Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
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Faculty / Organisational entity
Additive 3D-Drucksverfahren ermöglichen eine automatisierte wie flexible Fertigung
komplexer 3D-Geometrien direkt aus einem CAD-Modell ohne die Notwendigkeit ei
nes bauteilspezifischen Werkzeugs. Nachteil vor allem beim 3D-Drucken von Kunst
stoffen sind jedoch die geringen mechanischen Eigenschaften, die auf verfahrensbe
dingte Herausforderungen, aber auch auf eine eingeschränkte Auswahl verarbeitba
rer Materialien zurückzuführen sind. Eine Möglichkeit die mechanischen Eigenschaf
ten von Kunststoffen zu verbessern, ist die Kombination mit Verstärkungsfasern. Die
höchste Verstärkungswirkung entfalten Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) wenn die
Fasern kontinuierlich und in Lastrichtung vorliegen. Um ihr volles Potential zu entfal
ten, müssen FKV daher möglichst gut an die jeweiligen Anwendungen angepasst
werden. Das erschwert eine automatisierte und effiziente Fertigung, gerade von
komplexeren Strukturen. Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung eines 3D
Verfahrens für kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffe. Hierdurch soll das Anwen
dungsspektrum kunststoffbasierter 3D-Druck-Verfahren vergrößert und gleichzeitig
eine effiziente sowie flexible Fertigung komplexer FKV-Strukturen ermöglicht werden.
Das entwickelte Prozesskonzept basiert dabei auf 3D-Druck-Extrusionsverfahren für
thermoplastische Kunststoffe. Im sogenannten Fiber Integrated Fused Deposition
Modeling Prozess, kurz FIFDM, werden bereits imprägnierte Halbzeuge in Form von
kontinuierlich faserverstärkten Thermoplaststrängen (FTS) verarbeitet. Um die Fa
serorientierung frei einstellen zu können, werden die Stränge nicht wie herkömmlich
nur schichtweise, sondern frei in alle Raumrichtungen positioniert. Realisiert wird dies
über die Steuerung der FTS-Temperatur nach der Extrusion. Im Rahmen dieser Ar
beit wurde zur Quantifizierung und zum einfachen Vergleich der Halbzeugqualität ein
Qualitätsanalyseverfahren entwickelt und damit ein geeigneter FTS für weitere Pro
zessuntersuchungen ausgewählt. Zudem wurde eine FIFDM-Prototypenanlage ent
wickelt und aufgebaut. Mithilfe der thermischen Simulation des Extrusions- und Ab
kühlprozesses konnten thermische Prozessgrenzen auch für die 3D-Ablage im Raum
definiert werden. In einer umfassenden experimentellen Prozessanalyse wurde zu
dem untersucht, welche Prozessparameter einen Einfluss auf verschiedene Zielgrö
ßen der Prozessstabilität und Bauteilqualität besitzen. Ausgehend von den Erkennt
nissen aus dieser Arbeit wurden eine erste Einschätzung des Prozesspotentials vor
genommen und Vorschläge zur Prozessoptimierung formuliert.
3D printing enables automated and flexible production of complex 3D geometries
directly from a CAD model without the need for a component-specific tool. However,
the disadvantage, especially in the Additive Manufacturing (AM) of polymers, is the
low mechanical properties, which can be attributed to process-related challenges and
to a limited selection of processable materials. One way of improving the mechanical
properties of polymers is to combine them with reinforcing fibers. The highest rein
forcing effect for Fiber Reinforced Polymer Composites (FRPC) is achieved when the
fibers are continuously present in load direction. In order to develop their full poten
tial, FRPC must therefore be adapted as well as possible to the respective applica
tion. This complicates automated and efficient production, especially of more com
plex structures. The aim of the work was therefore to develop an AM process for con
tinuously fiber-reinforced polymers. This should increase the range of applications for
polymer-based AM processes and at the same time enable efficient and flexible pro
duction of complex FRPC structures. The developed process concept is based on 3D
printing extrusion processes for thermoplastics. In the so-called Fiber Integrated
Fused Deposition Modeling Process (FIFDM) already impregnated semi-finished
products are processed in the form of continuously fiber-reinforced thermoplastic
strands (FTS). In order to be able to freely adjust the fiber orientation, the strands can
be positioned in all spatial directions, not just layer by layer as is the case with con
ventional AM systems. This is realized by controlling the FTS temperature after ex
trusion. As part of this work, a quality analysis method was developed for quantifying
and comparing the semi-finished product quality and a suitable FTS was thus select
ed for further process investigations. In addition, a FIFDM prototype unit was devel
oped and set up. With the help of thermal simulation of the extrusion and cooling
process, thermal process limits could also be defined for the 3D placement in all spa
tial directions. In a comprehensive experimental process analysis, it was investigated
which process parameters have an influence on different target parameters of pro
cess stability and component quality. Based on the results of this work, an initial as
sessment of the process potential was made and proposals for process optimization
were formulated.
Photokatalytische Reaktionen laufen vergleichsweise schnell ab, wenn der verwendete Katalysator im Reaktionsmedium dispergiert ist. Verwendet man, wie es in der Praxis
häufig wünschenswert ist, immobilisierte Katalysatoren, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich ab. In Lichtwellenleiterreaktoren gelingt es, den Katalysator gleichmäßig zu bestrahlen und dadurch die Quantenausbeute der Photoreaktion zu erhöhen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Strahlungsmodell entwickelt, das die Abstrahlcharakteristik einer LED in Form eines Lambertstrahlers detaillierter abbildet, als es bisher
der Fall war. Zudem wurde bei der Einkopplung der Lichtstrahlen in die optische Faser auch die Fresnel Reflektion berücksichtigt.
Bei der Strahlungsauskopplung bzw. bei der Katalysatoranregung wurden ideal glatte Beschichtungen und ideal matte Beschichtungen als Grenzfälle approximiert. Verwendet
man ideal matte Beschichtungen, kommt es zu schneller Auskopplung der Strahlen auf einem kurzen Abschnitt des Lichtleiters. Ein Teil der Strahlung geht dabei verloren. Ein anderer Teil kann nicht genutzt werden, da die gebildeten Radikale schnell rekombinieren. Durch Verringerung des Filmdiffusionswiderstandes können hier höhere Reaktionsgeschwindigkeiten erzielt werden.
Verwendet man ideal glatte Beschichtungen geht kaum Strahlung verloren und man erhält niedrige Bestrahlungsstärken auf der Katalysatoroberfläche, sodass man sich der intrisischen Reaktionsgeschwindigkeit annähert.
Flüssigimprägnierverfahren erlauben die effiziente Herstellung von Faser-Kunststoff-
Verbund-Bauteilen in hohen Stückzahlen. Das Dry Fiber Placement ist ein Verfahren,
um hierzu bei geringen Verschnittraten textile Vorformlinge (Preforms) herzustellen,
die eine optimale Faserausrichtung und –platzierung ermöglichen. Hinsichtlich der
Imprägniereigenschaften sind die so hergestellten Preforms jedoch herausfordernd,
da sie im Vergleich zu konventionell verwendeten Textilien (Gewebe oder Gelege)
über eine wesentlich geringere Permeabilität verfügen. Daher wurde im Rahmen dieser
Arbeit das Imprägnierverhalten dieser Preforms grundlegend experimentell und
simulativ untersucht. Hierbei wurden Strukturvariationen auf Mikroebene (zwischen
einzelnen Fasern) und auf Mesoebene (zwischen Fasersträngen) betrachtet. Aus
den gewonnenen Erkenntnissen wurden Gestaltungsempfehlungen abgeleitet, die
zukünftig eine Optimierung der Preforms hinsichtlich ihrer Imprägniereigenschaften
ermöglichen.
Liquid composite moulding processes allow the efficient production of fiber reinforced
polymer composite components in larger batch production. Dry Fiber Placement is a
process used to produce textile preforms at low scrap rates allowing optimum fiber
alignment and positioning. Yet, their impregnation properties are challenging compared
to conventional textile materials as their permeability is significantly lower.
Hence, this work deals with fundamental examination of their impregnation behaviour
using experimental and simulative approaches. For this purpose, structural variations
on micro scale (in between single fibers) and on meso scale (in between fiber
strands) are considered. Using the gained knowledge, design recommendations
have been developed to enable optimization of preforms regarding their impregnation
behaviour.
Zur Reduktion von Kavitation am Eintritt des Laufrades einer Strömungsmaschine
finden häufig Inducer Anwendung. Hierbei handelt es sich um ein axiales Laufrad,
bei dem nur ein minimaler Druckaufbau stattfindet. Inducer sind Gegenstand der
hier vorliegenden Forschungsfragen. Basierend auf der zurzeit verfügbaren Literatur
sind zwei Arbeitshypothesen aufgestellt und untersucht. Die Hypothesen lauten
wie folgt:
1) Die Strömung im Bereich der Nabe ist abgelöst.
2) Die axiale Länge der Inducer kann verringert werden.
Die detaillierte Untersuchung der Hypothesen erfolgt durch instationäre Simulationen,
durchgeführt mit Ansys CFX in der Version 17.2. Gelöst werden hier
die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen. Um relevante Sekundärströmungseffekte
erfassen zu können, wird für die Modellierung des Reynolds-Spannungs-
Tensors der RANS Gleichungen ein Reynolds-Spannungs-Modell verwendet.
Hiermit ist eine detailliertere Modellierung physikalischer Effekte möglich. Um die
wandnahen Effekte der Strömungsablösung durch eine Strömungssimulation geeignet
abbilden zu können, wird auf eine passende Auflösung des Bereichs der
Grenzschicht geachtet. Zur Reduzierung der Fehler die sich aus der numerischen
Abbildung der realen Strömungszustände ergeben sind Voruntersuchungen bei den
Simulationen durchgeführt. Validiert werden die so generierten numerischen Ergebnisse
mittels instationärer und stationärer Messungen des statischen Drucks,
des Totaldrucks und des Strömungswinkels. Anstrichbilder basierend auf Ölfarbe
ermöglichen es die Stromlinien auf der Wand zu validieren und somit Ablösung
an der Nabe numerisch plausibel darzustellen. Somit ist sichergestellt, dass die
numerischen Ergebnisse die realen Strömungszustände bestmöglich abbilden. Alle
Untersuchungen erfolgen ohne den Einfluss von Kavitation und für Inducer mit unterschiedlich
gestalteten Vorderkanten der Schaufeln. Grundlagenwissen über die
Strömung an der Nabe, die entstehenden Verluste und den Einfluss auf die Strömungszustände
in der Auslaufstrecke liegt somit vor.
Basierend auf diesen Ergebnissen können weitere Untersuchungen erfolgen, um die
Verluste zu reduzieren und die Verteilung von Druck, Geschwindigkeit und Winkel
entlang der radialen Position in der Auslaufstrecke des Inducers homogener zu
gestalten. Die axiale Baulänge und deren mögliche Reduktion sind unmittelbar
mit einer Einsparung von Bauraum und Kosten verbunden. Basierend auf den hier
generierten Grundlagen ist ein Ansatz zur korrekten Dimensionierung der axialen
Länge bzw. des Umschlingungswinkels gegeben.
Quasiplastisches Verformungsverhalten von Organoblechen aus recyceltem Kohlenstoff-Stapelfasergarnen
(2020)
Für die Serienfertigung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen in hohen Stückzahlen eignen sich Organobleche. Ein Nachteil dieser Halbzeugart ist das limitierte Spektrum herstellbarer Bauteile. Gleichzeitig existieren für Organobleche wie auch für andere Faser-Kunststoff-Verbunde noch keine Recyclingkonzepte, die die Materialeigenschaften erhalten. In dieser Arbeit werden Stapelfaserorganobleche aus recycelten Kohlenstoffstapelfasern und Polyamid 6 als Matrix hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit sowie ihrer Umformbarkeit untersucht. Die Erhaltung der Materialeigenschaften wurde dabei anhand von Zugversuchen untersucht, wobei der Einfluss der Garnondulation auf die Zugeigenschaften analysiert wurde. Die quasiplastische Verformung von Stapelfaserorganoblechen wurde grundlegend in Zugversuchen im Bereich und über der Schmelztemperatur der Matrix untersucht. Ein angepasster Thermoformprozess wurde entwickelt, der neue Freiheitsgrade zur Bauteilherstellung ermöglicht. Das Verformungsverhalten wurde untersucht und ein Kriterium zur Bewertung der Homogenität der Verformung entwickelt.
Organic sheets are suitable for the series production of fiber reinforced polymer composite components in large quantities. One disadvantage of this type of semi-finished products is the limited range of components that can be produced. Also, organic sheets, like other fiber reinforced polymer composites, are faced with the challenge of not yet having any true recycling concepts. In this work, staple fiber organic sheets made of recycled carbon staple fibers and polyamide 6 as matrix are manufactured and examined with regard to their mechanical performance and formability. The preservation of the material properties was investigated by means of tensile tests, whereby the influence of yarn undulation on tensile properties was analyzed. The quasiplastic deformation of staple fiber organic sheets was fundamentally investigated in tensile tests in the range of and above the matrix melting temperature. An adapted thermoforming process was developed which allows new degrees of freedom for component manufacturing. The local deformation behavior was investigated and a criterion for the evaluation of the homogeneity of the deformation was developed.
The Directive 97/23/EC of the European Parliament and of the Council of 29 May 1997 on the approximation of the laws of the Member States concerning pressure equipment (European Commision, 1997) is the basis of the legal framework for protection of pressure equipment within the European Union. Codes and standards are useful to comply with the legal and regulatory responsibilities stipulated in PED Directive regarding the protection of pressure equipment against overpressure, sizing, and selection safety relief devices.
Rupture disk devices are primary relief devices to protect vessels, pipe, and equipment against overpressure. A rupture disk bursts once the so-called burst pressure is reached in the protected system, thereby discharging flow and preventing further increase in pressure. Currently, rupture disks are sized with standards and codes assuming the worst-case scenario at burst pressure. There is however no standardized procedure for sizing rupture disks with two-phase flow and there lacks suited test-facilities, test-sections, and reliable experimental data for model validation. Sizing rupture disk vent-line systems with current characteristic numbers comes with significant uncertainties, especially for high-velocity compressible flows (Schmidt, 2015).
Zero-Emission and Green Safety are current trends for organizations that seek to attain innovative protection concepts beyond regulatory compliance. A procedure to size a rupture disk vent-line should accurately determine the discharge rate and pressure-drop across a rupture disk, from the point of rupture disk activation to the point when the system depressurizes fully. This procedure is critical for further safety considerations, such as for modeling the dispersion of toxic gases released during emergency-relief and calculating the emissions to the environment with time.
Over-dimensioning is one measure taken today to mitigate uncertainties encountered while sizing with current methods. This is not always an option, as over-dimensioning the rupture disk vent-line system leads to unnecessary financial costs. It may also cause malfunction of the collecting systems downstream when the fluids discharged are more than the design limits. Emissions to the environment are thereby potentially higher than necessary, causing excessive harm to the environment. Under-dimensioning, on the other hand, may lead to hazardous incidents with loss of human life and equipment. This work has therefore focused on the investigation of the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk devices with compressible gas and two-phase flow.
The experimental focus was in the design, construction, and commissioning of a high-capacity, high-pressure industry-scale test facility for testing small- to large-diameter rupture disks and other fittings with gas flow. The resulting test facility is suited to test safety devices and pipe fittings at near realistic flow conditions at pressures up to 150 bar. This work also presents the design of a pilot plant for testing rupture disks with air/water two-phase flow. These test facilities open-up new frontiers for capacity testing because they have precise and state-of-the-art measurement and instrumentation. Experimental results from these facilities deliver reliable experimental data to validate proposed sizing procedures for rupture disk devices.
The theoretical focus was on the development of a reliable rupture disk sizing procedure for compressible gas and two-phase flow. This required phenomenological studies of flow through rupture disks with both experiments and CFD studies. Better suited rupture disk characteristic numbers and model parameters for determining the mass flow rate and pressure-drop across rupture disks are identified. The proposed sizing procedure with compressible gas and two-phase flow predicts the dischargeable mass flow rate and pressure-drop across a rupture disk within ±4 % of measured value. Experimental validation has been undertaken with different types of rupture disks. The procedure is suited for determine the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk seamlessly, from the point of rupture disk activation (worst-case scenario) to the point when the system fully depressurizes beyond regulatory compliance.
Decentralization is the norm of future smart production as it assists in contextual dynamic decision-making and thereby increases the flexibility required to produce highly customized products. When manufacturing business software is operated as a cloud-based solution, it experiences network latency and connectivity issues. To overcome these problems, the production control should be delegated to the manufacturing edge layer and hence, the argument of decentralization is even more applicable to this narrative. Semantic technologies, on the other hand, assist in discerning the meaning, reasoning and drawing inferences from the data. There are several specifications and frameworks to automate the discovery, orchestration and invocation of web services; the prominent are OWL-S and SAWSDL. This thesis adapts these frameworks for OPC UA, and consequently, the proposed semantically enriched OPC UA concept enables the edge layer to create flexible production orchestration plans in a manufacturing scenario controlled by cloud MES.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Neuentwicklung der Betriebselektronik für eine Rasterkraftsonde die im Frequenzmodulationsverfahren betrieben wird. Rasterkraftsonden haben das Potenzial zukünftige Messaufgaben der Fertigungsmesstechnik, die durch Tastschnittgeräte und Optische Messgeräte nicht mehr gelöst werden, zu lösen. Als Grundlage für die Entwicklung eines Sensors zum Messen rauer, technischer Oberflächen dient die Akiyama-Sonde: bei dieser handelt es sich um eine Rasterkraftsonde deren Auslenkung sensorlos, ohne zusätzliche Bauteile, detektiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst die Eignung der Akiyama-Sonde zum Messen technischer Oberflächen untersucht. Anschließend wurde eine neue Betriebselektronik für die Sonde entwickelt. Die neuentwickelte Elektronik zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus: in Kern besteht sie nur aus einem FPGA, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Digital-Analog-Umsetzer. Methodisch wurde bei der Entwicklung ein modellbasiertes Vorgehen gewählt: Zunächst wurde die Akiyama-Sonde in ihrem Arbeitspunkt modelliert. Basierend auf dem Modell erfolgte der virtuelle Entwurf der Betriebselektronik. Ein physikalischer Prototyp wurde somit erst spät im Entwicklungsprozess benötigt. Abschließend wurde anhand von Experimenten die Fähigkeit der neuen Betriebselektronik zum Messen von Auslenkungen im Nanometer-Bereich nachgewiesen.
This work describes the development of a continuum phase field model that can describe static as well as dynamic wetting scenarios on the nano- and microscale.
The model reaches this goal by a direct integration of an equation of state as well as a direct integration of the dissipative properties of a specific fluid, which are both obtained from molecular simulations. The presented approach leads to good agreement between the predictions of the phase field model and the physical properties of the regarded fluid.
The implementation of the model employs a mixed finite element formulation, a newly developed semi-implicit time integration scheme, as well as the concept of hyper-dual numbers. This ensures a straightforward and robust exchangeability of the constitutive equation for the regarded fluid.
The presented simulations show good agreement between the results of the present phase field model and results from molecular dynamics simulations. Furthermore, the results show that the model enables the investigation of wetting scenarios on the microscale. The continuum phase field model of this work bridges the gap between the molecular models on the nanoscale and the phenomenologically motivated continuum models on the macroscale.
Faser-Kunststoff-Verbunde erfahren aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen mechanischen Kennwerte eine zunehmende Verbreitung in verschiedensten Anwendungsfeldern. Eine Voraussetzung für die Ausnutzung der Leichtbaupotenziale bei gleichzeitiger Begrenzung der Herstellkosten ist jedoch eine werkstoffgerechte Lasteinleitung durch geeignete Verbindungsverfahren.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung eines Ansatzes zur Herstellung von Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund durch eine getrennte Herstellung von teilausgehärteten Substrukturen mit anschließender Verbindung durch gemeinsame Vollaushärtung. Zur umfassenden Analyse der Prozessfenster und Potenziale werden zunächst am Beispiel eines faserverstärkten Werkstoffes auf Epoxidharzbasis die wichtigsten Zustands- und Eigenschaftsänderungen während der Vernetzung des Matrixharzes charakterisiert. Als Resultat dieser Analysen können die Entwicklung des Aushärtegrads bei verschiedener Temperaturführung im Aushärteprozess sowie die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Matrixwerkstoff und Verbund bei verschiedenen Aushärtegraden quantifiziert werden.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden anhand experimenteller Untersuchungen an durch gemeinsame Aushärtung hergestellten Laminaten die Verbindungseigenschaften in Abhängigkeit von unterschiedlichen Einflussfaktoren ermittelt. Für die zwei Prozessvarianten Autoklavprozess und Resin Transfer Molding (RTM) wird die Energiefreisetzungsrate unter Mode I-Belastung bei Variation des Aushärtegrads der zu verbindenden Laminate analysiert. Die Variation der Verbindungseigenschaften wird anhand von rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der Bruchfläche erklärt. Weiterhin wird der Einfluss der Oberflächeneigenschaften durch Anwendung verschiedener Vorbehandlungen analysiert. Die Oberflächeneigenschaften Oberflächenspannung, Topografie und chemische Zusammensetzung werden gemessen und hinsichtlich ihrer Prognosefähigkeit für die Verbindungseigenschaften diskutiert.
Zur Demonstration der Umsetzbarkeit der Herstellmethode auf Bauteilebene werden für den Einsatz im Luftfahrtbereich typische Details hergestellt und mechanisch geprüft. Die Eigenschaften der in der hier untersuchten Methodik hergestellten Details zeigen nur geringe Abweichungen im Vergleich zu denen der Referenzmethode.