Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Refine
Year of publication
- 2008 (17) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (17)
Has Fulltext
- yes (17)
Keywords
- Finite-Elemente-Methode (3)
- Materialermüdung (3)
- Ermüdung (2)
- Aerosol (1)
- Aerosol Particles (1)
- Aerosol Partikeln (1)
- Akustik (1)
- Bifurkation (1)
- Cauchy-Born Regel (1)
- Cauchy-Born Rule (1)
Faculty / Organisational entity
Nanotechnology is now recognized as one of the most promising areas for technological
development in the 21st century. In materials research, the development of
polymer nanocomposites is rapidly emerging as a multidisciplinary research activity
whose results could widen the applications of polymers to the benefit of many different
industries. Nanocomposites are a new class of composites that are particle-filled
polymers for which at least one dimension of the dispersed particle is in the nanometer
range. In the related area polymer/clay nanocomposites have attracted considerable
interest because they often exhibit remarkable property improvements when
compared to virgin polymer or conventional micro- and macro- composites.
The present work addresses the toughening and reinforcement of thermoplastics via
a novel method which allows us to achieve micro- and nanocomposites. In this work
two matrices are used: amorphous polystyrene (PS) and semi-crystalline polyoxymethylene
(POM). Polyurethane (PU) was selected as the toughening agent for POM
and used in its latex form. It is noteworthy that the mean size of rubber latices is
closely matched with that of conventional toughening agents, impact modifiers.
Boehmite alumina and sodium fluorohectorite (FH) were used as reinforcements.
One of the criteria for selecting these fillers was that they are water swellable/
dispersible and thus their nanoscale dispersion can be achieved also in aqueous
polymer latex. A systematic study was performed on how to adapt discontinuousand
continuous manufacturing techniques for the related nanocomposites.
The dispersion of nanofillers was characterized by transmission, scanning electron
and atomic force microcopy (TEM, SEM and AFM respectively), X-ray diffraction
(XRD) techniques, and discussed. The crystallization of POM was studied by means
of differential scanning calorimetry and polarized light optical microscopy (DSC and
PLM, respectively). The mechanical and thermomechanical properties of the composites
were determined in uniaxial tensile, dynamic-mechanical thermal analysis
(DMTA), short-time creep tests, and thermogravimetric analysis (TGA).
PS composites were produced first by a discontinuous manufacturing technique,
whereby FH or alumina was incorporated in the PS matrix by melt blending with and
without latex precompounding of PS latex with the nanofiller. It was found that direct melt mixing (DM) of the nanofillers with PS resulted in micro-, whereas the latex mediated
pre-compounding (masterbatch technique, MB) in nanocomposites. FH was
not intercalated by PS when prepared by DM. On the other hand, FH was well dispersed
(mostly intercalated) in PS via the PS latex-mediated predispersion of FH following
the MB route. The nanocomposites produced by MB outperformed the DM
compounded microcomposites in respect to properties like stiffness, strength and
ductility based on dynamic-mechanical and static tensile tests. It was found that the
resistance to creep (summarized in master curves) of the nanocomposites were improved
compared to those of the microcomposites. Master curves (creep compliance
vs. time), constructed based on isothermal creep tests performed at different temperatures,
showed that the nanofiller reinforcement affects mostly the initial creep
compliance.
Next, ternary composites composed of POM, PU and boehmite alumina were produced
by melt blending with and without latex precompounding. Latex precompounding
served for the predispersion of the alumina particles. The related MB was produced
by mixing the PU latex with water dispersible boehmite alumina. The composites
produced by the MB technique outperformed the DM compounded composites in
respect to most of the thermal and mechanical characteristics.
Toughened and/or reinforced PS- and POM-based composites have been successfully
produced by a continuous extrusion technique, too. This technique resulted in
good dispersion of both nanofillers (boehmite) and impact modifier (PU). Compared
to the microcomposites obtained by conventional DM, the nanofiller dispersion became
finer and uniform when using the water-mediated predispersion. The resulting
structure markedly affected the mechanical properties (stiffness and creep resistance)
of the corresponding composites. The impact resistance of POM was highly
enhanced by the addition of PU rubber when manufactured by the continuous extrusion
manufacturing technique. This was traced to the dispersed PU particle size being
in the range required from conventional, impact modifiers.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe verfügen über eine hervorragende Leichtbaugüte
und weisen unter zyklischer Beanspruchung ein gegenüber metallischen
Werkstoffen günstigeres Schwingermüdungsverhalten auf. Aus diesen Gründen
erlangen derartige Konstruktionswerkstoffe zunehmend an Bedeutung für maschinenbauliche
Anwendungen, bei denen die tragenden Strukturen zeitweise hohe
Beschleunigungen erfahren und über die Einsatzdauer oftmals durch sich wiederholende
Belastungsfolgen beansprucht werden. Innerhalb des Entwicklungsprozesses
solcher Strukturen reicht eine globale strukturmechanische Auslegung meist nicht
aus. Vielmehr müssen für das Erzielen einer optimierten und wirtschaftlichen Lösung
strukturelle Details, wie insbesondere lokale Lasteinleitungen, sorgfältig betrachtet
werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der voraussichtlichen Einsatzdauer (Lebensdauer)
der Struktur inklusive der Anbindungspunkte sowohl aus Kostensicht als
auch aus Sicherheitsaspekten erforderlich. Für den konstruierenden Ingenieur
müssen daher robuste und zuverlässige Lasteinleitungslösungen entwickelt und
aussagefähige Berechnungswerkzeuge zur Lebensdauervorhersage von Faser-
Kunststoff-Verbunden bereitgestellt werden.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden für Getriebekomponenten in Kohlenstofffaser-
Verbund-Bauweise anforderungsgerechte Lösungen zur Einleitung hoher
zyklischer Kräfte erarbeitet. Dabei wurden die Integration von Zylinderrollenlagern
durch mechanisches Einpressen und das Tragverhalten von direkt in den Verbund
eingeschraubten Gewindeeinsätzen untersucht. Zur Auslegung der Lagerfügung
wurde ein analytisches Modell entwickelt, anhand dessen die erforderlichen Passungstoleranzen
ermittelt und die daraus resultierende Fugenpressung abgeschätzt
werden konnte. Weiterhin konnte mit Hilfe von Lichtmikroskopieuntersuchungen ein
schädigungsfreies Fügen des Lagers nachgewiesen werden. Anhand quasistatischer
Auszugsversuche an repräsentativen Probekörpern mit eingeschraubten
Gewindeeinsätzen wurde das charakteristische Tragverhalten der gewählten Verschraubung
beschrieben. Durch Auszugversuche nach zyklischer Vorbelastung
konnte eine Resttragfähigkeit der Verbindung abgeschätzt werden, die im Betrag
deutlich über der im Betrieb einzuleitenden Anbindungskraft liegt. Der abschließende
Tragfähigkeitsnachweis der entwickelten Lasteinleitungslösungen erfolgte an Getriebekomponenten mit mechanisch gefügten Lagern und eingeschraubten Gewindeeinsätzen
in einem Technikumsprüfstand unter realen Betriebsbedingungen.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit stellte die Erweiterung der Methodik zur
rechnerischen Lebensdauervorhersage von Mehrschichtverbunden unter Schwingermüdungsbeanspruchung
durch die Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten
und Delaminationsschädigungen dar. Die Modellierung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens
erfolgte dabei basierend auf einer experimentellen Charakterisierung
eines zähmodifizierten Vinylester-Urethan-Hybrid-Harzsystems mit Kohlenstofffaserverstärkung.
In der Modellierung wurde das nichtlineare Verhalten der für die Lebensdauerberechnung
relevanten Werkstoffkenngrößen erfasst. Darüber hinaus
wurde der Steifigkeitsabfall eines quasi-isotropen Laminats unter Einstufenbelastung
experimentell bestimmt und anhand einer geeigneten mathematischen Formulierung
beschrieben. Aufgrund von dabei beobachteten großflächigen und mitunter vollständigen
Schichttrennungen wurde ein Ansatz zur mechanischen Beschreibung von
Laminaten mit Delaminationsschädigungen auf Grundlage der Klassischen Laminattheorie
entwickelt. Ein vorhandenes Lebensdaueranalyseprogramm auf dem
Prinzip des „critical element“-Konzepts wurde um einen Berechnungskern zur
schichtenweisen Versagensanalyse ergänzt. Die genannten Erweiterungen umfassten
Module zur nichtlinearen Spannungsanalyse auf Basis der Sekanten-Modul-
Iterationstechnik, zur Vorhersage von Zwischenfaserbruch-Versagen nach dem
Wirkebenenkriterium von Puck und zur Degradation von Steifigkeitskomponenten
nach dem Auftreten von Zwischenfaserbrüchen.
Anhand einfacher Berechnungsbeispiele wurde nachfolgend der Einfluss der werkstofflichen
Nichtlinearitäten auf die rechnerische Lebensdauervorhersage untersucht.
Abschließend erfolgte die Nachrechnung von Versuchsergebnissen am quasiisotropen
Laminat unter quasi-stochastischer Belastung (miniTWIST), wobei im
Allgemeinen eine sehr gute Übereinstimmung der rechnerischen Vorhersage mit
Versuchsergebnissen festgestellt wurde.
For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up
the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix systems
with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and
tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
Faser-Kunststoff-Verbunde sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und
Formgebungsmöglichkeiten der Trendwerkstoff im Rahmenbau von Hochleistungs-
Sportfahrrädern. Hierbei ermöglicht die zunehmende Berücksichtigung von Leichtbau-
Technologien eine Erhöhung der Leistungs-Gewichts-Relation, um den stetig
wachsenden Anforderungen an die Fahreigenschaften, die Haltbarkeit und das Gewicht
gerecht zu werden.
Ein geschichtlicher Rückblick über die letzten Jahrzehnte im Fahrradrahmenbau
zeigt eine deutliche Gewichtsreduktion bei steigender Funktionalität. Besonders der
Einsatz neuartiger Werkstoffe ermöglichte immer wieder eine wesentliche Erhöhung
der Leichtbaugüte. In den Anfängen begannen die Rahmenhersteller mit Gusseisen,
anschließend wurde Stahl verwendet und schließlich Leichtmetalle, wie Aluminium.
Die derzeit leichtesten Rahmen werden aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
gefertigt.
Die Anwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden ist deutlich komplexer und fordert
eine integrierte Betrachtungsweise von den Werkstoffen über die Bauweise, der
Fertigungstechnologie sowie der Bauteilprüfung. Die erzielbare Leistungsfähigkeit
eines Hochleistungs-Rahmens wird hierbei wesentlich in der Konstruktions- und
Dimensionierungsphase vorgegeben. Eine Übersicht über derzeitige Bauweisen und
Fertigungstechnologien zeigt deren spezifische Eigenschaften.
Um in der Entwicklung eine möglichst gute Lösung innerhalb eines vorgegebenen
Zeitfensters zu erreichen, können praktikable und effiziente Simulationswerkzeuge
einen erheblichen Beitrag leisten. Hierzu wurde ein Werkzeug entwickelt, welches
mit Hilfe eines Gradientenverfahrens an parametrischen Geometrie FE-Modellen zur
Gestaltoptimierung und Optimierung der Laminatkonfiguration angewendet werden
kann. Dieses ist auf in Differentialbauweise gefertigte Rahmen ausgerichtet und
berücksichtigt in besonderem Maße die werkstoff- und fertigungsspezifischen Anforderungen
von Faser-Kunststoff-Verbunden.
Zur Verbesserung der Festigkeitsvorhersage dient ein Modell zur vollständigen
schichtenweisen Bruchanalyse, welches aus den Bausteinen Spannungsermittlung
mit Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten, Festigkeitskriterium mit Unterscheidung
der Bruchtypen Zwischenfaserbruch und Faserbruch sowie Steifigkeitsdegradation
der Einzelschicht nach Eintritt von unkritischen Matrixbrüchen besteht. Das Modell erlaubt die Vorhersage des gesamten Schädigungsprozesses unter quasistatischer
Belastung vom Erstschichtversagen bis hin zum Laminatversagen. Weiterhin
wurde das Modell in ein kommerzielles FE-Programm implementiert und erlaubt
die Analyse von komplex geformten Strukturen.
Unter Anwendung der Simulationswerkzeuge konnten drei Hochleistungs-Rahmen in
Differentialbauweise entwickelt werden, die weltweit zu den leichtesten und steifsten
gehören. Hierbei lieferte das Optimierungswerkzeug die Ausgangsgestalt sowie die
in den Rohren notwendige Laminatkonfiguration zur Erreichung höchstmöglicher
Steifigkeits-zu-Gewichtsverhältnisse. Aufbauend auf den Erkenntnissen erfolgte die
detaillierte Rahmenkonstruktion. Kritische Bereiche am Rahmen konnten durch die
abschließende Anwendung des Festigkeitsanalysewerkzeugs aufgedeckt und beseitigt
werden. Es konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Festigkeitsanalysewerkzeugs
mit Prüfstandsversuchen gezeigt werden. Die erzielten herausragenden
Fahreigenschaften und die Haltbarkeit der entwickelten Rahmen konnten
sowohl auf Prüfständen als auch im Alltag bereits ausgiebig unter Beweis gestellt
werden.
Der Einfluss von transversalen Stoßeinwirkungen auf Fahrradrahmen wurde an
Sturzversuchen an kompletten Rennrädern sowie an repräsentativen Ober- und
Unterrohren aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff untersucht
und die auftretenden Schädigungen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere
an Rahmen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nicht sichtbare Schäden
bereits bei geringsten Stoßeinwirkungen auftreten, unabhängig vom verwendeten
Fasertyp. Durchgeführte zyklische Prüfungen an vorgeschädigten Rennradrahmen
unter geringer Stoßeinwirkung zeigten keinen messbaren Verlust an Steifigkeit oder
Haltbarkeit der untersuchten Rahmen. Untersuchungen zum Einfluss des Fasertyps
auf die Impakteigenschaften zeigten deutliche Unterschiede bei den aufgetretenen
visuell erkennbaren Schäden.
Sandwichstrukturen mit einem Wabenkern und Faserverbund-Deckschichten finden
aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend Verwendung in zahlreichen
Konstruktionen, in denen eine Gewichtsersparnis angestrebt wird – allen voran im
Flugzeugbau. Im gleichen Zuge werden in der Produktentwicklung aus Effizienzgründen
verstärkt numerische Simulationsrechnungen auf Basis der Finite-Elemente-
Methode verwendet, um Bauteile für statische oder kurzzeitdynamische Belastungen
wie Crash- oder Impact-Belastungen auszulegen.
Die nichtlineare Materialmodellierung derartiger inhomogener Sandwichstrukturen
stellt aufgrund einer Vielzahl möglicher Versagensarten eine komplexe Aufgabe dar.
Da gerade auch im Fall von kurzzeitdynamischen Belastungen, bei denen Dehnrateneffekte
eine Rolle spielen können, wenig Kenntnis bezüglich des Materialverhaltens
besteht, setzt die vorliegende Arbeit an dieser Stelle an, um das Schädigungsverhalten
von Sandwichstrukturen im Flugzeugbau experimentell zu erfassen und
geeignete Modellierungsmethoden in der kommerziellen expliziten Berechnungssoftware
LS-DYNA zu entwickeln.
Neben den im Luftfahrtbereich etablierten Nomex®-Honigwaben wurden auch neuartige
Faltwaben untersucht, wobei zunächst das mechanische Verhalten beider Wabentypen
unter quasi-statischen und hochdynamischen Lastraten charakterisiert
wurde. Neben der experimentellen Bestimmung der Materialeigenschaften wurden
alternativ analytische und numerische Methoden angewendet. Insbesondere die virtuellen
Werkstoffprüfungen mittels dynamischer Simulationen und Mesomodellen
zeigten dabei das Potenzial, auf effiziente Weise und mit einer hohen Ergebnisgenauigkeit
das mechanische Verhalten von Wabenkernen vorherzusagen.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung der in der Passagierkabine
verwendeten Sandwichstrukturen, welche aus Brandschutzgründen mit Deckschichten
aus glasfaserverstärkten Phenoplasten ausgeführt sind. In Versuchsreihen wurden
der Dehnrateneffekt des Deckschichtmaterials, die Festigkeit der Kern-
Deckschicht-Verklebung, der Einfluss des Herstellverfahrens auf die mechanischen
Eigenschaften sowie die Versagensarten unter ebener und transversaler Belastung
untersucht und in numerischen Modellen abgebildet. Da insbesondere Lasteinleitungs- und Verbindungsstellen potenzielle Versagensstellen
von Konstruktionen in Sandwichbauweise sein können, wurde das Schädigungsverhalten
von unterschiedlichen Kanten- und Insert-Verbindungen experimentell untersucht.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden Modellierungsmethoden entwickelt,
die eine Abbildung des Versagensverhaltens ermöglichen.
Im Rahmen der Versuchsreihen stellte sich ein transversales Kernschubversagen als
eine dominierende Schädigungsart heraus. Da unter Verwendung einer Schalenmodellierung
für die Sandwichstruktur in der Berechnungssoftware LS-DYNA kein Materialmodell
für den Wabenkern existiert, welches ein solches Versagen abbilden kann,
wurde hierfür ein benutzerdefiniertes orthotropes Werkstoffgesetz entwickelt. Neben
dem Transversalschubversagen wurden hierin auch die weiteren in dieser Arbeit ermittelten
Charakteristika von Wabenkernen wie ein nichtlineares Nachversagensverhalten
oder ein Dehnrateneffekt implementiert.
In dieser Arbeit wurden zahlreiche neue Erkenntnisse zum einen hinsichtlich des Materialverhaltens
der untersuchten Sandwichstrukturen und zum anderen hinsichtlich
der Modellierungsmethoden gewonnen. Diese Erkenntnisse lassen sich für eine Vielzahl
unterschiedlicher nichtlinearer Problemstellungen bei Sandwichstrukturen in der
Luftfahrt einsetzen und finden innerhalb dieser Arbeit in drei exemplarischen kurzzeitdynamischen
Lastfällen Anwendung: die Simulation von Kabinenkomponenten
bei einer harten Landung, die Impact-Belastung einer Faltwaben-Sandwichstruktur
sowie die Crashsimulation eines Rumpfsegments in Sandwichbauweise.
Die Herstellung duroplastischer Werkstoffe verlangt nicht nur eine präzise Kenntnis
des Materialverhaltens in Abhängigkeit der Prozessführung, sondern auch den
Einsatz geeigneter Analysemethoden zur Charakterisierung und Beurteilung des
Werkstoffes. Eine wesentliche Herausforderung bei der Vernetzung von Polymeren
stellen innere Spannungen dar, die durch chemischen Reaktionsschwund und
thermische Ausdehnung verursacht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Vernetzungsvorgang und die daraus resultierenden
Eigenschaften eines Epoxidharzes mit bestehenden materialwissenschaftlichen
Analyseverfahren zu charakterisieren und durch die Implementierung einer
neuartigen Dehnungsmesstechnik einen idealen thermischen Vernetzungsprozess
für einen spannungsminimierten Zustand zu definieren.
Den Untersuchungen liegt ein kommerzielles Epoxidharz (EP-Harz) auf der Basis
von anhydridgehärtetem Bisphenol A zugrunde. Es wurden sowohl das reine, d.h.
das ungefüllte Polymer, als auch ein mit Calciumsilikat und -carbonat gefülltes
System analysiert. Eine Materialcharakterisierung mit kalorimetrischen und
rheologischen Verfahren in Verbindung mit der Anpassung an reaktionskinetische
und chemorheologische Modelle liefert eine quantitative Beschreibung des
Vernetzungsvorganges sowohl des ungefüllten als auch des gefüllten EP-Harzes.
Die während der Vernetzung auftretenden Kräfte der beiden Harzsysteme wurden
mit Normalkraftmessungen erfasst und mathematisch erfolgreich modelliert. Das
Erweichungsverhalten sowie die (bruch)mechanischen Werte der Werkstoffe wurden
mit statischen und dynamischen mechanischen Analysen im unterschiedlich stark
vernetzten, festen Zustand geprüft. Maximale mechanische Eigenschaften werden
erst bei vollständiger Umsetzung erreicht.
Ein neuartiges Verfahren basierend auf einer faseroptischen Messsensorik wurde für
das gefüllte EP-Harz entwickelt und ermöglicht die Bestimmung reaktionsinduzierter
Dehnungen im vernetzenden Polymer. Fibre Bragg Grating (FBG)-Sensoren, die
direkt im Reaktionsharz eingebettet wurden, ermöglichen die Bestimmung von
charakteristischen Phasenübergängen während der chemischen Vernetzung, d.h.
Gelierung und Verglasung, ebenso wie die Erfassung des Ausdehnungsverhaltens
unter Temperatureinfluss. Die Ergebnisse zeigen exzellente Übereinstimmungen zu
den Daten aus etablierten Messverfahren wie Kalorimetrie, Rheologie, Volumendilatometrie
und thermisch-mechanischer Analyse. In umfangreichen Serien wurde
mithilfe der FBG-Technik der Einfluss verschiedener Phasen des thermischen Vernetzungsprozesses auf die reaktionsinduzierte Dehnungsentwicklung des EPHarzes
ermittelt.
Die erzielten Ergebnisse in Kombination mit ergänzenden Untersuchungen zum
Erweichungsverhalten sowie zur Eigenerwärmung durch exotherme Reaktion
erlauben die Definition eines idealisierten thermischen Prozesses mit dem Ziel einer
Minimierung innerer Spannungen im vernetzenden Werkstoff. Das ideal
spannungsoptimierte Härteprofil wird dadurch erzielt, dass bei zunächst moderater
Temperatur die Vernetzung in Gang gesetzt wird. Die anschließende Aufheizphase
auf Härtetemperatur startet noch im flüssigen Zustand und wird unter
Berücksichtigung von Exothermieeffekten so zügig durchgeführt, dass die Gelierung
des Materials bei möglichst hoher Temperatur stattfindet, idealerweise beim
maximalen Glasübergangspunkt Tg,∞. Erst nach einer vollständigen Vernetzung bei
entsprechend hoher Härtetemperatur tritt die Materialverglasung bei Unterschreitung
des Tg,∞ ein. Durch die gezielte Temperaturführung wird erreicht, dass die thermische
Ausdehnung gegenüber der chemischen Volumenreduktion dominiert und das
Auftreten von Zugkräften im vernetzenden Polymer unterbunden wird. Eine
frühzeitige Gelierung und besonders eine vorzeitige Verglasung während des
Vernetzungsprozesses hingegen verursachen bereits in einem niedrigen
Umsatzstadium Zugkräfte und Spannungen im Material, die sich in einem frühen
Materialversagen etwa in Form von Rissen äußern.
Die vorliegende Arbeit präsentiert durch die Implementierung des FBG-Verfahrens
nicht nur ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Polymerentwicklung, sondern bietet
auch durch die überzeugenden faseroptischen Messergebnisse in Kombination mit
gängigen Analyseverfahren eine höchst effektive Strategie zur Erreichung eines
idealen Härteprozesses zur spannungsarmen Vernetzung von Epoxidharzen.
Sublimation (Evaporation) is widely used in different industrial applications. The important applications are the sublimation (evaporation) of small particles (solid and liquid), e.g., spray drying and fuel droplet evaporation. Since a few decades, sublimation technology has been used widely together with aerosol technology. This combination is aiming to get various products with desired compositions and morphologies. It can be used in the fields of nanoparticles generation, particle coating through physical vapor deposition (PVD) and particle structuring. This doctoral thesis deals with the experimental and theoretical investigations of sublimation (evaporation) kinetics of fine aerosol particles (droplets). The experimental study was conducted in a test plant including on-line control of the most important paramters, such as heating temperature, gas flow and pressure. On-line and in-line particle measurements (Optical sensor, APS) were employed. Relevant parameters in sublimation (evaporation) such as heating temperature, particle concentration and aerosol residence time were investigated. Polydispersed particles (droplets) were introduced into the test plant as precursor aerosols. Two kinds of materials were used as test materials, including inorganic particles of NH4Cl and organic particles of DEHS. NH4Cl particles with smooth surface and porous structure were put into the experiments, respectively. The influence of the particle morphology on the sublimation process was studied. Basing on the experiments, different theoretical models were developed. The simulation results under different parameters were compared with experimental results. The change of concentration of particles was specially discussed. The discussion was focused on the relationship of the total particle concentration and the change of single particles with diverse initial diameters. The study of the sublimation kinetics of particles with different morphologies and different specific surface areas was carried out. The factor of increased surface area on the sublimation process was taken into the simulation and the results were compared with experimental results. A sublimation (evaporation) kinetics was investigated in this thesis. Basing on the property of a material, such as molecular weight, molecular size and vapor pressure, the sublimation (evaporation) kinetics was described. The optimum sublimation (evaporation) conditions with respect to the material properties were advanced. A Phase Transition Effect during the sublimation (evaporation) was found, which describes the increase of the large particles on the cost of small particles. A similar effect is observed in crystal suspension (called Ostwald ripening) but with another physical background. In order to meet the need of in-line particle measurement, a hot gas sensor (O.P.C.) was developed in this study, for measuring the particle size and the size distribution of an aerosol. With the newly developed measuring cell, the operating conditions of the aerosol could be increased up to 500°C.
Ein Beitrag zu Optimierung der Informationslogistik im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie
(2008)
Die Informationslogistik als die richtige Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist heutzutage im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie nicht ideal ausgeführt. Redundante Informationen wie auch historisch gewachsene, heute nicht mehr benötigte Informationen stehen fehlenden Informationen gegenüber. Medienbrüche führen zu Fehlern und hohem Aufwand. Auf der anderen Seite stellt das Ersatzteilwesen der Automobilindustrie aus Sicht der Information ein komplexes Umfeld dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem strukturiert ein Grobkonzept für eine optimierte Informationslogistik erstellt werden kann. Die Arbeitsschritte sind an die Konstruktionsmethodik im Maschinenbau angelehnt. Das Vorgehensmodell ist dabei nicht auf spezielle Informationstechnologien wie beispielsweise die aktuell vielfach diskutierte Radiofrequenzidentifikation (RFID) festgelegt. Das Ergebnis des Vorgehensmodells ist ein Grobkonzept, welches den Informationen in ihrem Lebenszyklus optimiert Technologie und Speicherort in Bezug zu den Prozessen zuweist. Gleichzeitig werden wichtige Eigenschaften der Technologien wie z.B. die benötigte Speichergröße definiert. Das so erarbeitete Grobkonzept stellt eine fundierte Grundlage für die anschließende Feinplanung der Informationslogistik dar.
Dry Sliding and Rolling Tribotests of Carbon Black Filled EPDM Elastomers and Their FE Simulations
(2008)
Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.
Der stetige Fortschritt in der Fahrzeugakustik zeigt sich besonders in dem gewonnenen Komfort-eindruck, obwohl die Ausstattungsmöglichkeiten durch Nebenaggregate (Mechatroniksystemen) an Anzahl, Funktion und Leistung deutlich zugenommen haben. Besonders Fahrzeuge der Oberklasse weisen eine Vielzahl von „mechatronischen“ Systemen mit den unterschiedlichsten Aktuatoren auf. Als Beispiele seien hier genannt: die hydraulische Wankstabilsierung und Lenkhilfe, die pneumati-sche Niveauregulierung, das elektrohydraulische Bremsregelsystem, das Hochdruckeinspritzsystem der Kraftstoffanlage oder die Vielzahl der elektrischen Stellmotoren, z.B. im Fensterheberantrieb, in Lenksäulen- oder Sitzverstellungen, usw. Die Leistungs- und Medienversorgung durch Stromkabel, Luftkanäle, Kraftstoff-, Rohr- und Schlauchleitungen stellen durch deren Verbindungen der Aggregate zur Karosserie auch Körper-schallnebenwege dar. Hierbei werden neben dem Körperschalleintrag des Verbrennungsmotors auch die Funktionsgeräusche der Hilfsaggregate selbst in den Fahrzeuginnenraum übertragen. Auf-grund der Vielzahl der Mechatroniksysteme und damit verbundenen Schallnebenwege übersteigt der Geräuschbeitrag die klassischen Schallpfade, wie Motorlagerung und Antriebsstranglagerung. Die Reduktion der Geräuschemission von Nebenaggregaten besitzt heute die gleiche Bedeutung in der Fahrzeugentwicklung wie die klassischen Themen der Strukturdynamik, Antriebs- und Strö-mungsakustik. Eine besondere Bedeutung haben hierbei die Schlauchleitungen der hydraulischen Lenkung und Wankstabilisierung, der Kraftstoffversorgung und der Klimaanlage. Sie stellen durch ihre Verbin-dung von Motoraggregat (Pumpe, Kompressor) zu Karosserieaggregat (Lenkgetriebe, Ventilblock) eine Körperschallbrücke dar. Die konstruktive Gestaltung der Schlauchleitungen und die geometri-sche Verlegung im Fahrzeugbauraum haben einen gravierenden Einfluss auf die Geräuschübertra-gung. Eine kostengünstige und gewichtsreduzierte Konstruktion mit ausreichender Einfügedäm-mung ist nur durch präzise Konstruktionsabstimmung innerhalb der frühen Phase des Produktent-wicklungsprozesses möglich. In dieser Gestaltungsphase werden die Konstruktionskonzepte der einzelnen Baugruppen festgelegt. Dies geschieht überwiegend am „virtuellen“ Gesamtfahrzeugmo-dell. Die Absicherung der Konzeptstudien durch Messungen am Gesamtfahrzeug hinsichtlich der Grenzwerteinhaltung ist deshalb nicht möglich. Auch Erfahrungswerte sind zur Beantwortung spe-zifischer Fragestellungen bei Weitem nicht ausreichend, weshalb auf Komponentenversuche oder Simulationen zurückgegriffen werden muss. Die akustische Beurteilung bedingt hierbei allerdings eine Grenzwertableitung aus dem Gesamtfahrzeug zum Mechatroniksystem, bzw. sogar ein „Run-terbrechen“ auf die Ebene der Einzelkomponenten. Die Aufgabe dieser Arbeit war es, funktionale Abhängigkeiten der Körperschallübertragung von konstruktiven Auslegungen biegeschlaffer Schlauchleitungen nachzuweisen. Hierzu mussten für die Berechung die fehlenden dynamische Steifigkeiten der Schlauchwandung und des Systems Öl-Schlauchwand der im Fahrzeug verlegten Schlauchleitungen ermittelt werden. Die Vielzahl der Schlauchmaterialien wurde durch definierte Schlauchproben repräsentiert. Zur Bestimmung der kinematischen Kenngrößen wurden zunächst neue Prüfstandskonzepte entwickelt, welche Schlauchverlegungen unter den in Fahrzeugen herrschenden Randbedingungen zulassen. Nach mehreren Konzeptverbesserungen und Wirksamkeitsprüfungen wurde ein „Akustik-Schlauchprüfstand“ konstruiert und gebaut. Mit diesem „Akustik-Schlauchprüfstand“ können nun die Körperschallübertragungseigenschaften von viskoelastischen Schlauchmaterialien und elastischen Stahl- bzw. Wellrohren auch außerhalb des Gesamtfahrzeugaufbaues fahrzeugunabhängig ermittelt werden. Eine Berücksichtigung der Fahrzeugrandbedingungen erfolgt hierbei durch die äußeren Lasten in Form eines Betriebskennfel-des. Das Betriebskennfeld, gebildet durch die äußeren Lasten des Fluiddrucks und der Umgebungs-temperatur, wird durch den wesentlichen geometrischen Lastfall der Biegeverlegung in Abhängig-keit vom Biegeradius ergänzt. Das Verhalten der kinematischen Steifigkeiten im Betriebskennfeld gibt Aufschluss über die für den Konstrukteur wichtigen Beeinflussungsmöglichkeiten der akusti-schen Übertragungseigenschaften. Aufgrund der kinematischen Verhärtung von viskoelastischen Materialien müssen die System-kenngrößen ermittelt werden. Dies bedeutet z.B. für das Elastizitätsverhalten nicht, die Steife zu bestimmen, sondern deren akustische Wirkung als kinematische Steife im für die Fahrzeugakustik relevanten Frequenzbereich 100 Hz bis 1000 Hz. Aufgrund des meist vorherrschenden linearen Amplitudenverhaltens im Betriebspunkt kann zur Dämpfungsberücksichtigung auf das lineare Kel-vin-Voigt Modell zurückgegriffen werden. Eine Vereinfachung der mathematischen Formulierun-gen der System- und Materialeigenschaften bietet hierbei die zulässige Beschränkung auf reine harmonische Schwingungen und die Berücksichtigung der Dämpfung durch die Einführung der komplexen Steife bzw. des komplexen E-Moduls. Nach einem Überblick über vorangegangene Arbeiten (Kapitel 2) werden zunächst die akustischen Grundlagen zur Beschreibung der komplexen Kenngrößen, wie kinematische Steife und E-Modul der Schlauchproben, aufgezeigt. Das Phänomen der Kontinuumschwingungen des massebehafteten Schlauches und die Ausbildung der stehenden Körperschallwellen in ihrer modalen Ausprägung als Dehn-, Torsion und Biegewelle werden erläutert (Kapitel 3). Zur Verifizierung der Messergebnisse wurden versuchsbegleitend Berechnungsmodelle der Schlauchproben entwickelt. Basierend auf der Technik der akustischen „Mehrpolmatrizen“ lassen sich mit ausreichender Genauigkeit die Verteilung der Kraft- und des Körperschallschnellepegels längs der Schlauchprobe sowie deren modale Schwingformen beschreiben (Kapitel 4). Die Mög-lichkeit, einen druckbelasteten Hydraulikschlauch mit einem simulatorisch modifizierbaren Fluid im Betriebskennfeld abzubilden, ist besonders zum Verständnis des Masseverhaltens und der hyd-raulischen Steife von Ölen hilfreich. Inspiriert durch den Zweimassenschwingeraufbau als akustischem „Tonpilz“ wurde ein Prüfstand-konzept erarbeitet (Kapitel 5.1). Hierzu wurden Versuchseinrichtungen zum Aufprägen von Flu-iddruck und homogener Wärmebelastung bei einstellbarer Biegeverlegung der Schlauchproben in einer entsprechend konstruierten Wärmekammer entwickelt. Mit Hilfe einer Aufspannvorrichtung werden selektiv die Schwingmoden des Kontinuums der technisch wichtigen stehenden Dehn-, Torsion- und Biegewellen kraftangeregt. Die sich einstellenden Eigenresonanzlagen werden mess-technisch in allen Raumrichtungen zeitgleich erfasst. Speziell konstruierte Impedanzmessköpfe für die Erfassung der statischen und kinematischen Messwerte erreichen bis zur Grenzfrequenz von 2 kHz die für eine Wellenreflexion ausreichend hohe dynamische Masse am Probenanfang und -ende. Zentrales Thema der experimentellen Untersuchungen ist das Materialverhalten im Betriebskenn-feld (Kapitel 5.2). Mit Hilfe exakter Eigenfrequenz- und Eigenmodemessungen wird der komplexe kinematische E-Modul des Schlauchs als Systemgröße bestimmbar. Die Berücksichtigung eines anisotropen Elastizitätsverhaltens der Schlauchwandung gelingt durch hierfür abgeleitete Glei-chungen: Mittels Gleichsetzen der reduzierten Kompressionsmodule, beschrieben durch die Korte-weg-Gleichung und dem zu Grunde liegenden Schlauch-Öl Federmodell, ergibt sich die Dehnwel-lensteife der Schlauchwandung. Ergänzend zum Kinematikfaktor, welcher das Verhältnis der stati-schen zur kinematischen Materialsteife beschreibt, wird der „Isotropenfaktor“ zur Beschreibung der Richtungsabhängigkeit des E-Moduls eingeführt. Alle dominanten Einflüsse und akustischen Zusammenhänge der Materialeigenschaften und ihrer geometrischen Größen werden funktional beschrieben und die Auswirkungen auf die Körperschallübertragung diskutiert. Die Betrachtungs-weise der gebogenen Schlauchleitungen und die damit verbundene Veränderung der Wellenge-schwindigkeit relativ zu geraden Schlauchproben sowie die durch Biegeverlegung mögliche Kopp-lung von Dehn- und Biegewelle werden formal mit dem Biegeradius, der Schlauchlänge und der Anregekraft mathematisch verknüpft. Für die praktische Anwendung zur kinematischen Schlauchprobenbeschreibung erfolgt eine Ap-proximation an die akustischen Kenndaten in einem Standardversuch. Nach Linearisierung ihn den Hauptbetriebspunkten kann das Schlauchsystem kinematisch durch Kennzahlen beschrieben wer-den. Hierdurch ist eine Klassifizierung in Entwicklungslastenheften möglich. Aus den Versuchen ermittelte Faktoren und Exponenten bieten die Möglichkeit, durch Gleichungen die Abhängigkeit der Körperschallübertragung von Druckbelastung, Materialtemperatur und Schlauchbiegeradius zu berücksichtigen. Mit dem „Akustik-Schlauchprüfstand“ und den in dieser Arbeit beschrieben Berechnungsverfahren können nun fahrzeugunabhängig auf einem Komponentenprüfstand die Körperschallübertragungs-eigenschaften der viskoelastischen Schlauchmaterialien im Betriebskennfeld ermittelt werden. Es erschließt sich ein weiteres Potenzial der akustischen Verbesserung der Dämmungseigenschaften von Schläuchen aufgrund ermittelbarer kinematischer Kenngrößen. Eine akustischen Kriterien folgende Schlauchmaterialauswahl und die entsprechend definierte Biegeverlegung ist nun mög-lich. Weitere Untersuchungen sollten der Kopplung von Dehn- und Biegewelle, ergänzt durch eine Tor-sionswellenüberlagerung, gelten. Auch ist die Funktion der Eingangsimpedanzen des „halbunendli-chen“ Schlauches bei der Wellenformkopplung zu ergründen. Ein Ansatz könnte das Aufstellen einer „Wellenkopplungsfunktion“ in Abhängigkeit der Biegeverlegung und der entsprechenden Implementierung in eine „Mehrpolübertagungsmatrix“ sein.