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 ist eine Initiative des Wissenschaftlichen Arbeitskreises Kunststofftechnik (WAK) mit Unterstützung des Carl Hanser Verlages. Die Datenbank ist eine Plattform für 

Dissertationen aus dem ingenieurwissenschaftlichen Kunststoffbereich

 und eröffnet promovierten Ingenieuren die Möglichkeit, ihre Doktorarbeit digital zu veröffentlichen und dadurch einem breiten Fachpublikum zugänglich zu machen.

Schaumspritzgießen ist ein Verarbeitungsverfahren zur Serienproduktion von geschäumten Kunststoffteilen, welches ein zunehmendes Interesse und Verwendung in der Industrie erlangt. Jedoch sind die Anwendungen aufgrund unzureichender Kenntnisse der Prozessführung und der mechanischen Eigenschaften, der begrenzten Nutzung des Leichtbaupotentials sowie eingeschränkter Oberflächenqualitäten begrenzt. Alle diese Nachteile sind mit der Zellstruktur verbunden. Die Strukturmerkmale wie Randschichtdicke, Zellgröße, Dichte und Homogenität werden während des Verfahrens ausgebildet. Daher ist die Kontrolle der Zellbildungsmechanismen der Schlüssel, um den Einschränkungen entgegenzuwirken und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren.

Schaumspritzgießen

Schaumstoffe

Spritzgießsimulation

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Controlling cellular structure in thermoplastic foam injection molding – influence of processing and mold technologies

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu beitragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzieren und damit die Lebensdauer zu erhöhen.

Beschichten von Kunststoffen

Kohlenstofffasern / -matten

Faserverbundwerkstoffe

Wärmeleitfähigkeitsmessung

Kohlenstofffaser-Epoxydharz-Verbunde mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit – Struktur und Eigenschaften

Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Lasersintern (SLS) bieten die Möglichkeit, Strukturen wie 3D-MIDs, werkzeuglos herzustellen. Erste dreidimensionale Schaltungsträger werden bereits durch das selektive Lasersintern hergestellt. Ein etabliertes Verfahren ist der LPKF-LDS-Prototyping Prozess. Anders als bei den herkömmlichen 3D-MIDs muss bei diesem Verfahren der additiv hergestellte Schaltungsträger jedoch nachträglich mit einer Metallverbindungen beinhaltenden Substanz beschichtet werden, um laserdirektstrukturiert werden zu können. Kommerzielle Materialien für spritzgegossene 3D-MIDs beinhalten schon vorab ein spezielles Additiv zur Laserdirektstrukturierung, welches lokal durch den Laser aktiviert werden kann. Daraus leitet sich der Bedarf an funktionalisierten Pulver-Verbunden für den selektiven Lasersinterprozess zur Gestaltung dreidimensionaler Schaltungsträger ab.

Strukturen und Eigenschaften selektiv lasergesinterter Polyamid- und Polyamid-Kupfer-Systeme für Anwendungen in dreidimensionalen Schaltungsträgern

Expandierbares Polystyrol (EPS, ugs. “Styropor”, “Unicell”, “Styrofoam”) ist einer der meist genutzten Schäume. Mehr als ein Viertel der weltweiten Schaumproduktion bezogen auf das Volumen geht in EPS. Als Partikelschaum hat EPS eine mehrskalige Morphologie aus Zellwänden und -stegen, den Zellen, den Schaumpartikeln und schließlich dem Bauteil. In diesem Zusammenhang bedingt eine Änderung der Partikelgröße auch eine Änderung der zu verschweißenden Fläche, wohingegen kleinere Zellen zu einer anderen Mikromorphologie (Zellstege und -wände) führen. Jedoch ist der Wirkzusammenhang der Morphologie und der Schaumteileigenschaften noch nicht umfassend untersucht worden. Deshalb ist es das Ziel der Arbeit Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzuzeigen und deren zu Grunde liegende Mechanismen aufzuklären. Dafür werden EPS und ein Partikelschaum aus einem Blend aus Polystyrol und Polyethylen bezüglich des Einflusses der Zellgröße, Partikelgröße und Dichte auf die Mechanik sowie die Isolationseigenschaften untersucht. Daneben, wird die Verteilung des Polymers innerhalb eines Partikels durch eine variabel dicke Partikelhaut gesteuert.

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polystyrol-basierten Partikelschäumen

Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepregs finden in der zivilen Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermo-mechanischen und thermischen Eigenschaften zunehmend Anwendung zur Herstellung von Strukturverbundbauteilen. Obwohl Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig sind, weisen aus Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepreg hergestellte Bauteile aufgrund der isolierenden Natur der Epoxidmatrix oft nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten in z-Richtung auf. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung ist jedoch für moderne Verbundanwendungen notwendig, bei denen ein gewisses Maß an elektrostatischer Ableitung, elektromagnetischer Abschirmung oder eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Blitzeinschläge erforderlich ist.

Elektrisch leitfähige und interleaf-modifizierte Ruß-Epoxid-Kohlenstofffaser Prepreglaminate mit erhöhtem Blitzschlagwiderstand

Bereits seit den frühen 1980er Jahren werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) mit einer hohen spezifischen Steifigkeit für hochbelastete Strukturbauteile im automobilen Rennsport verwendet. Dem anschließenden Einsatz in Sportwägen von Lamborghini und Ferrari ab den 1990er Jahren folgte die erstmalige Nutzung von CFK in den Serien-Elektrofahrzeugen i3 und i8 von BMW. Aufgrund der Mehrkosten im Vergleich zu metallischen Strukturen und der schlechten CO2-Bilanz von Kohlenstofffasern hat sich diese Werkstofftechnologie allerdings bis- her nur vereinzelt in weiteren Großserienfahrzeugen (z. B. BMW G11) durchgesetzt. 

Auswirkungen von interlaminaren Eigenspannungen auf die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen Hybridverbundwerkstoffen 

Partikelschäume bestehen aus vielen miteinander verschweißten Schaumpartikeln. Vorteil von Partikelschäumen ist, dass vergleichsweise einfach leichte Formteile mit äußerst komplexer Geometrie hergestellt werden können. Die Dichte der Formteile kann in einem breiten Bereich variiert werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Formteile an die jeweilige Anwendung spezifisch angepasst werden können. 

Hysteresismessungen an Partikelschäumen: Erstellung eines Modells zur Simulation der Mitteldehnung bei dynamischer Ermüdung 

Polycarbonate (PC), polystyrene (PS) and poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocomposites containing different amounts and sizes of nano-SiO 2 particles were prepared using a twin-screw extruder followed by injection molding. Adding a small amount of nano-SiO 2 caused a reduction in material transparency but improved the tensile, toughness, and thermal properties of the polymer nanocomposites due to an adequate level of nano-SiO 2 particle distribution within the polymer matrix. This was particularly in the case with the smaller sized nano-SiO 2 , which not only significantly improved mechanical properties but also preserved optical properties of the nanocomposites. Interestingly, the incorporation of nano-SiO 2 greatly enhanced the ESC resistance of the materials in all investigated fluids, particularly for smaller sizes nano-SiO 2 . The enhancement in ESC resistance was more effective in mild agents and air, where the quality of the deformation process was vastly altered with the presence of nano-SiO 2 . For a comparison of different materials, the ESC resistance improved in the following order: PMMA/SiO 2 &lt; PS/SiO2 &lt; low molecular weight PC/SiO 2 &lt; high molecular weight PC/SiO 2 . In most cases, nanocomposites with 1 vol.% of nano-SiO 2 exhibited the largest improvement in ESC resistance. The correlation of the critical stress intensity factor with the Hansen solubility parameter and molar volume of the agent shows a very good agreement for different fluids, thus allowing to predict the risk of stress cracking in different fluids without performing extensive tests. Moreover, an accelerated ESC-testing in aggressive agent and/or elevated temperature as well as a modified superposition approach have been developed for predicting the slow crack growth behavior, allowing to minimize the test time and the great expense for stress-cracking tests. Additionally, the modeling and simulation of diffusion processes linked to the structural fracture model can be applied for quick screening and mitigating the risk of ESC failures in plastic products.

On the Effect of Nanofillers on the Environmental Stress Cracking Resistance of Glassy Polymers 

Kunststoff-Hartschäume weisen einen breiten Einsatz in strukturellen Anwendungen auf. Das Verständnis des komplexen Zusammenspiels von Zellmorphologie, Zelldeformation und resultierenden mechanischen Eigenschaften des Schaumes ermöglichen zukünftig Schäume mit gezielt verbessertem Eigenschafts-Gewichts-Verhältnis. In der vorliegenden Arbeit werden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von PET-Schäumen (Strand PET Foams) in einem Dichtebereich von 80 bis 200 kg/m 3 aufgestellt. Die Kombination der holzähnlichen Mikrostruktur mit der einer Honigwabe führt zu einem deutlich anisotropem mechanischen Verhalten. Es konnten hierbei zwei fundamental-unterschiedliche Deformationsmechanismen identifiziert werden. Bei einer Belastung orthogonal zur Schaumplatte erfolgt eine starke axiale Deformationsantwort der ineinander verhakten und gedehnten Zellen, gefolgt von einem lokalen, plastischen Knicken der Zellwände. Im Gegensatz hierzu zeigt sich bei einer Belastung in Plattenebene eine plastische Deformation der Zellwände und -stege. In einem weiteren Schritt wurden die zuvor ermittelten Korrelationen für unterschiedliche Schaumdichten überprüft. Hierdurch wird im Rahmen eines völlig anderen experimentellen Versuchsaufbaus bestätigt, dass die Zelldeformation bei Belastung senkrecht zur Bauteilebene dehnungsdominiert (stretch-dominated) erfolgt und bei einer Belastung in Plattenebene eher eine biegungsdominierte Deformation der Zellen vorliegt (bending-dominated). Die Versuchsergebnisse der Dichtevariationsstudie sowie der in-situ Deformationsmessungen stehen demnach in Einklang und bestätigen die zugrundeliegende Hypothese. Ebenso wurde aufgezeigt, dass bei PET-Schäumen mit hoher Dichte (200 kg/m 3 ) die gemessenen mechanischen Eigenschaften unterhalb derer liegen, die bei Anwendung der Dichteskalierung zu erwarten wären. Die Reduzierung des Zellenaspektverhältnisses bei hohen Dichten bewirkt einen veränderten Deformationsmechanismus, wodurch es zu einer Abweichung der Versuchsergebnisse von den theoretisch zu erwartenden mechanischen Eigenschaften kommt.

Mechanische Eigenschaften von PET-Strangschäumen auf unterschiedlichen Größenskalen 

Die Nachfrage an energieeffizienten Häusern führt zu einer erhöhten Nachfrage der Bau- und Konstruktionsindustrie an polymeren Schaumstoffen mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften. Voraussetzung hierfür ist die Herstellung von mikrozellulären oder, im besten Fall, nanozellulären Schäumen mit niedriger Dichte. Das Erreichen des oben genannten Ziels bringt natürlich einige Herausforderungen mit sich, wie die richtige Auswahl des Schaumbasismaterials, der Nukleierungsmittel, der Verarbeitungsbedingungen sowie der Verarbeitungstechniken. 

Mikrozelluläre Nanokompositschäume geringer Dichte, nukleiert durch kohlenstoffbasierte Nanofüllstoffe ¿ Herstellung, Eigenschaften und Schaumverhalten 

Nanopartikeln (NP) bieten einen vielversprechenden Weg, um effektiv die Eigenschaften von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu verbessern und bestimmte Funktionalitäten einzubringen. In dieser Doktorarbeit wurde die Funktionalisierung von FVK-Strukturen mit drei repräsentativen NP-Systemen mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Charakteristika (Böhmit, Siliziumdioxid und Carbon-Nanotube) vergleichend untersucht. Zunächst, aufgrund der Interaktionen zwischen den drei Ausgangskomponenten sowie ihrem Einfluss auf Prozess und finale Eigenschaften, werden die kritischen Materialeigenschaften jeder Komponente und ihre gegenseitigen Beeinflussungen systematisch charakterisiert. Darüber hinaus werden schwerpunktmäßig die bedeutenden Prozessaspekte wie die Aushärtungskinetik, die Rheologie der NP-modifizierten Epoxidharzmatrix sowie das Kompaktierungsverhalten (globaler/lokaler Faservolumengehalt, Makro-/Mikroporosität) und die Permeabilität der Faserpreforms unter Berücksichtigung des Filtereffekts der NP kritisch untersucht und modelliert. Anschließend, in Anbetracht des komplexen Fließ- und Filterverhaltens der mit unterschiedlichen NP-modifizierten Epoxidharzmatrix, werden unterschiedliche Imprägnierungsstrategien – bestehend aus In-Plane- (sequentielle und parallele Injektion) und Out-of-Plane-Methoden – untersucht. Die Prozessentwicklung wird sowohl durch Experimente als auch Simulationen zum Imprägnier- und Aushärteverhalten von NP-modifizierten Epoxidharzsystemen unterstützt. Schließlich, es werden die mechanischen (mit dem Fokus auf kritische, matrixdominierte Eigenschaften, wie z.B. Risszähigkeit, Biege und interlaminar Schereigenschaften), thermisch-mechanischen und elektrischen Eigenschaften der FVKs hinsichtlich der eingesetzten NP-Systeme vergleichend untersucht. Die Ergebnisse zeigen deutliche Verbesserungen dieser Eigenschaften durch die Modifizierung mit NP. 

Funktionalisierung von Faserverbunden mit nanopartikelmodifizierten Harzsystemen 

Spritzgießteile mit kleinen oder dünnwandigen Dimensionen finden in nahezu allen Anwendungen Einsatz. Aufgrund der verringerten geometrischen Maße und den dadurch veränderten Fließ- und Abkühlbedingungen in der Verarbeitung wird auch die Ausbildung der physikalischen Struktur im Bauteil beeinflusst. Diese Veränderungen haben letztlich auch Auswirkungen auf das Bauteilverhalten in der Anwendung. Infolge von verschiedenen äußeren Umgebungs- und Einsatzbelastungen finden zudem zeitabhängige physikalische und chemische Alterungsvorgänge im Bauteil statt, wodurch ebenfalls eine Eigenschaftsveränderung von Material und Bauteil hervorgerufen werden kann. Inwieweit die Bauteildimensionen bzw. die prozessinduzierten strukturellen Eigenschaften das Alterungsverhalten thermoplastischer Mikrobauteile beeinflussen ist bislang kaum erforscht. 

Alterung spritzgegossener thermoplastischer Mikrobauteile 

In dieser Arbeit wurde eine neue Generation an Schichtsilikaten zur Modifizierung von PMMA eingesetzt mit dem Ziel, eine maximal mögliche Steifigkeits-Zähigkeits-Balance zu erreichen, ohne die Zugfestigkeit und die Verarbeitbarkeit zu verschlechtern. Zudem wurde die mikromechanische Wirkungsweise dieser neuartigen Nanofüllstoffe durch Analyse von Bruchflächen detailliert aufgeklärt und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufgestellt. Um die bessere Performance gegenüber konventionellen Schichtsilikaten hervorzuheben, wurde ein kommerziell erhältliches System aus oberflächenmodifiziertem Bentonit als Benchmark herangezogen und die Nanokomposit-Eigenschaften ebenfalls im Detail analysiert. Am Ende ergab sich ein tiefes Verständnis darüber, in welchem Ausmaß diverse Füllstoffeigenschaften die Nanokomposit-Eigenschaften beeinflussen. 

Mikromechanische Wirkungsweise von Schichtsilikaten der zweiten Generation: ein neuartiger Nanofüllstoff zur Steigerung der Steifigkeit und Zähigkeit von PMMA 

Neuartige Janus-Partikel (JP) wurden zum ersten Mal in technologisch relevanten Mengen synthetisiert und für die Herstellung von Polymerblends im industriellen Maßstab eingesetzt. Die JP wurden als Phasenvermittler in unverträglichen Poly(2,6-dimethyl- 1,4-phenylenether)/Poly(styrol-co-acrylnitril) (PPE/SAN) Polymerblends durch Extrusion verarbeitet. Im Vergleich zum reinen co-kontinuierlichen PPE/SAN-Blend und dem mit SBM Triblockterpolymer kompatibilisierten Blend, konnte mit JP eine wesentlich kleinere PPE-Tröpfchengröße (unter 300 nm) und eine homogenere Verteilung der PPE Tröpfchen in der Matrix erreicht werden. Dies manifestiert die ausgezeichnete Einsatzbarkeit von JP als Verträglichkeitsvermittler in Polymerblends. Bruchmechanische Untersuchungen haben gezeigt, dass die mit JP kompatibilisierten Blends eine viel stärkere Grenzflächenanbindung besitzen als das reine oder mit SBM kompatibilisierte Blendsystem. Dies führt zu einer höheren Festigkeit und Steifigkeit der Phasengrenzfläche in den JP basierenden Blends, die allerdings mit einer im Vergleich zum SBM kompatibilisierten Blend wesentlich niedrigeren Zähigkeit einhergeht. Um Synergien in den mechanischen Eigenschaften zu erreichen, kann die Mikro-/Nanostruktur der Blends aber durch eine Mischung aus JP und SBM maßgeschneidert und so die Zähigkeit wesentlich verbessert werden. Diese Kombination aus JP und SBM Triblockterpolymer als Phasenvermittler resultiert in sowohl die Verkleinerung der PPE-Tröpfchengröße (durch JP) als auch die elastischere Grenzfläche (durch SBM) des PPE/SAN-Blends und führt insgesamt zu einer erheblich verbesserten Beständigkeit gegen Ermüdungsrissausbreitung. JP können auch in PPE/SAN-Schäumen verwendet werden. Die JP erhöhen die Schmelzefestigkeit während der Verarbeitung, wodurch Zellstrukturen mit kleineren Schaumzellen effizient stabilisiert werden können. 

Bruchmechanik von nanostrukturierten Polymermischungen mit Janus Partikeln 

Aufgrund der hohen gewichtsbezogenen Steifigkeit und Festigkeit von Faserverbundkunststoffen (FVK) sind diese Werkstoffe für die Entwicklung von Speichersystemen für z. B. flüssigen Wasserstoff von besonderem Interesse. Allerdings zeigen FVK im Vergleich zu Metallen eine sehr hohe Gaspermeation und Leckrate gegenüber Wasserstoff. Durch eine Kupferbeschichtung kann eine hochfunktionale Permeationssperrschicht erzeugt und so eine ausreichend hohe Dichtheit erreicht werden. Der Einsatz kupferbeschichteter FVK für Speichersysteme stellt für einen beständigen Polymer-Metall-Verbund jedoch eine besondere materialwissenschaftliche Herausforderung an die Grenzschicht bzw. die Interphase zwischen dem FVK und der Beschichtung dar. Das Versagen der Interphase durch mechanische Belastungen ist sehr stark von der Adhäsion zwischen abgeschiedener Kupferschicht und Substratoberfläche abhängig. Daher war das Ziel der Arbeit die Haftfestigkeit zwischen duromeren Faserverbundkunststoffen und abgeschiedener Kupferschichten durch eine gezielte Oberflächenbehandlung zu verbessern und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse auftretende Versagensmechanismen insbesondere in der Grenzschicht quantitativ zu untersuchen. Durch eine nasschemische Behandlung mit Essigsäure von polyestervliesmodifizierten glasfaserverstärkten Epoxidharzsubstraten konnte die Schälfestigkeit von 0,8 N/mm übertroffen und somit eine alternative schonendere Vorbehandlungsmethode zu der klassischen mit Chromschwefelsäure entwickelt werden. Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse konnten die Versagensmechanismen im Schälversuch in adhäsives und kohäsives Versagen in der Grenzschicht klassifiziert werden. Weiterhin war eine Quantifizierung der Anteile der einzelnen Grenzschichtversagensmechanismen möglich. In quasistatischen Zugversuchen konnten die Signale bei den metallisierten Proben durch die Anwendung von Mustererkennungsverfahren in die Versagensmechanismen Matrixrisse, Faser-Matrix-Grenzflächen-Versagen, Faserbrüche und Grenzschichtversagen Substrat-Beschichtung klassifiziert werden. 

Einfluss der Grenzflächenstruktur auf die mikro-mechanischen Versagensmechanismen metallisierter Faserverbundkunststoffe 

Faserverstärkte Sandwichstrukturen bieten großes Leichtbaupotential für die Luftfahrt. Der Austausch duroplastischer Materialien durch faserverstärkte thermoplastische Materialien, sowie der Ersatz von Nomex®-Waben (® = registered trademark) durch Schaumkern-strukturen ist vielversprechend für die Senkung der Herstellungs- sowie Wartungskosten von Luftfahrzeugen. 

Thermoplastische faserverstärkte Sandwichstrukturen für strukturelle Helikopteranwendungen 

Die Fließfähigkeit von Polypropylen (PP) und damit die Verarbeitbarkeit in Spritzgießprozessen nimmt mit sinkendem Molekulargewicht zu, die Zähigkeit nimmt jedoch mit sinkendem Molekulargewicht stark ab. Dies führt oft zu einem spröden Versagen von Spritzgießbauteilen. Eine Erhöhung der Zähigkeit kann durch die Kontrolle der Kristallmodifikation und der kristallinen Überstrukturen des Polymers erfolgen. Hierfür sind jedoch in der Literatur bisher keine Erkenntnisse für PP-Typen mit hohen Fließfähigkeiten vorhanden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, mit Hilfe von Nukleierungsmitteln, die Kristallmodifikation und die kristallinen Überstrukturen eines isotaktischen Polypropylens (iPP) mit hoher Fließfähigkeit zu beeinflussen und dadurch die Kerbschlagzähigkeit gegenüber dem unnukleierten iPP um mehr als 50 % zu steigern. Weiterhin soll die mikromechanische Wirkungsweise der beta Modifikation in einem hochfließfähigen Polypropylen aufgeklärt werden. Hierfür werden verschiedene beta-Nukleierungsmittel hinsichtlich ihres Einflusses auf das Kristallisationsverhalten eines hochfließfähigen PP-Typs untersucht. Das Polymer wird bezüglich seiner Morphologie und des Anteils an beta Modifikation sowie der (bruch-) mechanischen Eigenschaften untersucht, um eine Korrelation der jeweiligen Morphologie mit den Eigenschaften aufzustellen. 

Steigerung der Zähigkeit von isotaktischem Polypropylen durch Kontrolle der Morphologie mittels 1,3,5-Benzoltrisamiden 

Durch Zugabe von hartmagnetischen Füllstoffen in die Kunststoffmatrix können sogenannte kunststoffgebundene Dauermagnete hergestellt werden. Durch verfahrenstechnische Vorteile, z. B. im Spritzgießverfahren, finden multipolare, kunststoffgebundene Dauermagnete Anwendung im Bereich der Antriebs- und Sensortechnik. 

Spritzgießen multipolarer, kunststoffgebundener Dauermagnete 

Die vorliegende Arbeit diskutiert die Gasinjektionstechnik anhand des Teilfüllverfahrens der GIT und stellt Lösungsansätze und Interpretationshilfen für die Analyse des Prozesses vor. 

Formteilauslegung, Prozessoptimierung und Qualitätsüberwachung 

Qualitätsorientierte Betrachtung der Gasinjektionstechnik beim Spritzgießen 

Die Abrollgeräusche von den Rädern der Wagons sind die dominierende Quelle von Lärm und Vibrationen im Eisenbahnverkehr. Die derzeit verwendeten polymeren Dämpfungselemente zur Minimierung des Abrollgeräusches können das Dämpfungspotenzial von visko-elastischen Materialien nicht vollständig nutzen. In dieser Doktorarbeit wurden patentierte „granulare Dämpfungselemente“ (Granular Damping Elements (GDE)) eingeführt, die mit Kohlefasern und granularen polymeren Werkstoffen gefüllt wurden. Ihre Eigenschaften können mit Hilfe des hydrostatischen Drucks, dem granulare Werkstoffe ausgesetzt sind, justiert werden. Diese ermöglichen die Feinabstimmung Ihrer Dämpfung. 

Über die Verwendung von viskoelastischen Materialien zur Vibrations- und Geräuschreduzierung von Eisenbahnschienen 

Ein vielversprechender Hochleistungsextruder, der sich bereits in einigen Teilen der Industrie durchgesetzt hat, besteht aus einem durchgängig genuteten Zylinder in Kombination mit einer Barriereschnecke. Der Zylinder ist sowohl im Einzugs- wie auch im Aufschmelzbereich mit Nuten versehen. Obwohl die Leistungssteigerung gegenüber den üblichen Extrudersystemen in der Vergangenheit bereits mehrfach experimentell nachgewiesen wurde, sind die genauen Mechanismen während des Aufschmelzvorgangs noch immer nicht vollständig geklärt. Die Forschung bezüglich des Aufschmelzvorgangs in Einschneckenextrudern mit genutetem Plastifizierzylinder (EEgP) ist somit von wissenschaftlichem Interesse. 

Der Aufschmelzvorgang von Einschneckenextrudern mit genutetem Plastifizierzylinder 

Die Hauptanforderungen an einen Kautschukextruder sind hohe Durchsätze bei guter thermischer Qualität sowie energetisch günstige und stabile Betriebspunkte. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten, die Prozessbeschreibung bei der Kautschukextrusion zu verbessern und kautschuktypische Fließphänomene zu berücksichtigen. 

Möglichkeiten und Grenzen einer verbesserten Prozessbeschreibung für Kautschukextruder 

Eine effektive Methode zur Verbesserung des Ermüdungsrissausbreitungsverhaltens von Epoxidharzen ist die Verwendung von homogen dispergierten Nanopartikeln. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, speziell den Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharz-Nanocompositen zu beschreiben und zu erklären. Im Speziellen soll der Einfluss der Partikelform, der Partikelgröße und des Aspektverhältnisses der Nanopartikel untersucht werden. Für diese Untersuchungen wurden sphärische, stäbchenförmige und plättchenförmige Nanopartikel so ausgewählt, dass diese in ihren geometrischen Abmessungen und ihrer chemischen Zusammensetzung vergleichbar sind. 

Einfluss der Nanopartikelgeometrie auf die Bruchzähigkeit und das Ermüdungsrissausbreitungsverhalten von Epoxidharzen 

Wärmeleitfähige Kunststoffe stellen eine Werkstoffgruppe dar, bei der ein Kunststoff mit leitfähigen Füllstoffen versetzt wird, um die Wärmeleitfähigkeit zu steigern. Sie werden in Form von gehäuseartigen, dünnwandigen Spritzgießbauteilen oder extrudierten Thermoformbauteilen vor allem im thermischen Management elektronischer Komponenten oder in Wärmetauschern eingesetzt. Meist muss die Wärme dabei in Dickenrichtung des Bauteils geleitet werden und das idealerweise bei möglichst dünnwandigen Strukturen. Leider zeigt die Literatur- und Patentrecherche bei dünnwandigen Kunststoffbauteilen nur eine eher geringe Dickenleitfähigkeit. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass wärmeleitfähige Füllstoffe bei solchen dünnwandigen Bauteilen kaum in Dickenrichtung orientiert sind. In konventionellen Verarbeitungsverfahren, wie dem Spritzgießen oder der Extrusion, werden wärmeleitfähige Füllstoffe stattdessen strömungsbedingt eher in Fließrichtung ausgerichtet. Die geringe Dickenleitfähigkeit bei dünnwandigen Bauteilen stellt ein Problem dar, da ein recht hoher Füllgrad eingesetzt werden muss, um die Wärmeleitfähigkeit hinreichend zu erhöhen. 

Wärmeleitfähige Kunststoffe: Verarbeitungsinduzierte Eigenschaftsbeeinflussung und deren numerische Vorhersage 

Die mechanischen Eigenschaften von thermoplastischen teilkristallinen Kunststoffen sind stark an ihre Morphologie gekoppelt, welche wiederum von der Orientierung der Makromoleküle, den Eigenspannungen und insbesondere von der supermolekularen Struktur, erzeugt durch die Kristallisation während der Verarbeitung abhängt. 

Morphologie und Morphologiebildung spritzgegossener PP-basierter Nanokomposite 

Obwohl der Einsatz von Mikrowellenstrahlung in der Kunststofftechnik vielfältige Anwendungsmöglichkeiten bieten würde, hat sich ihre Verwendung im großen Umfang bis heute nicht durchsetzen können. Vorteilen wie der berührungslosen, volumetrischen Erwärmung steht in erster Linie die komplexe und schwer zu beherrschende Mikrowellentechnik entgegen. Grundsätzlich ist eine Erwärmung aller Kunststoffe mit polaren Eigenschaften oder einer leitfähigen Modifikation möglich. Das Schweißen mit Mikrowellenstrahlung lässt sich dabei in zwei Varianten unterteilen: Das Schweißen ohne und mit Zusatzwerkstoff. Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen mit beiden Verfahrensvarianten vorgestellt. 

Ein Beitrag zum Verständnis des Erwärm- und Schweißverhaltens thermoplastischer Kunststoffe beim Mikrowellenschweißen 

Fossile Brennstoffe sind die am meisten genutzten Energiequellen der Welt. Jedoch wurde die Gesellschaft durch zahlreiche Gründe dazu bewegt, nach alternativen Treibstoffen zu suchen, um die weltweite Nachfrage zu befriedigen, ohne dabei die Umweltbelastung zu erhöhen. Biodiesel hat sich als hervorragender Ersatz für Dieselkraftstoffe erwiesen, aufgrund der vergleichbaren physikalischen Eigenschaften und durch verbesserte ökologische Vorteile, wie schadstofffreiere Gasemission, Ungiftigkeit, Erneuerbarkeit und biologische Abbaubarkeit. Dennoch unterscheiden sich Biodiesel und Diesel aus fossilen Brennstoffen stark in ihren chemischen Eigenschaften. Darum muss die Kompatibilität der Materialien, die in Kontakt mit Treibstoffen kommen, sowohl für Diesel, als auch für Biodiesel (basierend auf verschiedenen Rohstoffe) gewährleistet werden. Der häufigste Vorschlag aus der Literatur empfiehlt, Nitrilkautschuk (NBR)-basierte Artikel aus der Biodiesel-Anwendung zu entfernen. Allerdings wurden bisher keine Versuche unternommen, die Wechselwirkungen zwischen Nitrilkautschuk und Biodiesel besser zu verstehen und keine Veränderungen oder Verbesserungen für den Herstellungsprozess der Nitrilkautschukprodukte vorgeschlagen. Diese wissenschaftliche Arbeit widmet sich der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit verschiedener NBR-Typen und unterschiedlicher NBR Formulierungen gegenüber Biodiesel. Zuerst wurden Nitrilkautschuke mit unterschiedlichem Acrylnitril-Gehalt (33 und 45%) und carboxylierter Nitril-Butadien-Kautschuk (XNBR) mit 28% Acrylnitrilgehalt in Sojabohnen-basiertem Biodiesel untersucht. Die Vorversuche zeigten, dass zunehmender Acrylnitrilgehalt die Widerstandsfähigkeit des Kautschukes gegenüber Biodiesel verbessert. Zudem zeigte die carboxylierte Nitrilkautschukformulierung, trotz des geringen Acrylnitrilgehaltes (28%), nahezu identische Ergebnisse wie NBR-Mischungen mit hohem Acrylnitrilgehalt. Als Ursache für dieses Verhaltens wird vermutet, dass XNBR verschiedene Arten von Vernetzungen während der Vulkanisation ausbilden konnte. Des Weiteren wurden neue Formulierungen von Nitrilkautschuk mit einem hohen Acetonitrilgehalt über eine zweifaktorielle Versuchsplanung hergestellt. In dieser Planung wurden die Mengen von zwei verschiedenen Beschleunigern (Tetramethylthiuramdisulfid – TMTD und N Cyclohexylbenzothiazol-2-sulfenamid – CBS) und die Menge an Schwefel variiert, um verschiedene Arten von Vulkanisationssystemen (konventionell, semi-effizient und effizient) zu erhalten. 

Entwicklung von Biodiesel-resistenter Nitrilkautschukformulierungen 

Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Untersuchung des Langzeitverhaltens von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen. Dazu wurden erstmalig systematische Experimente zum Einfluss von Nano-Füllstoffen (einschließlich unterschiedlich großer Nanopartikel, Nanoclay, und Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit verschiedenem Schlankheitsgrad) auf das Kriechverhalten von Polymeren bei verschiedenen Temperaturen und Lastniveaus durchgeführt. Zusätzlich wurden Modellierungs-Arbeiten (basierend auf viskoelastischen und empirischen Modellen) angewandt, um das Kriechverhalten dieser Werkstoffe zu verstehen und vorherzusagen. Generell lässt sich schließen, das unter den hier untersuchten Nano-Füllstoffen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit dem größten Längen zu Durchmesser-Verhältnis die beste Verstärkungswirkung in Bezug auf eine erhöhte Dimensionsstabilität und verlängerte Lebensdauer der Verbundwerkstoffe ergaben, gefolgt von Nanoclay und den Nanopartikeln mit kleinerem Durchmesser, während die größeren Nanopartikel die geringsten Verbesserungen bewirkten. Sowohl die experimentellen als auch die Modellierungs-Arbeiten stellen eine grundlegende und wichtige Information für die Auslegung von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen für die industrielle Langzeitnutzung und generelle Anwendung dar. 

Charakterisierung, Modellierung und Vorhersage des Kriechwiderstandes von polymeren Nano-Verbundwerkstoffen 

Faserverstärkte Polyurethane sind für viele Anwendungen etabliert, aber fast ausschließlich in nicht-strukturellen Komponenten zu finden. Eine zentrale Anforderung bei der Herstellung großflächiger Strukturbauteile – wie Rotorblätter von Windenergieanlagen – sind ausreichend lange Verarbeitungsdauern des Harzsystems. Für PU-Harze stellt dies eine besondere Herausforderung dar, da Verarbeitbarkeit und gewünschte Endeigenschaften teilweise gegensätzliche Modifikationen in der Harzchemie erfordern. 

Polyurethanharze für Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe in Rotorblättern von Windenergieanlagen 

Ungleichmäßig übersetzende Mechanismen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, in denen die Umsetzung von bewegungs- oder kraftübertragenden Aufgaben erforderlich ist. Ein häufiger Anwendungsbereich von Mechanismen mit hoher nicht-linearer Übersetzung sind Kniehebelschließeinheiten in Kunststoffspritzgießmaschinen. Das Wirkprinzip zur Kraftvervielfältigung dieser Mechanismen zeigt besonders beim Übergang in der Strecklage gegenüber anderen Mechanismen deutliche Vorteile. Jedoch resultieren aus dem nicht-linearen Übersetzungsverhalten hohe Belastungen auf die Gelenke. Während der dynamischen Verfahrbewegungen der beweglichen Werkzeugaufspannplatte werden die Schwenkbewegung der Hebel und der variierende Radialkraftvektor durch die Trägheit der bewegten Massen beeinflusst. In der Phase des Schließkraftaufbaus resultieren die Radialkräfte aus der Schließkraft und variieren in geringen Winkelbeträgen. Dadurch entstehen hohe Beanspruchungen in den Kontaktbereichen der Bolzengelenke, sodass Beschädigungen der Kontaktflächen und ein frühzeitiger Gelenkausfall möglich sind. 

Optimierung hochbelasteter Gelenke in ungleichmäßig übersetzenden Mechanismen am Beispiel von Kniehebelschließeinheiten 

Aufgrund ihres Leichtbaupotentials sind Hochleistungsfaserverbunde ein stark wachsender Markt. Heute ist je nach Anforderungsprofil der Einsatz einer Vielzahl an Harzsystemen in der industriellen Anwendung üblich. Für eine weitere Verbreitung müssen allerdings die Kosten reduziert werden und damit sowohl das Potential dieser anisotropen Werkstoffe durch ein belastungsgerechtes Design optimal ausgeschöpft, als auch der Qualifizierungsaufwand reduziert werden. 

Struktur und Eigenschaften eines modular aufgebauten Epoxidharzsystem für Injektionsanwendungen 

In der vorliegenden Arbeit wurde die Stabilität sowie bestimmte Eigenschaften der sogenannten Knitting-Pattern-Morhologie („kp“) in Poly(styrol)-block-Poly (ethylen-co-butylen)-block-Poly(methylmethacrylat) („SEBM“) untersucht. 

Die Knitting-Pattern-Morphologie in Poly(styrol)-block-Poly(ethylen-co-butylen)-block-Poly(methyl methacrylat) 

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Erforschung von Methoden zur Verbesserung der Prozessrobustheit und Bauteilqualität beim Spritzgießen von Thermoplasten. Dazu wird eine zustandsbasierte adaptive Prozessführung vorgestellt, die auf der Überwachung von maschineninternen Prozessdaten beruht. Randbedingungen für die Entwicklung der Methode sind industrielle Anforderungen wie Universalität und Skalierbarkeit, eine hohe Sensitivität gegenüber Störeinflüssen und die präventive Vermeidung von produzierten Fehlteilen. Neben einer Verbesserung der Robustheit des Produktionsprozesses gilt es, Unzulänglichkeiten innerhalb instationärer Prozessphasen, wie sie nach Maschinenstillständen oder nach dem Rüsten und Anfahren auftreten, auszugleichen und deren Handhabbarkeit im Prozess zu verbessern. Im Weiteren wird zur Verbesserung der Prozess- und Maschinenfähigkeit ein alternatives Einspritzkonzept unter Verwendung einer Schubschnecke ohne bewegliche, sperrende Elemente an der Schneckenspitze entwickelt und untersucht. In Abhängigkeit von Prozess- und Schmelzezustand verbessert so ein „weiches“ oder „offen“ sperrendes System darüber hinaus die Prozess- und Maschinenfähigkeit bei geringerem Komponentenverschleiß. 

Adaptive Prozessführung und alternative Einspritzkonzepte beim Spritzgießen von Thermoplasten 

Ausgangspunkt dieser Arbeit ist der Bedarf, den momentanen Stand der Technik bei der Dimensionierung von Extrusionswerkzeugen um automatisierte Ansätze zu erweitern. Der Werkzeuggeometrie kommt im Extrusionsprozess eine wesentliche Aufgabe zu. Die vom Extruder bereitgestellte Kunststoffschmelze durchströmt die Fließkanäle im Inneren des Werkzeuges und erfährt hierbei eine Umformung hin zum Austrittsquerschnitt. Es besteht eine maßgebliche Beeinflussung der Qualität des Endproduktes durch die Strömungsvorgänge im Extrusionswerkzeug. Die Dimensionierung der Fließkanalgeometrie ist abhängig von einer Vielzahl von Anforderungen und zeigt eine signifikante Abhängigkeit von den spezifischen rheologischen Eigenschaften der Kunststoffschmelze. Vor diesem Hintergrund wird ein ganzheitlicher Ansatz zur automatisierten Auslegung von Extrusionswerkzeugen geschaffen. Kerngedanke stellt die Kopplung eindimensionaler, analytischer Berechnungsansätze zur Vordimensionierung der Werkzeuggeometrie mit einer dreidimensionalen iterativ arbeitenden numerischen Simulation dar. Am Beispiel von Wendelverteilern für die Produktion von Halbzeugen wie Rohren, Schläuchen oder Blasfolien wird der vom Grundprinzip her allgemeingültige Ansatz konkretisiert und erprobt. Der ganzheitliche Auslegungsansatz sieht vor, sämtliche Prozessschritte der Auslegung und unterschiedliche Komponenten der Werkzeugbaugruppe zu berücksichtigen. Grundlage ist die konsequente Verwendung von dreidimensionalen, parametrischen Geometriemodellen, welche bereits konstruktive Restriktionen und fertigungstechnische Aspekte berücksichtigen. Im Rahmen der Vordimensionierung finden eindimensionale, analytische Berechnungsansätze Anwendung. Aus vorgegebenen Zustandsgrößen und Materialeigenschaften wird die Geometrie einfacher Strömungskanäle direkt berechnet. Für die Bestimmung initialer Geometrien von Wendelverteilern wird ein verkettetes Berechnungsmodell, bestehend aus eindimensionalen, analytischen Ansätzen, verwendet. Dieses wird mit den Methoden der Netzwerktheorie gelöst. Als Vorgabe dienen wiederum definierte Zustandsgrößen und grundlegende Geometrieparameter, sodass eine direkte Berechnung des Wendeltiefen- und Spaltweitenverlaufes möglich ist. Ferner resultiert aus der Vordimensionierung eine prozentuale Bandbreite, innerhalb derer Freiheitsgrade in einer nachfolgenden automatisierten Optimierung anzupassen sind. 

Ganzheitlicher Ansatz zur Dimensionierung und Optimierung von Extrusionswerkzeugen am Beispiel von Wendelverteilern 

Bei diskontinuierlich faserverstärkten Kunststoffen kann sowohl während des Compoundierens wie auch bei der Verarbeitung zum Fertigteil, durch Wechselwirkung zwischen den Fasern, der Fasern mit Maschinenkomponenten oder auch mit Zusatzstoffen (beispielsweise Farbpigmenten) eine Faserschädigung auftreten. Diese Interaktionen zeigen sich deutlich in der Abnahme der im Bauteil vorhandenen mittleren Faserlänge. Eine Überprüfung der Faserfestigkeit war bisher, auf Grund fehlender geeigneter Prüfmethoden bei den geringen Schlankheitsgraden bereits verarbeiteter Fasern, nicht oder nur eingeschränkt möglich. Mit einem am Lehrstuhl RPE entwickelten Mikrofaserbiegeversuch gelingt es, die Einzelfaserfestigkeit experimentell zu bestimmen. Dies bietet somit die Möglichkeit, das Schädigungsverhalten der meist spröden und kerbempfindlichen Fasermaterialien über die Verarbeitung hinweg zu untersuchen und zu quantifizieren. Da die (Rest-)Faserfestigkeit in diskontinuierlich verstärkten Bauteilen nun bestimmt werden kann, ist eine Lücke bei Berechnungen geschlossen, und das Wissen über Wirkzusammenhänge der Faserschädigung wird erweitert. 

Zum Faser- und Eigenschaftsabbau bei Verarbeitung und Recycling diskontinuierlich faserverstärkter Kunststoffe 

Die Extrusion ist eines der bedeutendsten Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen. Entsprechend stark ist das Interesse an der Sicherstellung effizienter und wirtschaftlicher Prozesse. Die mit einem Extruder erzielbaren Durchsätze stellen hierbei eine primäre Richtgröße dar. Eine Anhebung der erzielbaren Durchsätze ist somit anzustreben. 

Einsatz innovativer Simulationstechniken zur Entwicklung eines High-Speed-Extrusionskonzeptes auf Basis von Feststoff-Schmelze-Trennung 

Die Strahlenvernetzung stellt eine potentielle Möglichkeit dar, das Eigenschaftsspektrum von technischen Thermoplasten signifikant zu erweitern. Hierdurch können sowohl thermische Eigenschaften als auch mechanische und chemische Eigenschaften beeinflusst werden. Ist die Herstellung von Kunststoffbauteilen nicht in einem einzelnen Fertigungsschritt möglich, wird der Einsatz von Fügetechnologien erforderlich. Das Vibrationsschweißen bringt hier die Vorteile einer stoffschlüssigen und mediendichten Verbindung mit sich, die ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen eine hohe Lastübertragung ermöglicht. Das Vibrationsschweißen von Thermoplasten nach einer Strahlenvernetzung wird zum derzeitigen Stand der Technik in der industriellen Anwendung noch nicht durchgeführt. Ursache hierfür ist das Fehlen eines umfassenden Prozessverständnisses zum Vibrationsschweißen von strahlenvernetzten Thermoplasten. In der vorliegenden Arbeit wurde dieses Prozessverständnis systematisch erarbeitet. 

Vibrationsschweißen von strahlenvernetztem Polyamid 66 

Das Vibrationsfügen ist ein Schmelzklebeverfahren, welches den thermoplastischen Schmelzklebstoff mit Hilfe der Schwingungsenergie einer Vibrationsschweißmaschine aufschmilzt und mit dem Substrat verbindet. Ein zugegebener abrasiver Füllstoff, wie z.B. Glasfasern oder Aluminiumoxid sorgt für eine Aufrauung der Substratoberfläche. Es werden Teile der Faserverstärkung des Substrates freigelegt. Der schmelzeflüssige Thermoplast kann die Fasern und Rautiefen durchdringen und sich verkrallen, was zu einer deutlichen Festigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Schmelzklebeverbindungen führt. 

Vibrationsfügen von duroplastischen Faserverbunden mit abrasiven Schmelzklebstoffen auf Basis von Polyamid 6 

Im Bereich flüssigkeits- und gasfördernder Verpackungen sind Polymerwerkstoffe weit verbreitet. Für diese Verpackungsart ist das Diffusions- und Permeationsverhalten niedermolekularer Substanzen ein zentrales Thema. Unter Stabilitäts- und Wirtschaftlichkeitsaspekten ist eine Wanddickenoptimierung bezüglich der mechanischen Festigkeit und der Stofftransporteigenschaften für jede einzelne Anwendung notwendig. Das erfordert genaue Kenntnisse über das Permeationsverhalten unter mechanischer Belastung. 

Einfluss uniaxialer Verformungen auf das Stofftransportverhalten teilkristalliner Thermoplaste 

Flüssigkeitsgestütztes Streckblasformen bezeichnet ein innovatives Herstellungsverfahren für Kunststoffhohlkörper. Es kombiniert die separaten Umform- und Füllphasen des konventionellen Streckblasformens, indem die Ausformung des Hohlkörpers nicht durch komprimierte Luft, sondern durch die einzufüllende Flüssigkeit realisiert wird. Neben der Einsparung eines Produktionsschritts entstehen dadurch weitere Vorteile bezüglich der Prozesszykluszeit, des Energieverbrauchs sowie der Produkteigenschaften. Eine Nutzung dieser Vorteile erfordert jedoch ein umfassendes Prozessverständnis. 

Analyse und Optimierung des flüssigkeitsgestützten Streckblasformens 

In der Kabine von Verkehrsflugzeugen eingesetzte Sandwichstrukturen bestehen aus einem Kern mit Wabenstruktur, welcher auf beiden Seiten mit Prepreg-Decklagen versehen ist. Als Matrixharze für diese Prepregs werden derzeit aufgrund der geringen Materialkosten und der inhärenten Flammwidrigkeit nahezu ausschließlich Phenolharze eingesetzt. Diese Harzsysteme bedingen aber aufgrund der Freisetzung leicht flüchtiger Anteile während der Härtung und des damit einhergehenden, hohen Volumenschrumpfs schlechte Bauteiloberflächen und somit hohe Kosten für Nacharbeit. Daraus leitet sich der Bedarf an neuen, nicht in einer Kondensationsreaktion härtenden Matrixharzen für Anwendungen in der Flugzeugkabine ab. 

Struktur und Eigenschaften neuer, flammgeschützter Prepreg-Matrixsysteme für Anwendungen in der Kabine von Verkehrsflugzeugen 

In teilkristallinem Polypropylen kann durch die richtige Wahl der molekularen Zusammensetzung (ataktischer Anteil, Molekulargewicht) und durch gezielte Einstellung der morphologischen Struktur (Gefüge, Morphologie) die Empfindlichkeit gegen Rißausbreitung erniedrigt und die Streckgrenze insgesamt optimiert werden. Durch langsame Kristallisation hergestellte, grob-sphärolithische Gefüge weisen die schlechtesten Werte hinsichtlich Streckspannung, Bruchdehnung und Bruchzähigkeit auf, weil hier die plastische Verformung im Wesentlichen auf das geringe Volumen der weichen Sphärolithgrenzen konzentriert wird. Eine weitere Verschlechterung erfolgt durch Verunreinigungen und dadurch hervorgerufene „Versprödung“ der Grenzflächen. Dagegen wird die Verschlechterung der Eigenschaften grob-sphärolithischer Gefügebereiche stark reduziert, wenn der Anteil ataktischer, nicht-kristallisationsfähiger Polymerketten in Polypropylen erhöht wird. Dies geschieht aber etwas auf Kosten der Härte und des E-Moduls. 

Über den Einfluss der Morphologie auf Festigkeit und Bruchvorgänge in isotaktischem Polypropylen 

Eine stetig gleichbleibende hohe Qualität zu fertigen, ist erklärtes Ziel des Spritzgießgewerbes. Aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen ist es jedoch nicht möglich, für konstante Produktionsrahmenbedingungen zu sorgen. Die effizienteste Methode ist, die Schwankungen über die Wahl der richtigen Prozessführungsmethode auszugleichen. 

Identifikation und Reduzierung realer Schwankungen durch praxistaugliche Prozessführungsmethoden beim Spritzgießen 

Additive Fertigungsverfahren gewinnen eine immer größere Bedeutung als Fertigungsverfahren für kleine bis mittlere Serien. Neben der wirtschaftlichen Anwendung für Kleinserien bietet z.B. Laser-Sintern eine weit über die Möglichkeiten konventioneller Verfahren hinausgehende Designfreiheit, welche neue innovative Lösungen ermöglicht. 

Theorie über die Fortführung von Aufschmelzvorgängen als Grundvoraussetzung für eine robuste Prozessführung beim Laser-Sintern von Thermoplasten 

Kohlenstoffnanofasern (engl.: carbon nanofibres – CNF) haben aufgrund ihrer Struktur das Potential, in Compounds sowohl verstärkend als auch gleitmodifizierend zu wirken. Aufgrund ihrer geringen Größe sind sie potentiell auch in der Lage, feine Strukturen wie z. B. Schaummembranen oder Polymerfäden zu verstärken. Gänzlich ungeklärt ist derzeit noch ihre Eignung als rheologisches Additiv, z. B. um die Schmelzefestigkeit eines teilkristallinen Polymers zu erhöhen und damit bestimmte Verarbeitungsverfahren überhaupt erst zu ermöglichen. 

Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Kohlenstoff-Nanofaser verstärktem Polyetheretherketon 

Ziel der Arbeit war es, das Versagensverhalten von glasfaserverstärktem Kunststoff (GF/EP) bei Raum- und Tieftemperatur durch geeignete Experimente zu beschreiben. 

Einfluss von Tieftemperatur und Wasserstoff auf das Versagensverhalten von Glasfaser-Verbundwerkstoffen unter statischer und zyklischer Belastung 

Die Werkzeugtemperierung hat maßgeblichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit eines Spritzgießprozesses. Der gesamte Vorgang der Wärmeabfuhr aus dem Formteil ist dabei entscheidend für die Formteilqualität, die Energieeffizienz und die erzielbare Kühlzeit. Aus diesem Grund wurde der gesamte Temperierprozess hinsichtlich möglicher Optimierungen analysiert. Verbesserungsmöglichkeiten bieten sich im Bereich der thermischen Auslegung und beim Betrieb von Temperiersystemen. 

Methoden und Kennwerte für die Auslegung und den Betrieb von Temperiersystemen in Spritzgießwerkzeugen 

Faser-Polymermatrix-Verbunde besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Um Faserverbundstrukturen auslegen zu können, ist die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Materialien notwendig. Zuvor werden diese mechanischen Eigenschaften üblicherweise in mechanischen Prüfungen gemessen. Auf Basis der so ermittelten Prüfergebnisse werden anschließend mechanische Modelle der Faserverbundmaterialien erstellt. Um die mechanischen Eigenschaften der Materialien im quasi-statischen Fall beschreiben zu können, sind aufgrund der Anisotropie in aller Regel mindestens drei Prüfungen an einem Material notwendig. Dabei werden häufig Schwankungen in der Probendicke und damit im Faservolumenanteil beobachtet. Diese Schwankungen ziehen Streuungen in den gemessenen Elastizitäten und Festigkeiten nach sich. Demnach werden Ergebnisse von Prüfungen in einem Materialmodell vereint, die bei unterschiedlichen Faservolumenanteilen ermittelt wurden. Da die mechanischen Eigenschaften von Faserverbunden stark vom Faservolumengehalt abhängig sind, entstehen dabei große Fehler. Dadurch und durch andere Einflüsse wie Porositäten und Winkelabweichungen der Faserhalbzeuge sowie der Einzellagen können deutliche Streuungen in den Messergebnissen entstehen. In dieser Arbeit wird die inverse Laminattheorie (ILT) erweitert und zur inversen Berechnung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundmaterialien eingesetzt. Das so entwickelte Verfahren wird als Erweiterte Inverse Laminattheorie (EILT) bezeichnet. Auf diesem Wege können beispielsweise Unterschiede in den Faservolumenanteilen der unterschiedlichen Prüfkörper berücksichtigt werden. Der Zyklus der Ermittlung von Materialeigenschaften von Faserverbunden wird dadurch in ein geschlossenes analytisch-synthetisches Verfahren überführt, bei dem alle Eingangsparameter durch genormte Prüfungen ermittelbar sind. Die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften erfolgt auf Basis dieses Verfahrens in einem generischen Materialmodell, welches vollständig phänomenologisch basiert ist. Einen wesentlichen Schritt bei der Umsetzung dieses Ansatzes stellt die Entwicklung einer Methode dar, welche eine analytische Berechnung der in-situ-Eigenschaften der Polymermatrix ermöglicht. Als in-situ-Eigenschaften der Matrix werden dabei jene mechanischen Eigenschaften bezeichnet, die am reinen Polymer nicht messbar sind und infolge der Querkontraktionsbehinderung der polymeren Matrix durch die in sie eingebetteten Fasern entstehen. Messtechnische Grundlage dieser Vorgehensweise sind mechanische Prüfungen an unterschiedlichen Glasfasergelegeverbunden, die nach gültigen Normen durchgeführt wurden. Das so ermittelte Materialmodell kommt bei der Modellierung und Dimensionierung der Struktur von Rotorblättern für Windenergieanlagen zum Einsatz. Daher wurden zur Prüfung Normen verwendet, welche durch die bei der Zertifizierung dieser Rotorblätter zugrunde gelegten Richtlinie vorgeschrieben werden. Das entwickelte Verfahren der EILT führt auf hohe Genauigkeit bei der Modellierung von Glasfaserverbunden mit Polymermatrix und ist im Gegensatz zur ILT nur auf Eingangsparameter angewiesen, die Ergebnisse normgerechter Prüfungen sind. 

Mikromechanische Modellierung von Fasergelege-Kunststoff-Verbunden auf Basis von Normprüfungen der in-situ-Eigenschaften der Matrix 

Die Ausbildung von molekularen Überstrukturen hat einen ganz wesentlichen Einfluss auf die Orientierung und damit auf die mikroskopischen und makroskopischen Anisotropieeigenschaften der Formteile. Bei der Untersuchung und Aufklärung von Anisotropie- und Strukturerscheinungen haben die optischen Verfahren gegenüber vielen anderen Messmethoden den Vorteil, dass die Proben berührungslos und oftmals auch zerstörungsfrei über beliebige Zeiträume untersucht werden können. Es wurde ein automatisches Doppelbrechungsmessgerät auf der Basis eines kommerziellen Forschungspolarisationsmikroskops entwickelt, gebaut und nach den notwendigen technologischen Tests unter unterschiedlichen Bedingungen für Strukturuntersuchungen an Kunststoffen eingesetzt. 

Beitrag zur Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Molekülorientierung und Polymerwerkstoffeigenschaften mittels lichtmikroskopischer Methoden 

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen zwischen Cellulosefasern, der bio-basierten Kunststoffmatrix und dem Verbundwerkstoff. Neben den Eigenschaften der Faser und der Matrix selbst, wie deren mechanische Kennwerte und Spannungs-Dehnungs-Charakteristik sowie der Faserfreiheit und Faserlänge, beeinflussen das Herstellungsverfahren und verfahrenstechnische Einstellungen die Struktur und somit die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erheblich. Die Interaktion zwischen Faser- und Matrix, die Faserorientierung im Verbundwerkstoff, die mögliche Anwesenheit von Poren und deren Verteilung sowie die thermische und mechanische Belastung von Faser und Matrix durch das Herstellungsverfahren sind entscheidend für die Eigenschaften des entstehenden Verbundwerkstoffs verantwortlich. In vielen Arbeiten werden die genannten Aspekte getrennt voneinander betrachtet und interpretiert. Das führt dazu, dass die Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen von cellulosefaserverstärkten bio-basierten Matrices noch nicht vollständig verstanden sind. Kennwertvorhersagen sind schwierig zu treffen und zeigen hohe Abweichungen im Vergleich zu den experimentell ermittelten Daten. Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz dar, die genannten Parameter und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe zunächst getrennt voneinander zu analysieren. Die erzielten Ergebnisse werden anschließend in einen Zusammenhang gebracht und die Einflüsse der unterschiedlichen Parameter auf die Eigenschaften der hergestellten Verbundwerkstoffe analysiert. Bei den eingesetzten Verstärkungsfasern handelt es sich um Celluloseregeneratfasern mit einer hohen Zähigkeit (Duktilität) und einer geringen Steifigkeit sowie um Bastfaserbündel mit einer geringen Zähigkeit und einer hohen Steifigkeit. Als Matrix wird schwerpunktmäßig der bio-basierte Kunststoff PLA (Polymilchsäure oder Polylactid) berücksichtigt. Einzelne Versuchsreihen beschäftigen sich als Vergleichbarkeitsstudien jedoch auch mit PP (Polypropylen), MAPP (mit Maleinsäureanhydrid-gepfroptes PP) und PHB (Polyhydroxybuttersäure) als Matrices. Es wird die Übertragbarkeit der Struktur- und Eigenschaftsprinzipien von Cellulosefaser/PLA- auf Cellulosefaser/PHB-Verbundwerkstoffe überprüft. Die Produktion der Verbundwerkstoffe erfolgt mittels Formpress- und Spritzgussverfahren mit unterschiedlichen Verfahrensparametern. Neben der Aufklärung der  Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen zwischen Faser, Matrix und dem Verbundwerkstoff wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, wie die geringe Schlagzähigkeit von bastfaserverstärkten spröden PLA-Werkstoffen durch die Beimischung von Celluloseregeneratfasern optimiert werden kann und es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die suboptimale Faser/Matrix-Interaktion durch die Modifikation der Grenzschicht zwischen Faser und Matrix verbessert werden kann. Die erhobenen Daten werden letztendlich dazu genutzt, ein Modell zur Festigkeitsberechnung von Verbundwerkstoffen zu erstellen, mit dem die Festigkeit mit einer maximalen Abweichung von ± 20 % vorhergesagt werden kann. Dieses Ziel wird sowohl für langfaserverstärkte (Faserlänge > 4 mm) als auch für kurzfaserverstärkte (Faserlänge &lt; 4 mm) Verbundwerkstoffe erreicht. Die vorliegende Arbeit stellt somit einen wichtigen Beitrag dar, das Verhalten von cellulosefaserverstärkten bio-basierten Kunststoffen besser zu verstehen und diese Werkstoffgruppe zu berechenbaren Werkstoffen zu machen. 

Analyse und Optimierung der Struktur- und Eigenschaftsbeziehungen von cellulosefaserverstärkten Polylactid-Verbundwerkstoffen 

Im Mittelpunkt der Dissertation steht der Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und Adhäsionsvermögen von Polymerwerkstoffen. Die Untersuchung der erreichbaren Klebfestigkeit erfolgt am Beispiel von PP- und PBT. Zur reproduzierbaren Modifikation der Fügeteiloberflächen wird systematisch die Niederdruckplasma-Technologie eingesetzt und eine neue Optimierungsstrategie zur schnellen Findung erfolgreicher Prozessparameter entwickelt und beschrieben. 

Zusammenhang zwischen Oberflächenenergie und Adhäsionsvermögen von Polymerwerkstoffen am Beispiel von PP und PBT und deren Beeinflussung durch die Niederdruck-Plasmatechnologie 

Punktförmige Verbindungen, wie das Clinchen, bieten vorteilhafte Eigenschaften und werden in zunehmendem Maße in der Dünnblech verarbeitenden Industrie für metallische Verbindungen eingesetzt. Sie spielen gegenwärtig für Metall-Kunststoff-Verbindungen eine untergeordnete beziehungsweise gar keine Rolle. Dies ist wahrscheinlich der Tatsache geschuldet, dass Kunststoffe aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften ungeeignet für das Clinchen scheinen. 

Beitrag zum mechanischen Fügen von Metall-Kunststoff-Mischverbindungen 

Wellendichtringe aus Polytetrafluorethylen werden aufgrund ihrer allgemeinen Chemikalien-beständigkeit und hohen abdichtbaren Gleitgeschwindigkeiten immer dann eingesetzt wenn Wellendichtringe aus Elastomer versagen. Die Betriebsdauer wird dann allein durch abra- siven Verschleiß begrenzt. Bedingt durch die Molekülstruktur hat PTFE eine sehr niedrige Reibungszahl aber auch einen geringen Verschleißwiderstand. In der Dichtungstechnik wird PTFE daher nahezu immer gefüllt mit Partikeln, Plättchen oder Fasern eingesetzt. Diese Füllstoffe beeinflussen das tribologische Verhalten und verbessern den Verschleißwider-stand. Gefüllte PTFE Materialien werden als PTFE-Compound bezeichnet. 

Analyse, Modellierung und Simulation von Verschleiß auf mehreren Skalen zur Betriebsdauervorhersage von Wellendichtringen aus PTFE-Compound 

Das mechanische Verhalten thermoplastischer Verbundwerkstoffe wird im Wesentlichen von der Länge der Fasern beeinflusst. Allerdings unterliegen die Fasern bereits während der Verarbeitung starkem Faserlängenabbau, weshalb zunehmend Direktverfahren Anwendung finden, um die Fasern vor Schädigung zu schützen und Faserverbundwerkstoffe mit möglichst hohen Faserlängen zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss des Aspektverhältnisses insbesondere auf das Ermüdungsverhalten von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen untersucht und ein mathematischer Ansatz entwickelt, der die mittlere Faserlänge bzw. das Aspektverhältnis mit den Ermüdungseigenschaften in Korrelation setzt. 