmodifizierung des Epoxidharzes (EP) auf das
Erosionsverhalten untersuchen. Es wurde gezeigt, dass für HD-PUR Anteile von
mehr als 20 Gew.% diese Modifizierung einen positiven Einfluss auf die
Erosionsbeständigkeit hat. Durch Variation der HD-PUR-Anteile können für dieses
EP Materialeigenschaften, die zwischen den Eigenschaften eines üblichen
Duroplasten und eines weniger elastischen Gummis liegen, erzeugt werden.
Deswegen stellt der modifizierte EP-Harz ein sehr gutes Modellmaterial dar, um den
Einfluss der experimentellen Bedingungen zu studieren, und zu untersuchen, ob
verschiedene Erodenten zu gleichen Erosionsmechanismen führen. Der Übergang
vom duroplastischen zum zähen Verhalten wurde anhand von vier Erodenten
untersucht. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein solcher Übergang auftritt, wenn
sehr feine, kantige Partikel (Korund) als Erodenten dienen. Die Partikelgröße und -form ist von entscheidender Bedeutung für die jeweiligen Verschleißmechanismen.
Die Effizienz neuartiger thermoplastischer Elastomere mit einer cokontinuierlichen
Phasenstruktur, bestehend aus thermoplastischem Polyester und
Gummi (funktionalisierter NBR und EPDM Kautschuk), wurde in Bezug auf die
Erosionsbeständigkeit untersucht. Große Anteile von funktionalisiertem Gummi (mehr
als 20 Gew.%) sind vorteilhaft für den Erosionswiderstand. Weiterhin wurde
untersucht, ob sich die herausragende Erosionsbeständigkeit von Polyurethan (PUR)
durch Zugabe von Nanosilikaten eventuell noch steigern läßt. Das Ergebnis war,
dass die Nanopartikel sich vor allem bei einem kleinen Verschleißwinkel (30°) negativ
auswirken. Die schwache Adhäsion zwischen Matrix und Partikeln erleichtert den
Beginn und das Wachsen von Rissen. Dies führt zu einem schnelleren
Materialabtrag von der Materialoberfläche.
Faserverbundwerkstoffe
Ferner wurden Faserverbundwerkstoffe (FVW) mit thermoplastischer und
duromerer Matrix auf ihr Verhalten bei Erosivverschleiß untersucht. Es war von
großem Interesse, den Einfluss von Faserlänge und -orientierung zu untersuchen.
Kurzfaserverstärkte Systeme haben einen besseren Erosionswiderstand als die
unidirektionalen (UD) Systeme. Die Rolle der Faserorientierung kann man nur in
Verbindung mit anderen Parametern, wie Matrixzähigkeit, Faseranteil oder Faser-
Matrix Haftung, berücksichtigen. Am Beispiel von GF/PP Verbunden weisen die
parallel zur Verstreckungsrichtung gestrahlten Systeme den geringsten Widerstand
auf. Andererseits findet bei einem GF/EP System die maximale ER in senkrechter
Richtung statt. Eine Verbesserung der Grenzflächenscherfestigkeit beeinflusst die
Erosionsverschleißrate nachhaltig. Wenn die Haftung der Grenzfläche ausreichend
ist, spielt die Erosionsrichtung eine unbedeutende Rolle für die ER. Weiterhin wurde
gezeigt, dass die Präsenz von zähen Zwischenschichten zu einer deutlichen
Verbesserung des Erosionswiderstands von CF/EP- Verbunden führt.
Eine weitere Aufgabenstellung war es, die Rolle des Faservolumenanteils zu
bestimmen. „Lineare, inverse und modifizierte Mischungsregeln“ wurden
angewendet, und es wurde festgestellt, dass die inversen Mischungsregeln besser
die ER in Abhängigkeit des Faservolumenanteils beschreiben können.
Im Anwendungsbereich von Faserverbundwerkstoffen ist nicht nur die Kenntnis
der ER, sondern auch die Kenntnis der Resteigenschaften erforderlich. Ein
halbempirisches Modell für die Vorhersage des Schlagenergieschwellwertes (Uo) für den Beginn der Festigkeitsabnahme und der Restzugfestigkeit nach einer
Schlagbelastung wurde bei der Untersuchung des Erosionsverschleißes
angewendet. Experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen stimmten
nicht nur für duromere CF/EP-Verbundwerkstoffe, sondern auch für
Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix (GF/PP) sehr gut überein.
In this work the investigation of a (Ti, Al, Si) N system was done. The main point of investigation was to study the possibility of getting the nanocomposite coatings structures by deposition of multilayer films from TiN, AlSiN, . This tries to understand the relation between the mechanical properties (hardness, Young s modulus), and the microstructure (nanocrystalline with individual phases). Particularly special attention was given to the temperature effects on microstructural changes in annealing at 600 °C for the coatings. The surface hardness, elastic modulus, and the multilayers diffusion and compositions were the test tools for the comparison between the different coated samples with and without annealing at 600 °C. To achieve this object a rectangular aluminum vacuum chamber with three unbalanced sputtering magnetrons for the deposition of thin film coatings from different materials was constructed The chamber consists mainly of two chambers, the pre-vacuum chamber to load the workpiece, and the main vacuum chamber where the sputtering deposition of the thin film coatings take place. The workpiece is moving on a car travel on a railway between the two chambers to the position of the magnetrons by step motors. The chambers are divided by a self constructed rectangular gate controlled manually from outside the chamber. The chamber was sealed for vacuum use using glue and screws. Therefore, different types of glue were tested not only for its ability to develop an uniform thin layer in the gap between the aluminum plates to seal the chamber for vacuum use, but also low outgassing rates which made it suitable for vacuum use. A epoxy was able to fulfill this tasks. The evacuation characteristics of the constructed chamber was improved by minimizing the inner surface outgassing rate. Therefore, the throughput outgassing rate test method was used in the comparisons between the selected two aluminum materials (A2017 and A5353) samples short time period (one hour) outgassing rates. Different machining methods and treatments for the inner surface of the vacuum chamber were tested. The machining of the surface of material A (A2017) with ethanol as coolant fluid was able to reduce its outgassing rate a factor of 6 compared with a non-machined sample surface of the same material. The reduction of the surface porous oxide layer on the top of the aluminum surface by the pickling process with HNO3 acid, and the protection of it by producing another passive non-porous oxides layer using anodizing process will protect the surface for longer time and will minimize the outgassing rates even under humid atmosphere The residual gas analyzer (RGA) 6. Summary test shows that more than 85% of the gases inside the test chamber were water vapour (H2O) and the rests are (N2, H2, CO), so liquid nitrogen water vapor trap can enhance the chamber pumping down process. As a result it was possible to construct a chamber that can be pumped down using a turbo molecular pump (450 L/s) to the range of 1x10-6 mbar within one hour of evacuations where the chamber volume is 160 Litters and the inner surface area is 1.6 m2. This is a good base pressure for the process of sputtering deposition of hard thin film coatings. Multilayer thin film coating was deposited to demonstrate that nanostructured thin film within the (Ti, Al, Si) N system could be prepared by reactive magnetron sputtering of multi thin film layers of TiN, AlSiN. The (SNMS) spectrometry of the test samples show that a complete diffusion between the different deposited thin film coating layers in each sample takes place, even at low substrate deposition temperature. The high magnetic flux of the unbalanced magnetrons and the high sputtering power were able to produce a high ion-toatom flux, which give high mobility to the coated atoms. The interactions between the high mobility of the coated atoms and the ion-to-atom flux were sufficient to enhance the diffusion between the different deposited thin layers. It was shown from the XRD patterns for this system that the structure of the formed mixture consists of two phases. One phase is noted as TiN bulk and another detected unknown amorphous phase, which can be SiNx or AlN or a combination of Ti-Al-Si-N. As a result we where able to deposit a nanocomposite coatings by the deposition of multilayers from TiN, AlSiN thin film coatings using the constructed vacuum chamber
Based on the framework of continuum mechanics two different concepts to formulate phenomenological anisotropic inelasticity are developed in a thermodynamically consistent manner. On the one hand, special emphasis is placed on the incorporation of structural tensors while on the other hand, fictitious configurations are introduced. Substantial parts of this work deal with the numerical treatment of the presented theory within the finite element method.