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 versteht sich vorrangig als Plattform zur Publikation von Ergebnissen aktueller Forschung aus dem Bereich der 

. Ihr Ziel ist es, wissenschaftlich qualifizierte, deutsch- und englischsprachige Beiträge aus den Bereichen Werkstoffe, Konstruktion und Fertigung von Kunststoffen einer breiten Öffentlichkeit schnell und kostenfrei zugänglich zu machen.

Im Rahmen des Beitrags wird eine Prozesssimulationsumgebung für das additive Schmelzschichtungs-verfahren vorgestellt. Diese erlaubt die Abbildung eines extrudierten Schmelzestranges abhängig von Prozessgrößen, die in der additiven Fertigung von der Anlage vorgegeben werden und deren Einfluss aktuell nicht prädiktiv und rechnergestützt bestimmt werden kann. Die Herausforderung liegt dabei auf der Implementierung druck- und temperaturabhängiger Eigenschaften, da diese in gängigen CFD-Umgebungen strömungsmechanisch nicht vorgesehen sind. Die Validierung der in OpenFOAM entwickelten Prozesssimulation erfolgt anhand von experimentellen Thermografieanalysen.

Verfahren für die additive Fertigung

Prozesssimulation

Entwicklung eines rechnergestützten Ansatzes zur Abbildung des Strangablegens in der extrusionsbasierten additiven Fertigung

Die Prozessstabilität beim Spritzgießen wird durch Störeinflüsse negativ beeinflusst. Eine adaptive, phasenvereinende Prozessführungsstrategie, welche den Sollwert-Verlauf für eine unterlagerte Werkzeuginnendruckregelung vorgibt, soll eine konstante Bauteilqualität ermöglichen. Die Einflüsse zyklischer Veränderungen werden durch die Auswertung der Prozessgrößenverläufe und des Bauteilgewichts während des Anfahrprozesses für verschiedene Regelungskonzepte untersucht. Abschließend wird bewertet, ob die untersuchten Prozessgrößen für die Prozessführung relevant sind und daher zyklische Anpassungen der Werkzeuginnendruckreferenz notwendig sind.

Werkzeuginnendrucksensoren

Auswirkungen zyklischer Prozesseinflüsse auf den Werkzeuginnendruckverlauf und die Bauteilqualität im Spritzgießprozess

Für die Simulation des mechanischen Verhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe steht eine Vielzahl kommerzieller Softwaretools zur Verfügung. Das gegebene Angebot erfordert eine Entscheidung in der Planung moderner Entwicklungsprozesse hinsichtlich eines geeigneten Software-Tools. Für diese Auswahl ist eine geeignete Methodik notwendig. Mit der in dieser Untersuchung vorgestellten Methodik wird das mechanische Verhalten eines PP-GF30 durch vier kommerzielle Tools simuliert. Es zeigt sich, dass sich hinsichtlich des Materialversagens unter mehraxialer Belastung wesentliche Unterschiede zwischen den verwendeten Tools ergeben. Damit wird eine methodische Basis für die Auswahl einer am besten geeigneten Software für den jeweiligen Anwendungsfall gelegt.

Faserverbundwerkstoffe

Bewertungsmethodik kommerziell erhältlicher Homogenisierungs-Software für die optimierte Simulation des mechanischen Verhaltens kurzfaserverstärkter Kunststoffe

Aktuell wird zum Heißgasschweißen standardmäßig eine Düse aus aneinander gereihten runden Röhrchen (Rund-Düse) verwendet. Eine neu entwickelte Düse (Aufsatz-Düse), welche die Schweißnaht beim Erwärmen umschließt, ermöglicht es beim Heißgasschweißen, die Erwärmungszeit des Kunststoffes um bis zu 60 % zu reduzieren. Für PA66-GF35 z.B. kann die Erwärmungszeit, im Vergleich zu einer Rund-Düse, um bis zu 15 s reduzieren werden. Zudem ist die Aufschmelzung des Kunststoffes deutlich gleichmäßiger und weist keine kraterförmige Struktur an der Oberfläche auf. Die Reduktion der Erwärmungszeit führt zu einem geringeren Prozessgasverbrauch und letztendlich zu einer Reduktion des gesamten Energieverbrauchs und damit verbundenen niedrigeren Prozesskosten.

Reduktion der Erwärmungszeit beim Heißgasschweißen

Konventionelle additive Fertigungsverfahren wie die Fused Layer Manufacturing (FLM)-Technologie erlauben es, beliebige Strukturen aus den unterschiedlichsten Materialien werkzeuglos in sehr kurzer Zeit zu fertigen. Daneben werden bei schichtweise arbeitenden Verfahren die fertigungstechnischen Freiheitsgrade bezogen auf die Füllstrategie und vorhandene Anisotropie kaum genutzt. In der vorliegenden Veröffentlichung soll daher eine Optimalitätsstrategie für 2,5D-FLM-Strukturen vorgestellt werden, die auf einer Hauptnormalspannungsanalyse basiert. Ziel ist es, mithilfe simulationsbasierter Methoden einen beanspruchungs- und fertigungsgerechten Strukturentwurf zu generieren. Neben der methodischen Umsetzung dienen Versuche an generischen Lochplatten mit unterschiedlichen Füllstrategien zur Validierung und ersten Bestätigung der Methode.

Anwendung einer hauptnormalspannungs-orientierten Füllstrategie für Fused Layer Manufacturing Strukturen

Ergänzend zum bisherigen Stand der Wissenschaft und Technik wurden in dieser Veröffentlichung Fichtefasern aus einem thermo-mechanischen Aufschlussprozess über einen Spritzgusscompounder mit Polypropylen und Haftvermittler direkt compoundiert. Bei der direkten einstufigen Verarbeitung wurde ein steigender Holzfaseranteil bis 30 Gew.-% untersucht. Die Charakterisierung der Materialkombinationen erfolgte durch Zugversuche, Melt-Flow-Rate – Messungen, Dichtebestimmung, Mikroskopie und Kerbschlagbiegeversuche. Bei steigendem Holzfaseranteil wird eine Steigerung der Zugeigenschaften, der Viskosität und der Dichte festgestellt. Die Kerbschlagzähigkeit bleibt bei steigendem Holzfaseranteil im Rahmen der Standardabweichung konstant, ist jedoch im Vergleich zum unveränderten Grundpolymer geringer.

Verstärkung von Polypropylen mit Holzfasern durch Direkt-Compoundierung

Lufteinschlüsse in faserverstärkten Kunststoffen (FVK) gehören zu den gängigsten Imperfektionen, die sowohl die resultierende Steifigkeit als auch die Festigkeit beeinflussen können. Für die Berechnung der Steifigkeit einer perfekten UD-Schicht können semi-empirische Mischungsregeln genutzt werden, welche gute Übereinstimmung zu experimentellen Daten zeigen. Da Lufteinschlüsse in der Regel gegenüber den Grundwerkstoffen einen niedrigen Anteil aufweisen, kann das Mori-Tanaka Schema in einem weiteren Schritt zur Homogenisierung von perfekter Phase und Lufteinschluss verwendet werden. Durch die Einführung einer Geometriefunktion im Mori-Tanaka Schema kann der Einfluss der Lufteinschlussform die Steifigkeit untersucht werden.

Berechnung der Steifigkeit von FVK mit Lufteinschlüssen unter Berücksichtigung ihrer Geometrie

Untersuchungen und Vorhersage der Aufschmelzprozesse in der Einschneckenextrusion sind bereits seit vielen Jahrzehnten von wissenschaftlichem Interesse. In dieser Arbeit wird erstmals die Aufschmelzzone eines Hochleistungsextruders mit einer durchgehend wendelgenuteten Plastifizierzone experimentell untersucht. Hierzu wurde ein axial-teilbarer Extruder entwickelt, um die Barriereschnecke samt der Kunststoffschmelze freizulegen. Durch eine visuelle Untersuchung der eingefrorenen Schmelze werden Annahmen des vorhandenen Aufschmelzmodells validiert. Zudem werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchung mit denen des analytischen Modells verglichen. Diese Untersuchungen bestätigen die wesentlichen mathematischen Modellannahmen und stehen in guter Übereinstimmung zu vorherigen Untersuchungen auf einem axial-genuteten Einschneckenextruder.

Untersuchung der Aufschmelzzone von Hochleistungsextrudern mit wendelgenuteter Plastifizierzone

In diesem Paper wird eine Recyclingmethodik für Carbonfaser-Composites mit einer neuartigen bei Raumtemperatur infundier- und aushärtbaren thermoplastischen Matrix ELIUM 150 des Herstellers Arkema aufgezeigt. Durch das Lösen der Composites in Aceton ist es möglich die Matrix von den Fasern zu trennen und sowohl die Matrix als auch die Fasern in Form eines Geleges wiederzuverwenden. Ein Vergleich der thermomechanischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Composites zeigt nur geringe Performanceverluste durch das Recycling.

Closed-loop Raumtemperatur Recycling von Elium CFK und dessen Auswirkung auf die Eigenschaften der 2. Generation Composites

Der vorliegende Beitrag untersucht systematisch den Einfluss einer thermischen Nachbehandlung mit Hilfe eines Wärmeschranks sowie einer Inline-Infraroterwärmung auf die Eigenschaften eines vibrationsgeschweißten Polypropylens und eines PP/SiO<sub>2</sub>-Nanokompositen. Die Ergebnisse zeigen, unabhängig von der Wärmequelle für die Temperung, eine Verbesserung von Elastizitätsmodul und Festigkeit der Verbindung. Trotz der kurzen für die Infraroterwärmung benutzen Zyklen sind hier die Resultate besser und der Aufwand geringer.

Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften eines vibrationsgeschweißten Polypropylen/SiO<sub>2</sub>-Nanokomposits

Änderungen des spezifischen Volumens aufgrund chemischer Schwindung bei der Vernetzungsphase von duroplastischen Harzsystemen resultieren in einer verringerten Maßhaltigkeit der Bauteile durch Eigenspannungen und bei faserverstärkten Kunststoffen (FVK) in Oberflächenwelligkeiten. Zur prozessnahen Charakterisierung der chemischen Schwindung wird ein speziell entwickeltes Dilatometer verwendet. Die Untersuchungen zeigen einen signifikanten Einfluss des Mischungs-verhältnisses von Harz- und Härterkomponente, welches zu einer reduzierten chemischen Schwindung führt. Ein erhöhter Feuchtigkeitsgehalt in der Harzkomponente führt tendenziell zu einer geringeren chemischen Schwindung.

Untersuchungen zum Schwindungsverhalten eines schnellhärtenden Epoxidharzsystems in Abhängigkeit des Feuchtigkeits- und Gasgehalts sowie des Mischungsverhältnisses

Im Gegensatz zur Plastifizierung beim Spritzguss wird bei der Verarbeitung mit einem Doppelschneckenextruder duroplastische Formmasse durch höhere Scherung über die Vernetzungsstarttemperatur erhitzt. Neben der Schneckendrehzahl besitzt die Schneckenkonfiguration einen entscheidenden Einfluss auf die scherinduzierte Energie und das Massetemperaturprofil entlang des Extruders. Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Analysemethodik zu entwickeln, die es ermöglicht, den Einfluss unterschiedlicher Prozesspunkte auf das Fließhärtungsverhalten vergleichend zu untersuchen und die mögliche Auswirkung auf spätere Eigenschaften der geschäumten Halbzeuge zu diskutieren.

Analyse des Fließhärtungsverhaltens von chemisch schäumbaren Phenol-Formmassen im Extrusionsprozess

In dieser Untersuchung wurde eine Möglichkeit zur Verkürzung der Zykluszeit bei der Herstellung dickwandiger optischer Bauteile durch Druckverfestigung simulativ betrachtet und experimentell auf ihre Gültigkeit geprüft. Die mit verkürzter Zykluszeit hergestellten Probekörper wurden mit den für derartige Bauteile gängigen Herstellverfahren Spritzgießen, Spritzprägen sowie konventionelle Druck-verfestigung hinsichtlich Maßhaltigkeit, inneren Spannungen und Mikrostrukturabformung verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass durch ein verzögertes Heizen des Werkzeugs die Angleichzeit und damit die Zykluszeit des Prozesses um bis zu 55 % reduziert werden kann, bei gleichbleibend hoher Qualität der Bauteile.

Anwendungsoptimierte Druckverfestigung

Eine flexible Luftführungseinheit in der Blasfolienextrusion ermöglicht Massedurchsatzsteigerungen von mehr als 60 %. Die Entwicklung ummantelt dabei die Schlauchbildungszone und erzeugt einen Strömungsspalt zwischen Folienblase und einer flexiblen Membran. In diesem Spalt erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft, was zu einem erhöhten Wärmeentzug führt. Diese Erhöhung erzeugt im Spalt als Sekundäreffekt einen lokalen Unterdruck. Als Folge ergibt sich eine frühere Aufweitung der Folienblase im Vergleich zum konventionellen Prozess, wodurch der Wärmeentzug durch eine größere Oberfläche weiter gesteigert werden kann. Der Strömungsspalt lässt sich während des Extrusionsprozesses prozesspunktunabhängig an die aktuelle Blasengeometrie anpassen.

Erhöhung der Kühlleistung durch den Einsatz einer flexiblen Luftführungseinheit unter Ausbildung des Venturi-Effekts bei der Blasfolienextrusion

Am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen ist im Rahmen jahrelanger For-schung ein alternatives Plastifizierkonzept für die High-Speed-Extrusion entwickelt worden. Der soge-nannte High-Speed-S-Truder realisiert mittels einer durchlässigen, frei rotierenden Schneckenhülse die Trennung von Feststoff und Schmelze. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit dieses Konzeptes werden konstruktive Optimierungsmaßnahmen im Bereich der Schneckeneinzugszone und am In-nenprofil der Schneckenhülse durchgeführt. Aus den Ergebnissen zur Untersuchung der thermischen und stofflichen Homogenität des Extrudates kann eine Hypothese zum Aufschmelzverhalten des High-Speed-S-Truders abgeleitet werden. 

Leistungssteigerung in der High-Speed-Extrusion   

Zur Bestimmung des Einflusses von Laminatparametern auf das induktive Aufheizverhalten von ther-moplastischen kohlenstofffaserverstärkten Laminaten wurden verschiedene Probekörper hergestellt und im Rahmen von statischen Aufheizversuchen untersucht. Die Probekörper unterschieden sich im Faservolumengehalt, in der Laminatdicke, im Titer, in der Fadendichte sowie im Matrixpolymer. Zur Analyse des Parametereinflusses wurden die jeweiligen Aufheizraten der beiden Laminatoberflächen eines Probekörpers ermittelt. Eine Verringerung der Fadendichte, des Titers oder der Laminatdicke hat eine Steigerung der Aufheizrate zur Folge. Hingegen zieht eine Verringerung des Faservolumengehalts eine Verringerung der Aufheizrate nach sich. Als Ursache konnte die jeweils unterschiedliche Kontaktflächenausprägung zwischen den Kohlenstofffaser-Rovings identifiziert werden. 

Beeinflussung der Induktionserwärmung von textilverstärktem CFK durch Laminatparameter 

Die Haftung von selbsthaftenden Flüssigsilikonkautschuken auf Thermoplasten ist ohne Oberflächenvorbehandlung nur für einige Materialkombinationen möglich. Für Polycarbonat erweist sich eine UV-Vorbehandlung als effektiv, wobei sehr kurze Bestrahlungszeiten ausreichen. Zur Aufklärung der benötigten Bestrahlungsbedingungen, die zur Verbesserung der Haftung führen, wurden Bestrahlungsversuche durchgeführt und ausgewertet. Zur Oberflächenanalytik wurde die FTIR-ATR-Spektroskopie eingesetzt, um die Veränderung der Polymeroberfläche zu charakterisieren. 

UV Oberflächenaktivierung von Polycarbonat zur Verbesserung der Haftung zu Flüssigsilikonkautschuk (LSR) 

Es wird ein neuer Prozess zur Herstellung von duroplastischen Spritzgussteilen mit lokaler Endlosfaserverstärkung in einem Spritzgießzyklus entwickelt. Hierfür werden "trockene" Textilien oder Endlosfasern in die Kavität eines Spritzgießwerkzeuges eingelegt. Anschließend werden die Endlosfasern mittels einer kurzfaserverstärkten duroplastischen Formmasse imprägniert und eingebettet. In dieser Veröffentlichung wird die technische Machbarkeit des Verfahrens durch die Analyse der Benetzbarkeit und Imprägnierbarkeit von trockenen Carbon-Rovings in Abhängigkeit der Werkzeugtemperatur nachgewiesen. Darüber hinaus zeigen mechanische Tests, dass durch dieses neue Verfahren, dass die Integration von Endlosfasern in Spritzgussteilen deren mechanische Eigenschaften verbessern, sofern diese vollständig imprägniert sind. 

Integrative Herstellung von endlosfaserverstärkten Duroplastbauteilen im Spritzguss 

Um die Entstehung von Bindenähten und die daraus hervorgerufene Verringerung der Bauteilfestigkeit zu verstehen, wurden Einflussfaktoren wie Prozessparameter und Bauteilgeometrie auf die Morphologie sowie die Zug- und Schubfestigkeit von Bindenähten in Polystyrol quantifiziert. In den Untersuchungen konnte ein Einfluss von Schmelzetemperatur, Nachdruckhöhe sowie Fließhindernisgeometrie und Abstand zum Fließhindernis auf die Zugfestigkeit von Bindenähten festgestellt werden. Entgegen der Literatur wurde eine hohe Festigkeit direkt hinter dem Fließhindernis festgestellt. Des Weiteren konnte die Ausbildung einer schwächeren Randschicht beobachtet werden. Ein Einfluss der variierten Parameter auf die Schubfestigkeit wurde nicht festgestellt. 

Untersuchung der prozess- und geometrieabhängigen Zug- und Schubfestigkeit von Bindenähten in Polystyrol 

In dieser Studie wurden graphenbasierte Polypropylen-Komposite unter industrienahen Bedingungen mithilfe eines Doppelschneckenextruders hergestellt, der im Vergleich zu Laborversuchen einen geringeren Energieeintrag erzielt. Der Dispergierungsgrad und die resultierenden Materialeigenschaften stehen im Fokus dieser Studie. Hierfür werden verschiedenen Graphen- und Graphenoxid-Typen mit unterschiedlichen spezifischen Oberflächen und Füllstoffanteilen eingesetzt. Die Analyse der Dispergierung zeigt deutliche Agglomerate in der Matrix. Im Gegensatz zur Schmelztemperatur werden sowohl die Kristallinität als auch die Kristallisationstemperatur durch die Zugabe von Graphen signifikant beeinflusst. Der Zug-E-Modul nimmt  mit steigendem Füllstoffgehalt zu, während die Zugfestigkeit durch die Zugabe des verwendeten Graphens nicht gesteigert wird. 

Mechanische, rheologische und thermische Eigenschaften von extrudierten graphenbasierten PP-Kompositen 

In dieser Studie wird ein neuartiger Ansatz zur Charakterisierung der Faser/Matrix-Grenzflächeneigenschaften von kohlefaserverstärkten Epoxidharzen unter Querzugbelastung vorgestellt. Es wird ein Einzelfaser-Probenkonzept für die Zugprüfung senkrecht zur Faser entwickelt. Mit dem neuartigen Probenkonzept wird das Grenzflächenversagen beobachtet und die relevanten Kennwerte extrahiert. Unter Querspannung hat sich die Matrix vor dem Versagen der Grenzfläche stark plastisch verformt. Es wird auch festgestellt, dass Grenzflächenversagen vorzeitig durch plastische Scherbänder hervorgerufen werden kann, die bei Fehlstellen und anderen Unregelmäßigkeiten ausgelöst werden. 

Experimentelle und numerische Untersuchung der Faser/Matrix-Grenzflächeneigenschaften von CFK mit Modellverbunden 

Das Recycling von Carbonfasern (CF) bedingt eine kontrollierte Ausrichtung möglichst langer Fasern im Bauteil. Dieses Ziel wurde mit der textilen Entwicklung von hybriden Stapelfasergarnen aus recycelten CF (rCF) und PA 6-Fasern verfolgt, die in Gelegeform zu Organoblechen weiterverarbeitet wurden. Trotz einer quasi-kontinuierlichen Verstärkung im Organoblech durch rCF ergibt sich in der schmelzflüssigen Phase des Thermoform-Prozesses eine plastische Deformierbarkeit, ähnlich dem Tiefzieh-Prozess. Diese plastische Deformierbarkeit von Stapelfaser-Kunststoff-Verbunden (SFKV) wurde in temperierten Zugversuchen analysiert. 

Tiefziehbare Organobleche aus recycelten Carbonfasern 

Gusspolyamid 6 ist ein hochmolekularer Thermoplast, dessen Wiederverwertung jedoch bis heute sehr eingeschränkt stattfindet. Eine einfache Wiederverwertung von Gusspolyamid in der Schmelze ist aufgrund eines katalysatorinduzierten Molmassenabbaus nicht zu empfehlen. Auf Grund der hohen Molmassen dieses Polyamids besteht aber auch die Möglichkeit, hochmolekulare Rezyklate herzustellen, wenn es gelingt, die Molmassen zu stabilisieren bzw. einzustellen. Dies ist durch Verwendung von spezifischen Mengen an Carbonsäuren oder durch die Zugabe von estermodifizierten Wachsen möglich. So können Rezyklate erzeugt werden, welche ohne weitere Modifizierungen direkt blasformbar sind. 

Blasformbares Rezyklat aus Gusspolyamid-6-Abfällen 

Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Ermittlung von Datensätzen zur Lebensdauerberechnung kurzfaserverstärkter Kunststoffe vorgestellt. Speziell wird auf die Materialcharakterisierung und die hierfür notwendigen Modelle (für Faserorientierung, Mittelspannung, Kerbeffekt, Temperatur) und Versuche eingegangen. Die Vorgangsweise zur Erstellung eines Datensatzes für die Lebensdauerberechnung wird anhand eines kurzglas-faserverstärkten Polyphtalamides erläutert. Einige entscheidende Punkte bei der Datensatzerstellung werden diskutiert. Die gezeigte Vorgehensweise ermöglicht eine standardisierte Lebensdauerabschätzung für Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen.  

Datensatzermittlung zur Lebensdauervorhersage kurzfaserverstärkter Kunststoffe 

Kunststoffverarbeitende Unternehmen in Hochlohnländern sind mit einem kontinuierlich steigendem Kosten- und Qualitätsdruck konfrontiert. Eine 100 %-Qualitätskontrolle ist in vielen Anwendungsfällen jedoch mit einem nicht vertretbaren Aufwand verbunden. Qualitätsprognose bzw. -regelung auf Basis von Prozessdaten wäre wünschenswert. Neuronale Netzwerke wurden bereits angewandt. Ihr Erfolg beruht aber auf dem Vorhandensein von gemäß ok/not ok annotierten Daten. Da bei der Betrachtung von Prozessdaten meist nicht bekannt ist, ob in einem Zyklus ein Gut- oder Schlechtteil produziert wurde, sind die überwachten Lernverfahren nicht anwendbar. Wir stellen deshalb Ansätze zur Anomalie-Erkennung in Spritzgieß-Prozessdaten mittels unüberwachter maschineller Lernverfahren vor. 

Anomalie-Erkennung in Spritzgieß-Prozessdaten auf Basis von unüberwachtem Lernen 

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Ausarbeitung einer Simulationsmethodik zur Untersuchung des Einflusses der Oberflächentopologie auf Strömungen in der Fließkanalrandschicht. Mit dieser Methode ist es möglich, ausgehend vom Makrobereich ein Modell sukzessive in den Mikrobereich zu überfüh-ren. Entsprechend der Verkleinerung der Modellgeometrie können Strömungsvorgänge in der Fließ-kanalrandschicht durch numerische Simulationen abgebildet werden. Das Vorgehen wird exempla-risch anhand eines Farbwechselversuches unter Berücksichtigung einer korundgestrahlten Oberflä-chentopologie demonstriert. 

Methodik zur Simulation von wandnahen Strömungen am Beispiel eines Farbwechselprozesses 

Die kontinuierliche Erfassung von Qualitätsparametern ist eine zunehmende Anforderung in der Polymerextrusion. Die optische Spektroskopie kann diese Anforderung erfüllen, da sie neben der Farbe weitere Parameter wie beispielsweise chemische Eigenschaften, Trübungsgrad oder Partikelgröße erfasst. Dabei werden für Inline-Messungen im Extruder optische Sonden eingesetzt. Im laufenden Betrieb bilden sich Ablagerungen auf den Sondenfenstern. Dieser Beitrag präsentiert ein neues Cleaning in Place Konzept, mit dessen Hilfe die Fenster auch während der Produktion ohne Unterbrechung gereinigt werden können. Auch die Kalibrierung der Messtechnik ist dabei möglich. Das verhindert Rüstzeiten und sichert eine kontinuierliche Inline-Messung. 

Cleaning in Place Konzept zum Dauerbetrieb optischer Sonden in der Prozessanalytik der Polymerextrusion 

Die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen im Werkstoff-Leichtbau ist eng mit der Verfügbarkeit einer geeigneten Fügetechnologie verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der kontinuierliche und linienförmige Induktionsschweißprozess hinsichtlich der Industrialisierung und der Verbindungs-festigkeit bei dem Einsatz von werkstoffreinen PA66-CF Verbindungen untersucht. Dabei werden insbesondere die Robustheit, Reproduzierbarkeit und 3D-Fähigkeit des Verfahrens im Anwendungsfall des Karosseriebaus betrachtet. Abschließend werden die Versagensarten der Verbindung anhand von InSitu-Computertomographie und Mikroskopieaufnahmen diskutiert. 

Induktionsschweißen von carbonfaserverstärktem Polyamid 66 im automobilen Karosseriebau 

Der zunehmende Anteil an Elektronik in verschiedenen Industriesektoren führt zu einer steigenden Nachfrage nach flexiblen und anpassungsfähigen elektronischen Systemen mit hoher Funktionsdichte und Belastbarkeit. Ein effizientes Verfahren für die Herstellung solcher Komponenten ist die Kombination von Kunststoff und Metalleinlegeteilen wie Stanzgittern mittels Montagespritzgießen. Eine große Herausforderung ist hierbei die beständige Mediendichtheit der Elektronik unter Umwelteinflüssen. Die Forschungsarbeiten in diesem Artikel konzentrieren sich auf den Einfluss von mikrogeformten Kanten an Metalleinlegern auf die Dichtheit nach Temperaturzyklen. 

Einfluss mikrogeformter Kanten an Metalleinlegern auf die Temperaturwechselbeständigkeit mediendichter Kunststoff-Metall-Hybriden 

Die Entstehung von Grenzflächen lässt sich in vielen Verfahren zur Verbindung thermoplastischer Kunststoffe nicht vermeiden. Die dadurch geminderten Festigkeiten an Grenzflächen sind sehr stark vom jeweiligen Verbindungsverfahren abhängig. Zur Aufklärung der Prozess-Eigenschafts-Beziehung wurden die entstehenden Grenzflächen für das Fügeverfahren des Vibrationsschweißens mit den Strukturen aus dem Montagespritzgießen verglichen. Zur Einordnung der Grenzflächenstrukturen bezogen auf ihre Festigkeiten, wurde mithilfe eines Zugversuchs an Dünnschnitten unter dem Polarisationsmikroskop das Versagen der Grenzfläche beobachtet. 

Vergleich von Grenzflächen in Schweißnähten und Spritzgießbauteilen 

Werkstoffeigenschaften geprüft unter Normbedingungen bilden nicht immer die Beanspruchungen in der Realität ab. Die Bewertung überlagerter äußerer Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften ist meist nur durch den Einsatz verschiedener Prüfmethoden möglich. Aus diesem Grund werden bestehende Prüfverfahren und Auswertemethoden stetig verfeinert. Mit Hilfe der bruchmechanischen Methode der Essential-Work-of-Fracture und den aus Kraft-Verlängerungs-Diagrammen abgeleiteten Duktilitätslevel kann ein neuartiger vielversprechender Einsatz zur Werkstoffqualifizierung vorgestellt werden. Das gemittelte Duktilitätslevel kann den Beginn der Hochlage des Spröd-duktil-Übergangs aus Kerbschlagbiegeprüfungen für unterschiedliche Konditionierungszustände reproduzierbar am Beispiel von unterschiedlich konditioniertem PA6 und einem PA6-Blend nachweisen. 

Alternatives Verfahren zur Bestimmung des Spröd-duktil-Übergangs bei geringen Prüfgeschwindigkeiten 

Die Untersuchung fußt auf der Analyse von Garnlücken, die sich während der Geflechtherstellung durch Prozessparameterabweichungen typischerweise bilden. Für die mechanische Analyse wurden vergleichbare Lücken künstlich in Coupons aus fehlerfreien Geflechten eingebracht. Die Ausrichtung der Garnlücken in den Coupons wurde in mehreren Stufen relativ zur Belastungsrichtung variiert. Prüfkörper wurden im VAP- und RTM-Verfahren hergestellt und deren Eigenschaften in Zug-, Druck- und Schubtests charakterisiert. Je nach Tränkungsmethode und Lückenausrichtung zeigen sich Ergebnisse von geringen Abweichungen gegenüber der fehlerfreien Referenz bis hin zu Einbußen von 36% der Zugfestigkeit im sensibelsten Lastfall. Dieser deutliche Zugfestigkeitsabfall wird auf eine lokale Zunahme der Garnondulation zurückgeführt. 

Auswirkungen lokaler Garnlücken auf die mechanischen Eigenschaften geflochtener Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunde 

Der große Vorteil von Formen aus CFK ist deren vergleichbare Wärmedehnung zum CFK-Bauteil. Nachteile finden sich in geringeren Standzeiten durch eine nachlassende Vakuumintegrität. Ziel dieser experimentellen Untersuchung ist es, den Zusammenhang zwischen Degradation der Form-Matrix sowie der damit verbundenen steigenden Luftdurchlässigkeit des Laminats und der zyklischen thermischen Belastung zu analysieren. Es zeigt sich, dass epoxidbasierte Laminate unter 150 °C keine bis sehr geringe Alterung aufweisen, wohingegen bei 180 °C schon nach 250 Zyklen ein sehr deutlicher Abfall in den Kennwerten beobachtet wird. Bismaleimide (BMI) basierte Laminate zeigen hingegen sehr geringe Alterungseffekte bei 180 °C nach 500 Zyklen. 

Untersuchungen zur Haltbarkeit von Formen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK): Ein Vergleich der Matrixsysteme Epoxid und BMI 

Die Kombination aus selektivem Laser-Sintern und Inkjet-Druck bietet die Möglichkeit, zwei Technologien mit hoher Variationsvielfalt zu vereinen. Für ein ideales Bauteilergebnis muss der Einfluss der Oberflächenrauheit mittels selektivem Laser-Sintern hergestellten Bauteilen auf die Druckbildqualität des Inkjet-Drucks herausgearbeitet werden. Hierzu wird die Druckbildqualität erst qualitativ, dann quantitativ unter Zuhilfenahme von Methoden aus der Geographie und der Tribologie analysiert. Die Korrelation der Druckbildqualität mit den Sk-Oberflächenkenngrößen nach DIN EN ISO 25178- 2:2012 dient einer schnelleren Einschätzung der Oberflächenstruktur für den folgenden Inkjet-Druckprozess. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere das Svk/Sk- und das Svk/Spk-Verhältnis die Druckbildqualität vorab gut einschätzen lassen. 

Einfluss und Charakterisierung der Oberflächenstruktur von per selektivem Laser-Sintern hergestellten Bauteilen zur Qualifizierung für den Digitaldruck 

In dieser Studie wurde ein Festsilikonkautschuk mit fünf verschiedenen Vernetzungssystemen, welche auf organischen Peroxiden basieren, und verschiedenen Mengenanteilen gemischt. Nach dem Mischen wurde das Vulkanisationsverhalten der Polymermischungen mit Hilfe eines Rubber Process Analyzer untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Festsilikonkautschuk mit einer Vielzahl an Vernetzungssystemen vulkanisiert werden kann. Ein größerer Anteil an Vernetzer ist nicht notwendig, um den elastischen Anteil zu vergrößern oder die Vulkanisationszeit zu verkürzen. Es konnte zudem gezeigt werden, dass sich die Vernetzungsdichte über einen großen Temperaturbereich auf einem ähnlichen Niveau bewegt. 

Einfluss verschiedener Vernetzungssysteme und Vernetzeranteile auf das Vulkanisationsverhalten von Silikonkautschuk 

Während der Verarbeitung unterliegt die Kunststoffschmelze meist einer hohen Abkühlgeschwindigkeit. Dies beeinflusst dabei das Erstarrungsverhalten, insbesondere das Kristallisationsverhalten. Dieser Beitrag untersucht das Kristallisieren teilkristalliner Thermoplaste bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten bis 2000 K/s und Nukleierungszuständen, um das Einsatzpotential für den Mikrospritzguss analytisch zu bewerten. Die Untersuchungen zeigen, dass mit steigenden Kühlraten die Kristallisationstemperatur zu niedrigeren Werten verschoben wird. Insbesondere ein tendenziell langsamer kristallisierendes PA 66 zeigt bei ausreichend hohen Kühlraten eine Unterdrückung der Kristallisation. Eine Nukleierung des Materials begünstigt die Kristallisation auch bei hohen Abkühlraten, was insbesondere für Mikrobauteile von erhöhter Relevanz ist. 

Einfluss hoher Abkühlgeschwindigkeiten auf das kristallisationsverhalten nukleierter und nicht-nukleierter teilkristalliner Thermoplaste 

Gegenwärtig wird am KTP die Simulation von Feststoffförderzonen gleichläufiger Doppelschneckenextruder (DSE) untersucht. Denn die Auslegung von Doppelschneckenextrudern mit Hilfe von Simulationsrechnungen bildet gegenwärtig eine abgesicherte und kostengünstige Alternative zu den rein auf empirischen Erkenntnissen und Erfahrungen ausgerichteten Schneckenkonzepten. Dabei steht im Fokus des Interesses die Berechnung der Temperaturerhöhung durch Reibvorgänge – interpartikulär oder zwischen Partikeln und Schnecke bzw. Zylinderwand. Verwendet wird hierbei die Simulationssoftware EDEM. 

Phänomenorientierte Untersuchung der Feststoffförderzonen gleichläufiger Doppelschneckenextruder mithilfe der DEM-Simulation 

Wegen der vorteilhaften Eigenschaften im Trockenlauf sind thermoplastische Kunststoffe bereits in vielen tribologischen Anwendungen vertreten, hohe Temperaturen führen den Werkstoff dabei jedoch schnell an seine Grenzen. In dieser Studie wird der Wärmeentwicklung im tribologischen Kontakt durch einen energieabsorbierenden Füllstoff entgegengewirkt. Mechanische, thermische und tribolo-gische (Pin-on-Disk) Prüfungen zeigen deutlich, dass durch Nutzung energieverzehrender Effekte das Einsatzfeld kunststoffbasierter Tribocompounds stark erweitert werden kann. 

Nutzung energieverzehrender Effekte für tribologische Anwendungen 

Beim Thermoformen ist eine inhomogene Umformung des Halbzeugs charakteristisch, wodurch Dünnstellen mit geringen Festigkeiten entstehen. Daher müssen die Bauteile hinsichtlich dieser Dünnstellen dimensioniert werden, wodurch die Bauteile in den restlichen Bereichen überdimensioniert sind. Mit dem Ziel, die Umformeigenschaften von Halbzeugen lokal anzupassen, wird ein Temperaturprofil auf die Halbzeuge durch ein Heizkonzept mit Masken aufgebracht. Es ist möglich, das Verformungsverhalten der Halbzeuge lokal so einzustellen, dass dies gleichmäßig verstreckt wird und keine Dünnstellen bzw. überdimensionierten Bereiche entstehen. Somit lässt sich die Halbzeugdicke bei gleichbleibenden Bauteileigenschaften verringern. 

Analyse der Temperaturprofilierung durch Masken zur Steigerung der Materialeffizienz im Thermoformen 

Das Fließverhalten teilvernetzter oder hochgefüllter Kunststoffschmelzen wird mit einem neuen heuristischen Fließansatz beschrieben, der das strukturviskose Fließverhalten sowohl im Bereich niedriger als auch im Bereich hoher Schergeschwindigkeiten berücksichtigt. Der CARPOW-Ansatz ist eine Kombination des Potenzansatzes und des Carreau-Ansatzes. Er ermöglicht die Abbildung des Fließverhaltens von teilvernetzten oder hochgefüllten Kunststoffschmelzen im verarbeitungs-relevanten Schergeschwindigkeitsbereich in Extrusions- und Spritzgießwerkzeugen. Die Auslegungs-kriterien von Extrusionswerkzeugen sollen unter Berücksichtigung dieses Fließverhaltens erfüllt werden. Das führt zu neuen, gegenüber bisherigen gängigen Auslegungskonzepten modifizierten Konzepten im Falle teilvernetzter oder hochgefüllter Kunststoffschmelzen. Zwei praxisnahe Beispiele sollen die Vorgehensweise bei der Auslegung von Breitschlitz-Extrusionswerkzeugen aufzeigen. 

Numerische Simulation von Strömungsvorgängen in Extrusionswerkzeugen für teilvernetzte oder hochgefüllte Kunststoffschmelze 

Automatisierte Faserablegeverfahren haben sich in der Luft- und Raumfahrt als geeignete Prozesse zur effektiven Produktion etabliert, wobei der Wärmeeintrag durch Strahlung weitrechende Vorteile bietet. Die vorliegende Arbeit fasst Untersuchungen zum Einsatz und insbesondere zur Berechnung von Strahlungsheizungen in spezifischen Anwendungen zusammen und berücksichtigt sowohl thermoplastische als auch duromere Verbundwerkstoffe. Dabei werden die Eigenschaften, Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Laser und Infrarot Strahlungsquellen, sowie die optischen Interaktionen mit dem bestrahlten Material betrachtet. Die numerische Abbildung der Wärmeübertragung wird mit einem Fokus auf Strahlungserwärmung beleuchtet. 

Literaturübersicht zur Strahlungserwärmung in automatisierten Faserablegeverfahren und deren Berechnung 

Der Effekt der Oberflächenvorbehandlung für metallische z-Verstärkungsbleche und die Auslagerung der z-verstärkten CFK-Prüfkörper in feuchtwarmem Klima (70 °C, 85 % RH) auf die mechanische Verankerung und Adhäsion zwischen Verstärkungselementen und Laminat wird untersucht. Feuchtigkeitsdiffusion führt dabei zu einer signifikanten Erhöhung des Delaminationswiderstands. In z-verstärkten Verbindungen wirken Druckspannungen zwischen Laminat und z-Verstärkungen aufgrund der Schwellung des Laminats, und so ist der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung verringert und jener des Ausdehnungskoeffizienten der z-Verstärkungen erhöht. Untersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) stützen die Annahme, dass laserinduzierte kombinierte mechanische Adhäsion und Chemiesorption bzgl. der Adhäsionseigenschaften den größten Widerstand gegenüber Feuchtigkeitsdiffusion bieten. 

Grenzflächenphänomene metallisch z-verstärkter hydrothermal gealterter CFK-Verbindungen 

Das sequenzielle Preformen von thermoplastisch bebinderten Trockenfaserstrukturen ist ein wichtiger Schritt im Herstellungsprozess von Kohlenstofffaserverbundbauteilen in der Luftfahrtindustrie. Aktuelle Techniken zur Ausführung dieses Schrittes sind zumeist diskontinuierlich, schwer automatisierbar und erreichen zum Teil den gewünschten Faservolumengehalt nicht. Ein neuer Ansatz ist der kontinuierliche Einsatz von Ultraschallschweißanlagen zur flächigen Verbindung der Faserlagen. Neben technologischen Fragen ist auch der Einfluss dieses Prozesses auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundes ungeklärt. Die vorliegende Ausarbeitung nimmt sich dieser Fragestellung an und untersucht die Auswirkungen des Ultraschall-Preformens auf die Zug-, ILSS- und CAI-Eigenschaften auf luftfahrtrelevante CFK-Laminate. 

Einfluss des Ultraschall-Preformens auf die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstofffaserverbunden 

Rotationsformen ist ein Kunststoffverarbeitungsverfahren mit dem hohle, nahtlose Kunststoffbauteile gefertigt werden. Das Verfahren ermöglicht die Generierung komplex geformter und sehr großvolumiger Bauteile, wie beispielsweise Tanks für den Behälter- oder Fahrzeugbau. Mehr-schichtige Bauteile können werkzeugunabhängig durch die sequentielle Zugabe von verschiedenen Werkstoffen in das Werkzeug generiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Verbundfestigkeit mehrschichtiger Aufbauten aus Polyamid 12 und Polyethylen mit Zwischenschichten, bestehend aus zweiphasigen Systemen der beiden zu fügenden Komponenten untersucht. 

Optimierung der Verbundhaftung von mehrlagigen, rotationsgeformten Bauteilen durch Einbringen einer mehrphasigen Zwischenschicht 

Für Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) wurde eine nichtlineare Gleichung aufgestellt, welche die Materialschädigung bei der Extrusion als Funktion der Temperatur (T), Schergeschwindigkeit (γ ̇) und Verweilzeit (tv) berechnet. In dieser Veröffentlichung wird die Modellierung und die Simulation für den Extrusionsprozess erläutert. Der Materialabbau wurde durch die Gelpermeationschromatographie (GPC) und die Messung der intrinsischen Viskosität (IV) charakterisiert. Die gemessenen Daten werden mit den berechneten Werten verglichen und diskutiert.  

Berechnung des Materialabbaus von PP und PS in der Plastifiziereinheit Teil 2: Modellierung und Verifikation am Einschneckenextruder
 

Jeder Prozesssimulation im Polymer Engineering liegen die Erhaltungsgleichungen, welche sich auf umfassendes Wissen über die Materialeigenschaften beziehen, zu Grunde. Diese empirisch ermittelten Eigenschaften wie Viskosität, spezifische Enthalpie (spezifische Wärmekapazität), Dichte und Wärmeleitfähigkeit werden in den Simulationen mit mathematischen Materialmodellen wieder-gegeben. Dabei beeinflusst die Art und Weise der Messung rheologischer und thermodynamischer Materialdaten die Genauigkeit des Materialmodells und folglich auch das Simulationsergebnis. Die Bedeutsamkeit eines genauen Materialmodells ist somit offensichtlich. Vor diesem Hintergrund werden Einflussgrößen der Messmethoden auf das Materialmodell und ein Vorgehen zur Modellierung konsistenter Materialdaten bei prozessrelevanten Heiz-/Kühlraten vorgestellt. 

Modellierung konsistenter rheologischer und thermodynamischer Materialdaten für die Prozesssimulation 

Bei der konventionellen reaktiven Aufbereitung von Polymerwerkstoffen führt der Einsatz temperaturgesteuerter Reaktionsinitiatoren zu einer Kopplung der Teilprozesse Stoff- und Wärme-transport sowie chemische Reaktion. Diese Kopplung erschwert eine präzise Steuerung der gewünschten chemischen Reaktion. Die elektroneninduzierte reaktive Aufbereitung nutzt die zeitlich und räumlich präzise Initiierung der chemischen Reaktion mittels energiereicher Elektronen. Die präzise Prozess-Steuerung ermöglicht die Herstellung von Polymerwerkstoffen mit einem erhöhten mechanischen Eigenschaftsniveau. Mit Blick auf zukünftige industrielle Anwendungen wurde ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren für die elektroneninduzierte reaktive Aufbereitung entwickelt und getestet. 

Kontinuierliche elektroneninduzierte reaktive Aufbereitung - ein nachhaltiges reaktives Aufbereitungsverfahren 

Kunststoffe besitzen i.d.R. eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und sind elektrisch isolierend. Durch Zugabe geeigneter thermisch leitfähiger Füllstoffe konnte die Wärmeleitfähigkeit von Polypropylen (PP) drastisch gesteigert werden wobei Bornitrid (BN) und Titandioxid (TiO2) zum Einsatz kamen Systematisch wurde der Einfluss der Korngrößen/-verteilungen der Füllstoffe sowie deren Kombinationen bei unterschiedlichen Anteilen untersucht. Es wurden PP/BN-Composite mit einem ausgeglichenen Eigenschaftsprofil hinsichtlich der elektrischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften erhalten. Es wurden Wärmeleitfähigkeiten von über 1 W/mK bei einem BN-Gehalt (45 µm) ab 20 Vol.-% erzielt. Gleichzeitig konnten elektrische und dielektrische Eigenschaften der PP-Matrix nahezu beibehalten, eine gute Verarbeitbarkeit gewährleistet und akzeptable mechanische Charakteristika erreicht werden. 

Herstellung und Eigenschaften von thermisch leitfähigen Polypropylen-Compositen 

Zur Funktionalisierung von thermoplastischen Faserverbundbauteilen wird auf Basis bestehender Lösungsansätze ein zweiteiliges Krafteinleitungselement aus Kunststoff entwickelt, welches nach der Herstellung eines Faserverbundbauteils aufgebracht werden kann. Die rotationssymmetrischen Eigenschaften des Elements stellen eine einfache Handhabung im Zuführ- und Schweißprozess sicher. Mithilfe der Ultraschallfügetechnik lässt sich das Krafteinleitungselement in wenigen Sekunden stoffschlüssig aufschweißen. Die Bestimmung mechanischer Kennwerte der Schweißverbindung erfolgt für unterschiedliche thermoplastische Faserverbundwerkstoffe. Zudem werden die Auswirkungen des Elements auf die Materialeigenschaften der Faserverbundwerkstoffe thematisiert. Das Krafteinleitungselement eignet sich im Automobilbereich beispielsweise für die Befestigung von Kabelbäumen, Schallschutzisolierungen oder Steuergeräten. 

Krafteinleitungselement zur Funktionalisierung von thermoplastischen Faserverbundbauteilen 

Durch die Verarbeitung auf einem Einschneckenextruder ist der thermoplastische Kunststoff unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt, welche die Molekülstruktur schädigen und die Eigenschaften des Polymers verändern. Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS) wurden mit Hilfe eines selbstkonstruierten Untersuchungsaufbaus zur definierten Belastung gezielt geschädigt. Dazu wurde die Temperatur, die Schergeschwindigkeit und die Verweilzeit variiert und die Materialveränderung durch die Gelpermeationschromatographie (GPC) und die Messung der intrinsischen Viskosität (IV) charakterisiert. Auf der Grundlage dieser Datenbasis wurde ein Schädigungsmodell entwickelt und parametriert. 

Berechnung des Materialabbaus von PP und PS in der Plastifiziereinheit 
Teil 1: Belastung und Materialmodellierung 

Die Integration des Mikrothermoformens thermoplastischer Folien in den industriell weitverbreiteten, großserientauglichen Prozess des Spritzgießens ermöglicht die Realisierung neuartiger multifunktionaler Mikrostrukturteile. Diese sind gekennzeichnet durch flächig angeordnete, dünnwandige Mikrostrukturen mit an die Folie angebundenen, dreidimensionalen Funktionsstrukturen. Untersuchungen zu der neuen Prozessstrategie zeigen, dass die Umformung in Mikrostrukturen von 50 μm dicken Polycarbonat-(PC-)Folien im Spritzgießprozess reproduzierbar möglich ist und eine Korrelation der erzielbaren Verstreckverhältnisse zu Prozesstemperatur und –druck vorliegt. Höchste Verstreckverhältnisse können durch eine Folientemperatur im Bereich der Glasübergangstemperatur der Folie bei Zykluszeiten unterhalb von drei Minuten erzielt werden, wobei sich ein Einlaufradius ähnlich der Foliendicke günstig auf eine Homogenisierung der Wanddicken auswirkt. 

Untersuchungen zum Mikrothermoformen von Polycarbonat-Folien und zu dessen Integration in den Spritzgießprozess 

In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig nicht-, niedrig und hoch-modifizierte PTFE Werkstoffe bezüglich ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften analysiert, um hiermit einen detaillierten Fingerabdruck für jedes Material aufzustellen. Unter Verwendung dieser Fingerabdrücke wurde eine komplette PTFE Landkarte erstellt, in der jedes Produkt den entsprechend seiner charakteristischen Eigenschaften definierten Platz einnimmt. Die Basiseigenschaften, die chemische Zusammensetzung und die daraus resultierenden Polymerstrukturen wurden genutzt, um seine Position in dieser Karte festzulegen. Außerdem wird gezeigt, wie durch ein exaktes Ausbalancieren von Molekulargewicht und Modifiziergehalt das Eigenschaftsprofil der Materialien maßgeschneidert werden kann, um die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendungen zu erfüllen. Diese PTFE- Landkarte kann als ein wichtiges Werkzeug für die Auswahl von Werkstoffen angesehen werden. 

Entwicklung einer Landkarte für modifizierte PTFEs - Charakterisierung eines Hochleistungswerkstoffes 

Zur Bewertung und Optimierung des Umformverhaltens von trockenen Langfaserstrukturen aus einem direkten Faserablageprozess werden experimentelle Untersuchungen zum Reibverhalten der Textilien durchgeführt. Das nicht verwirkte Fasermaterial ist unidirektional ausgerichtet und teilweise mit einem reaktiven Pulverbinder versehen. Zur Abbildung der gewünschten Prozessparameter wird ein Versuchsstand aufgebaut und validiert. Der gemessene Koeffizient der Gleitreibung umfasst einen Wertebereich von etwa 0,25 bis 1,7. Je nach Konfiguration zeigt sich, dass insbesondere der Binder, der Faserwinkel sowie die Temperatur einen großen Einfluss auf den Reibkoeffizienten aufweisen. 

Reibverhalten von trockenen Faserstrukturen aus einem direkten Faserablageprozess 

Gegenstand dieser Untersuchung ist ein neuer Ansatz zur Funktionalisierung von Kompositen und Blends mithilfe eines Atmosphärendruck-Plasmas während der Aufbereitung. Die Funktionalisierung erfolgt dabei in einer teilgefüllten Zone eines Doppelschneckenextruders. Es wurden ein Glasfaser verstärktes Polypropylen (PP) und ein Polypropylen-Polyamid6-Blend (PP-PA6-Blend) unter Verwendung der neuen Methode hergestellt. Für die beiden untersuchten Systeme sind ein geringer Anstieg des E-Moduls und eine geringe Reduktion der Bruchdehnung zu beobachten, während die Zugfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit des Glasfaser verstärkten PP nur geringfügig beeinflusst wird. Die Kerbschlagzähigkeit des PP-PA6-Blends wird jedoch um 46 % von 22,5 kJ/m² auf 32,1 kJ/m² durch die Funktionalisierung mittels Atmosphärendruckplasmas gesteigert. 

Funktionalisierung von Polymeren und Füllstoffen mittels Atmosphärendruck-Plasmen während der Compoundierung 

Abfälle aus Gusspolyamid 6 sollen zu einem extrusionsfähigen Polyamid-Rezyklat verarbeitet werden. Dies erfolgt mittels reaktiver Aufbereitung von gemahlenen Spänen unter Zusatz von Additiven auf einem Doppelschneckenextruder. Die rheologischen und mechanischen Untersuchungen an den Rezyklaten zeigen, dass die Eigenschaften dieser Rezyklate, insbesondere das Fließverhalten sowie die Zugfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit, durch die verwendeten Additive beeinflusst werden können. Somit ist es möglich, die Eigenschaften der Rezyklate dem gewünschten Verarbeitungsprozess oder der geplanten Anwendung gemäß einzustellen. 

Recycling von Gusspolyamid-Abfällen 

In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von unidirektional (UD) geflochtenen CFK-Laminaten in Abhängigkeit deren Fertigungsparameter beschrieben. Kernpunkt der Untersuchung bilden mit unterschiedlichen Prozessparameter geflochtene Proben, welche über deren vertikalen Faserondulation im Textil sowie im ausgehärteten Laminat charakterisiert wurden. Durch die Korrelation der Faserarchitektur mit den gemessenen Druckfestigkeiten und Zugsteifigkeiten konnte eine grundlegende Formulierung zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften im Rahmen des Prozessfensters aufgestellt werden. 

Studie der Einflussparameter an mit unidirektional geflochtener Carbonfaser verstärkten Kunststoffen 

Beim Spritzgießen von dünnwandigen Bauteilen führen die schnelle Abkühlung zu einer strukturell veränderten Morphologie sowie fließbedingte Dehn- und Scherströmungen zu hohen Molekül-orientierungen. Insbesondere Letzteres kann zu einer deutlichen Anisotropie der Eigenschaften führen. Die hier vorgestellten Arbeiten mit Rapid Tooling Werkzeugeinsätzen zeigen, dass angepasste Werkzeugtemperaturen beim Einspritzen eine Homogenisierung der kristallinen Strukturen und Orientierungen ermöglichen. Insbesondere eine Verzögerung des Abkühlens nach dem Einspritzen erlaubt eine deutliche Reduktion von molekularen Orientierungen. Die angepassten Verarbeitungsbedingungen beeinflussen letztlich auch die lokalen mechanischen Eigenschaften in einem Spritzgießteil. 

Prozess- und Eigenschaftsbeeinflussung dünnwandiger Spritzgießteile mittels dynamisch temperierten Rapid Tooling Spritzgießwerkzeugen 

Am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen ist ein neuartiges Material-Modell für CFD-Simulationen entwickelt worden, mit dessen Hilfe es gelingt, die Aufschmelzprozesse in kunststoffverarbeitenden Maschinen virtuell abzubilden. Das Modell erlaubt die parallele konsistente, rheologische und thermodynamische Abbildung von Feststoff und Schmelze in einem Kontinuum und ermöglicht dadurch die Verwendung gängiger CFD-Solver. Der Einsatz des Modells zur Berechnung der Plastifizierung eines PE-HD-Materials in einem 100 mm-Extruder mit Barriereschnecke und wahlweise glattem oder durchgehend genutetem Zylinder demonstriert die Leistungsfähigkeit und einfache Handhabung dieser innovativen CFD-Technik. 

CFD-Simulation der Kunststoffplastifizierung in einem Extruder mit durchgehend genutetem Zylinder und Barriereschnecke 

Das Orientierungsverhalten von Zusatzstoffen in Kunststoffsuspensionen ist ein viel diskutiertes Thema in der Literatur. Zwar sind die verbreiteten Theorien zur Vorhersage der Orientierung sowohl für faserförmige als auch für plättchenförmige Zusatzstoffe aufgestellt worden, die Validierung der Gültigkeit fand bis jetzt jedoch nur an Fasern statt. Daher wurde untersucht, ob die bestehenden Modelle und die für Fasern vorhandenen Parameter ebenfalls für plättchenförmige Zusatzstoffe geeignet sind. Es zeigt sich, dass die Form des Zusatzstoffs – ob plättchen- oder faserförmig – den Verlauf des Interaktionskoeffizienten stark beeinflusst. Dieser Effekt sollte bei der Vorhersage des Orientierungsverhaltens berücksichtigt werden, um präzise Ergebnisse zu erhalten. 