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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.

In diesem Beitrag wird eine neue Methode zur in situ-Verformungs- und Verschleißmessung von Polymerzahnrädern unter Betriebslast vorgestellt. Dieser Ansatz basiert auf der hochgenauen Messung und Verfolgung von Zeitdifferenzen in den Indeximpulsen von Encodern auf der An- und Abtriebsseite eines Zahnradprüfstandes.

Beispielpaarung zweier Zahnräder für die Bestimmung elastischer, plastischer und Verschleißverformungsanteile

Zahnräder

Verschleißprüfgeräte

Polyamide

Tribologie

Getriebe

Prüfstand zur In Situ-Messung der Verformungseigenschaften von Polymerzahnrädern

Das Auftreten von prozessspezifischen Fehlstellen im Nasswickelverfahren erfordert eine Überdimensionierung der Bauteile. Im vorgestellten Beitrag wird die Entwicklung einer Qualitätskontrolle zusammen mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus auf Basis einer Industriekamera vorgestellt, mit welchen sich Fertigungsabweichungen im zylindrischen Bereich von Druckbehältern ermitteln lassen.

Mit einer Industriekamera wird ein Druckbehälter während des Einlaufens von Faserbändern auf Fertigungsabweichungen untersucht.

16:9

Bildverarbeitungs-Software

Qualitätssicherung

Wickelmaschinen

Faserverbundwerkstoffe

Qualitätssicherung Kunststoff

Optische Mess- und Prüfverfahren

Einsatz einer Industriekamera zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung des zylindrischen Bereichs von Typ-IV Druckbehältern im Nasswickelverfahren

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Algorithmus entwickelt und untersucht, der die automatisierte Optimierung von dynamischen Mischelementen ermöglichen soll. Hierzu werden an einem parametrisierten Wendelscherelement ausgewählte Geometrieparameter durch einen genetischen Algorithmus derart optimiert, dass sich misch-begünstigende Strömungsverhältnisse einstellen. Um eine manuelle Auswertung der Strömungsergebnisse zu vermeiden, werden Qualitätskriterien eingeführt, welche automatisiert berechnet werden. Insgesamt werden neun verschiedene Qualitätskriterien verwendet, die nicht nur das Potenzial des Strömungsfeldes zur Realisierung von distributiven und dispersiven Mischmechanismen bewerten, sondern auch verfahrenstechnische Aspekte, wie bspw. die Spülbarkeit des Systems, einbeziehen. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass mit den gewählten Qualitätskriterien eine automatisierte Optimierung vollzogen werden kann und sich weitere Verbesserungsmaßnahmen für den Algorithmus ableiten lassen.

Automatisierte Optimierung von dynamischen Mischelementen

In der vorliegenden Studie wurde die druckabhängige Orientierungsrelaxation durch Variation der Werkzeugtemperatur und des Werkzeuginnendrucks im Rahmen eines neuartigen dynamisch temperierten Spritzprägeprozesses untersucht. Hierzu wurde mittels isothermer pvT-Messungen ein Prozessfenster um den druckabhängigen Glasübergangsbereich abgesteckt, innerhalb dessen die Spritzprägeexperimente erfolgten. Über die Füllphase wurden zunächst gezielt Orientierungen ins Bauteil eingebracht und deren druck- und temperaturabhängige Relaxation während einer isothermen und isobaren Haltephase mittels spannungsoptischer Aufnahmen und Gangunterschiedsmessungen beobachtet. Es konnte eine eindeutige Druck- und Temperaturabhängigkeit der Orientierungsrelaxation gefunden werden, wobei mit zunehmender Werkzeugtemperatur und abnehmendem Werkzeuginnendruck geringere Gangunterschiede infolge von geringeren Orientierungen gemessen werden konnten.

Spritzprägen

Dynamische / variotherme Temperierung

Druckabhängige Orientierungsrelaxation im dynamisch temperierten Spritzprägen

Leckagen in Vakuumaufbauten zur Faserverbundherstellung sind ein häufig auftretender Fehler gerade bei der Herstellung von Bauteilen im Open Mould Verfahren. Die bisherigen Grenzwerte zur Beurteilung der Dichtigkeit eines Vakuumaufbaus sind meist historisch gewachsen und beruhen auf Erfahrungs-werten. In diesem Paper werden die Auswirkungen von Leckagen, die definiert in einen Vakuumaufbau eingebracht wurden untersucht. Die physikalischen Vorgänge, die während der Aushärtung innerhalb der undichten Vakuumstruktur auftreten, werden sowohl optisch als auch mittels Ultraschallprüfung und Dickenmessung analysiert und ein besseres Verständnis für die Auswirkungen auf die Laminatqualität geschaffen. Es stellt sich heraus, dass es einen generellen Unterschied zwischen Leckagen in der Vakuumfolie und der Trennfolie gibt.

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Einfluss von undichten Vakuumaufbauten auf die Qualität von Faserverbundteilen aus Prepreg Material

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.

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

Bei der Gestaltung von Extrusionswerkzeugen wird auf bewährte Geometrien, wie beispielsweise Wendelverteiler für die Blasfolienextrusion, zurückgegriffen. Mit den Möglichkeiten der additiven Fertigungstechnik ergeben sich jedoch Potentiale, diese Auslegung der schmelzeführenden Kanäle thermo-rheologisch zu optimieren.

Blasfolienextrusion

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Neuartige Werkzeuggeometrien für die Blasfolienextrusion unter Verwendung additiver Fertigungstechnik

Im MERCUR-Forschungsvorhaben „Analyse des Produktentstehungsprozesses bei der Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren für die Herstellung von Multimaterialprodukten“ werden verschiedene Fertigungs- und Nachbehandlungsverfahren zur Verbindung der jeweiligen Vorteile miteinander kombiniert.

Filamente für additive Verfahren

Untersuchung des Einflusses verschiedener Nachbehandlungsmethoden auf die Eigenschaften additiv gefertigter FDM Nylon 12 Proben

Aufgrund ihres exzellenten Verhältnisses von hoher Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Dichte wächst der Anteil an Faserverbundbauteilen in vielen Industriesektoren. Die Bauteile unterliegen im realen Betrieb den verschiedensten zyklischen Lastverhältnissen und verlangen daher nach geeigneten Modellen zur betriebssicheren Auslegung.

Bruchkurvenmodellierung in restfestigkeitsbasierten Lebensdaueranalysen von CFK im Hinblick auf Lastrichtungswechsel

Dieser Beitrag beschreibt zwei numerische Ansätze zur Berechnung von Temperaturen in tribologischen Kontakten und vergleicht diese mit gängigen analytischen Methoden.

Kunststoffverarbeitung

Temperaturen in einfachen Gleitkontakten numerisch abschätzen

Automatisiertes Ablegen von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ist eine etablierte Methode zur Herstellung großer Flugzeugteile. Zurzeit wird die Qualitätskontrolle dieses automatisierten Fertigungsverfahrens noch von Menschen durchgeführt. In den letzten Jahren hat sich die Forschung auf die Automatisierung der Qualitätskontrolle fokussiert um die Produktivität zu erhöhen. Die Ziele dieser Literaturübersicht sind, die Anforderungen für die Qualitätskontrolle basierend auf den vorkommenden Fehlern festzulegen und die Erfüllung dieser Anforderungen durch die visuelle Qualitätskontrolle durch den Mensch als auch durch automatisierte Systeme zu bewerten.

Literaturübersicht zur Qualitätskontrolle von automatisierten Ablegeverfahren von CFK

Um die Funktionalität von Getrieben über die Lebensdauer zu gewährleisten, muss der auftretende Verschleiß und die Temperaturentwicklung berücksichtigt werden. Die Oberflächenstruktur ist einer der wichtigsten Faktoren für das Einlaufverhalten. In diesem Beitrag werden die Auswirkungen verschiedener prozessbedingter Oberflächenstrukturen von Stahlritzeln auf das thermische und tribologische Einlaufverhalten eines Stahl-Polyamid-Getriebes untersucht.

Ursprüngliche Morphologie des PA66-Rads und Bereich zur Lokalisierung des Verschleißes

Effekt der Oberflächenstruktur auf das Einlaufverschleißverhalten von Stahl-Polyamid-Getrieben

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. 