1,721,034 research outputs found
Influence of Particle Concentration and Type on Flow, Thermal, and Mechanical Properties of Wood-Polypropylene Composites
No full textTwo kinds of wood particles with different sizes and properties were compounded with polypropylene (PP) in highly concentrated levels (by 50% and 60% weight concentration). Their flow abilities were estimated by viscosity-shear rheological test and spiral flow mold respectively; the results show that higher concentrations result in poor flow ability. However, to estimate the relation between particle size and flow ability, spiral flow-mold testing results are not consistent with those of the rheological test. The thermal melting, crystallization, and stability of the highly filled wood/PP composites were measured by differential scanning calorimetry (DSC). The results clearly showed that the melting temperature, thermal stability, and crystalline degree of composites decrease when filler contents and size increase. The mechanical properties of these materials were assessed by tensile test machine and testing results also show that the filler concentration and size dramatically affect the mechanical properties, such as E module, tensile strength, and breaking strength of wood-particle-filled PP composites. The weld-line strength of all wood composites with the contents was also tested in the same way. By testing, one found that the usual defect of weld line in injection-molding process had a very significant negative impact on the mechanical properties of wood composites and the relation of wood-particle-filling fraction and size to weld-line strength was also analyzed and clarified.DFG (Deutsche-Forschungsgemeinschaft
Comparison of carbon‐reinforced composites manufactured by vacuum assisted resin infusion with traditional and fully recyclable epoxy resins
No full textThis study presents a comparative analysis of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites manufactured through vacuum assisted resin infusion (VARI) using a traditional epoxy resin (E), a fully-recyclable epoxy resin system with (BBR10) and without (BBR) the addition of a reactive diluent (R*Diluent). Various mechanical and thermal tests were conducted to assess their performance. The BBR10 laminate, incorporating 10 wt% R*Diluent, exhibited competitive mechanical performance, comparable to traditional (E) and fully-recyclable laminates (BBR). Despite a slightly lower ultimate tensile strength (UTS) compared with BBR, BBR10 demonstrated improved flexural strength and modulus. Low-velocity impact testing confirmed comparable strength between VARI-produced composites with the recyclable matrix (BBR and BBR10) and the traditional one (E). X-ray mCT investigations revealed distinct void arrangements in the CFRP laminates. Additionally, a chemical approach was employed for recovering high fractions of fibers from CFRP laminates with a recyclable matrix (BBR and BBR10). Chemical recycling achieved an almost 100% yield for long carbon fibers
Zur zeit-, temperatur- und umsatzabhängigen Entwicklung polymerphysikalischer Vernetzungsschwindung aminisch vernetzender Epoxide
Full text linkRotorbl¨atter von Windenergieanlagen werden nach dem heutigen Stand der Technik
zumeist in Halbschalenbauweise in Faserverbundbauweise gefertigt und dann verklebt.
Am weitesten verbreitet sind Klebstoffe auf Epoxidharzbasis, die mit aminischen
Komponenten ausgeh¨artet werden. In den Verklebungen k¨onnen bereits w¨ahrend des
Aush¨artungsprozesses des Klebstoffes Sch¨adigungen in Form von Rissen in der Hinterkantenverklebung
der Rotorbl¨atter auftreten. Die Ursachen f¨ur das Auftreten dieser Risse
sind nach dem heutigen Stand der Technik unbekannt, vermutet wird ein Zusammenhang
mit der Schwindung des Klebstoffes.
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, die Schwindung aminisch geh¨arteter Epoxidharze
zu charakterisieren, um die Grundlagen f¨ur weitere Arbeiten zu schaffen, in denen
dann an den Ursachen der Rissentstehung geforscht werden kann.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden grunds¨atzliche ¨Uberlegungen dazu angestellt, welche
Arten der Schwindung existieren. Die wichtigste Art der Schwindung ist diejenige, die
auftritt, wenn der Klebstoff bereits im Festk¨orperzustand vorliegt. Nur dieser Anteil an
der Gesamtschwindung kann zu internen Spannungen f¨uhren. Schwindung, die vor dem
Festk¨orperzustand auftritt, kann die reaktive Harz-H¨arter-Mischung durch Nachfließen
ausgleichen.
Um die Festk¨orperschwindung zu erfassen, wird eine in-situ Messmethodik sowie ein Vorgehen
zur Auswertung gemessener Daten entwickelt. Da der gr¨oßte Teil der Risse immer
dieselbe Orientierung zum Koordinatensystem des Rotorblattes aufweist, ist es von
großem Interesse, eine eventuell vorhandene Richtungsabh¨angigkeit der Schwindung festzustellen.
Ist solch eine Richtungsabh¨angigkeit vorhanden, m¨ussen innerhalb der Verklebung
innere Spannungen vorhanden sein oder Dichteunterschiede bestehen. Beide F¨alle
werden daf¨ur sorgen, dass die Materialantwort auf ¨außere Belastungen nicht mehr isotrop
ausf¨allt und das Materialverhalten nicht mehr als isotrop bezeichnet werden kann. Diese
Richtungsabh¨angigkeit der Festk¨orperschwindung von der Geometrie ist im Rahmen
dieser Arbeit erstmals untersucht und nachgewiesen worden.
Sobald die in-situ Messmethodik besteht, sollen weitere Untersuchungen das m¨ogliche
Einsatzspektrum der Methode zeigen. Gepr¨uft wird, ob sich die Methode eignet, um
Einfl¨usse der Temperaturf¨uhrung w¨ahrend des Aush¨artungsprozesses und Einfl¨usse des
F¨ullgrades auf die Reaktionsharzmasse zu unterscheiden. Auch Untersuchungen zum
W¨armeausdehnungsverhalten des Materials werden vorgenommen. Am Ende dieser
Untersuchungen steht das Ziel, diejenige Schwindung zu quantifizieren, die einen Beitrag
zur Entstehung interner Spannungen liefern kann. Diese Schwindung betr¨agt entgegen
der dominierenden Meinung, die auch der gr¨oßte Teil der Fachliteratur widerspiegelt,
lediglich bei 0,15 % pro Raumrichtung. Die so erzielten Ergebnisse erm¨oglichen auch die
Absch¨atzung der internen Spannungen.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern Hinweise f¨ur die Klebstofflieferanten
hinsichtlich der wichtigsten Entwicklunsparameter. F¨ur die Klebstoffverarbeitende
Industrie k¨onnen die Ergebnisse Hinweise zur Optimierung von Temperzyklen im
Aush¨artungsprozess hinsichtlich der Minimierung der Festk¨orperschwindung zur Vermeidung
interner Spannungen liefern.
Die Arbeit schließt mit einem Ausblick zu weiterem Forschungsbedarf ab, um die Rissentstehung
vor der eigentlichen mechanischen Belastung der Verklebung zu verstehen.Most rotor blades of wind energy generators are manufactured today by bonding two
shells together. The shells are produced using classic fiber reinforcment techniques. As
for the bonding paste, an epoxy component is most commonly used, which is cured by
amine hardeners. In some cases, this bonding paste shows damage in the form of cracks
in the trailing edge bond line, even prior to demoulding. The reasons for such cracks are
unknown. However, it is presumed that there is a relation between the damage and the
shrinkage of the bonding paste.
The main objective of this work is thus to characterize the shrinkage of amine-cured epoxy
resins in order to establish the basic knowledge for further investigation on crack initiation
prior to mechanical loading and the in-field usage of the rotor blades.
Principle considerations are made to understand the different instances of shrinkage. The
most important instance is the one occuring while the epoxy-amine mixture is already in
its solid state. Only this contribution to the total shrinkage may result in internal stresses,
as the material can compensate shrinkage prior to the solid state by levelling flow.
In order to measure the solid state shrinkage, a strain gauge based in-situ measurement
method as well as a regime to evaluate the measured data will be established. As the majority
of the cracks share the same orientation with reference to the rotor blade coordinate
system, it is important to investigate the direction of the principal strain axes. If there is
a principal direction, it will be important to find the parameters this direction depends
on. This will also be a hint at internal stresses and density differences within the bond
line. Both effects must result in a non-isotropic material behaviour when loaded. Hence,
the material may no longer be assumed to be isotropic. The principal shrinkage direction
has been investigated and shown for the first time in the present work.
Once the in-situ measurement method exists, further experiments must show the possible
fields of application. Therefore, it has been investigated whether the method can show the
effect of different curing temperature profiles and of different filler contents on the solid
state shrinkage. Also, the thermal expansion of solid state material has been investigated.
At the end of the experiments, the solid state shrinkage could be quantified as 0.15 % per
direction in space, opposing most of the specialized literature. Using the achieved results,
it is also possible to estimate the internal stresses.
The obtained results may be understood as suggestions for the bonding paste suppliers,
which parameters may be of interest to change in future product developments. As for the
application of bonding paste, the obtained results may hint at an optimized production
cycle, minimizing shrinkage and internal stresses.
The thesis closes with an outlook on future required work, in order to fully understand
the crack initiation prior to mechanical loading
Entwicklung eines neuartigen Gleitlagers mit Faserverbundstruktur und Hochleistungskunststoffen — Auslegung, Modellierung & Prozessentwicklung
Full text linkAufgrund des geringen Eigengewichts, der herausragenden Trockenlaufeigenschaften und hohen Zuverlässigkeit sind Kunststoffgleitlager bereits heute in
diversen Hochleistungsanwendungen ein essentieller Bestandteil. Nach dem
Stand der Technik werden Kunststoffgleitbuchsen jedoch meist in ihre umgebende Struktur eingepresst, wobei es aufgrund des Kriechverhaltens zeitlich zu
einer Verminderung der Fugenpressung kommt. Ein dauerhafter Einsatz der
Lager bei erhöhten Temperaturen kann so zu einem Versagen führen.
Hochleistungskunststoffcompounds kombiniert mit faserverstärkten Kunststoffen mit duroplastischer Matrix können hier die Leistungsgrenzen verschieben, wurden derzeit jedoch nicht systematisch beschrieben oder entwickelt.
Das volle Potenzial der Werkstoffe ausreizend, liegt das Ziel der Arbeit in der
Entwicklung eines derartigen Faserverbundgleitlagers mit einer Gleitschicht
aus Hochleistungskunststoffen, einer faserverstärkten Stützschale auf duroplastischer Basis und einer Anbindung mittels SIPNs.
Im Rahmen der Arbeit erfolgt die Auslegung und Modellierung eines solchen
Gleitlagers und die Prozessentwicklung zur Herstellung dieser. Abgestimmt auf
das Herstellungsverfahren wird ein Simulationsmodell entwickelt, mit welchem
die mechanischen Eigenschaften neu entwickelter Compounds mit anisotropen
Additiven ohne Werkstoffprüfung berechnet werden können. Basierend auf mechanischen Untersuchungen und auf Lösungsversuchen wird das Potenzial der
Anbindung gezeigt. Wichtige Einflussgrößen werden identifiziert und relevante
Prozessparameter und -grenzen für die Gleitlagerherstellung werden ebenfalls
ermittelt. Rückgekoppelt mit den berechneten mechanischen Eigenschaften
der Gleitschichtcompounds erfolgt eine Optimierung des Lagenaufbaus der
Stützschale. Hierbei wird anhand der auftretenden Lagerkräfte der Lagenaufbau
berechnet und die Auslegung des Gesamtsystems gesamthaft vorgenommen.
Alle gewonnenen Erkenntnisse werden in der Prozessentwicklung zusammengeführt, woraus ein Herstellungsverfahren für die Gleitlager abgeleitet wird.
Anschließend werden zur Validierung des Konzepts Lager gefertigt und erprobt. Somit zeigt diese Arbeit schlussendlich eine gesamthafte Auslegung
samt zugehörigem Herstellungsverfahren des neuartigen Gleitlagers.Due to their low intrinsic weight, outstanding dry-running properties and high
reliability, plastic plain bearings are already an essential component in various
high-performance applications. However, according to the state of the art, plastic plain bearings are usually pressed into their surrounding structure, whereby
a reduction in joint pressure occurs over time due to the creep behaviour. Usage
of the bearings at elevated temperatures can thus lead to failure.
High-performance plastic compounds combined with fibre-reinforced plastics with a thermosetting matrix can push the performance limits here, but
have not been systematically described or developed yet. Exploiting the full potential of the materials, the aim of the work is to develop such a fibre composite
bearing with a sliding layer of high-performance plastics, a fibre-reinforced
support shell on a thermoset basis and a connection by means of SIPNs.
Within the scope of the work, the design and modelling of such a plain bearing and the process development for its manufacture are carried out. Matched
to the manufacturing process, a simulation model is developed with which
the mechanical properties of newly developed compounds with anisotropic
additives can be calculated without material testing. Based on mechanical
investigations and solubility tests, the potential of the bonding is shown. Important influencing variables are identified and relevant process parameters and
limits for the production of plain bearings are also determined. An optimisation
of the layer structure of the support shell is carried out in feedback with the
calculated mechanical properties of the sliding layer compounds. The stacking
sequence of the layers is calculated on the basis of the occurring bearing forces
and the overall design of the system is carried out. All the knowledge gained is
combined in the process development, from which a manufacturing process
for the plain bearings is derived. Bearings are then manufactured and tested to
validate the concept. Thus, this work finally shows an overall design including
the associated manufacturing process of the new type of plain bearing
Beitrag zur systematischen Auslegung von thermoplastischen Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefülltem Polyamid mithilfe von lasergesinterten Prototypen
Full text linkIn der vorliegenden Arbeit wird anhand eines wissenschaftlichen Ansatzes dargestellt, dass durch die
konsequente Einbindung von lasergesinterten Prototypen in den Entwicklungsprozess von Spritzgießbauteilen
aus glaskugelgefülltem Polyamid 12 (PA 12 GK) ein signifikanter Mehrwert erzielt werden kann.
Insbesondere wird erläutert, wie mit Bauteilnachweisen an lasergesinterten Prototypen Ergebnisse erzielt
werden können, die sowohl die Absicherung von Simulationsergebnissen ermöglichen als auch quantitative
Rückschlüsse auf das Verhalten des späteren Spritzgießbauteils zulassen.
Die Gegenüberstellung der Fertigungsverfahren Lasersintern und Spritzgießen zu Beginn der Arbeit zeigt,
dass davon auszugehen ist, dass die mechanischen Eigenschaften von lasergesinterten und spritzgegossenen
Kunststoffbauteilen, die aus dem gleichen Werkstoff gefertigt werden, voneinander abweichen. Insbesondere
das Vorhandensein von Poren und nicht aufgeschmolzenen Partikeln im Inneren von lasergesinterten
Bauteilen hat signifikanten Einfluss auf deren mechanische Eigenschaften. Im Rahmen einer
grundlegenden Materialcharakterisierung werden die mechanischen Eigenschaften von lasergesintertem
sowie spritzgegossenem PA 12 GK systematisch miteinander verglichen und der quantitative Einfluss
ausgewählter kunststofftypischer Faktoren diskutiert. Im weiteren Verlauf wird dargestellt, welche Art
von Materialmodell und welches Fließkriterium benötigt werden, um das Kurzzeitverhalten von lasergesinterten
Bauteilen korrekt in der Strukturanalyse abzubilden. Die systematische Auswertung der Ergebnisse
belegt, dass das Kraft-Verformungs-Verhalten von flächigen Lasersinterbauteilen unter bestimmten
Voraussetzungen sehr gut mithilfe eines elastisch-plastischen Materialmodells und des isotropen von
Mises-Fließkriteriums abgebildet werden kann. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass für die Simulation
des Bauteilverhaltens von dreidimensionalen und mehrachsig belasteten Bauteilen ein Fließkriterium
benötigt wird, das die transversal isotropen Materialeigenschaften von lasergesintertem PA 12 GK
vollständig abbilden kann. Die durchgeführten Bauteilnachweise belegen, dass das Hill-Fließkriterium für
diesen Anwendungsfall sehr gut geeignet ist. Insgesamt wird deutlich, dass Bauteilversuche an lasergesinterten
Prototypen sehr gut geeignet sind, um zu überprüfen, ob das Kurzzeit-Kraft-Verformungs-
Verhalten eines Kunststoffbauteils in der Struktursimulation korrekt abgebildet wird.
Die wissenschaftliche Analyse des quantitativen Zusammenhangs zwischen den mechanischen Eigenschaften
von Bauteilen aus lasergesintertem und spritzgegossenem PA 12 GK zeigt, dass sowohl die Steifigkeit
als auch die Festigkeit von Spritzgießbauteilen aus glaskugelgefüllten PA 12 GK wesentlich größer
sind als die jeweiligen Kennwerte von lasergesinterten Bauteilen. Die durchgeführten Bauteilnachweise
belegen, dass das Bruchdrehmoment eines Spritzgießbauteils mithilfe eines konstanten Faktors, der
aus der Zugfestigkeit der jeweiligen Materialien ermittelt werden kann, mit sehr guter Übereinstimmung
anhand der Drehmomentbelastbarkeit des lasergesinterten Prototyps berechnet werden kann. Die Gültigkeit
des ermittelten Zusammenhangs wird für zwei Spritzgießwerkstoffe bewiesen.
Die durchgeführte wissenschaftliche Betrachtung des quantitativen Zusammenhangs zwischen den mechanischen
Eigenschaften von lasergesintertem und spritzgegossenem PA 12 belegt, dass die mechanische
Belastbarkeit und das Kraft-Verformungs-Verhalten eines Spritzgießbauteils bereits in der Konzeptphase
durch die geschickte Kombination von Bauteilnachweisen an lasergesinterten Prototypen und durch
den gezielten Einsatz von Struktursimulationen sehr gut vorausbestimmt werden kann. Die Absicherung
der Belastbarkeit von Bauteilkonzepten, noch bevor die Serienwerkzeuge gefertigt wurden, vergrößert die
Sicherheit bei der Bauteilauslegung erheblich, wodurch wichtige Entscheidungen im Entwicklungsprozess,
frühzeitig und vor allem endgültig getroffen werden können.In the present PhD thesis is shown, that by means of a scientific approach a significant added value can be
achieved by consistently integrating laser-sintered prototypes into the development process of injectionmolded
parts, which are made out of glass bubble filled Polyamide 12 (PA 12 GB). Especially, it will be
explained how test results can be achieved by using component evidences on laser-sintered prototypes,
which allow on the one hand the assurance of simulation results and on the other hand the quantitative
conclusions on the behavior of the future injection-molded component.
The comparison of the manufacturing processes selective laser sintering and injection molding at the beginning
of this thesis presents, that the mechanical properties of laser-sintered and injection-molded plastic
components will be different, although they are made out of the same plastic raw material. In particular,
the presence of pores and non-melted particles inside of laser-sintered components has a significant
impact on their mechanical properties. Within the scope of a basic material characterization, the mechanical
properties of laser-sintered and injection-molded PA 12 GB will be systematically compared. In addition
the quantitative impact of typical plastic influence factors will be discussed. In the following course
of this PhD thesis, it will be shown which type of material model and which yield criterion are required in
order to correctly map the short term behavior of laser-sintered components in the structure analysis. The
scientific analysis of the results shows that under certain conditions the force-deformation behavior of
planar laser-sintered components can be reproduced very well by means of an elastic-plastic material
model and the isotropic von Mises yield criterion. Furthermore additional studies in this doctoral thesis
show that a yield criterion, which can completely represent the transversal isotropic material properties of
laser-sintered PA 12 GB is required to simulate the component behavior of three-dimensional and multiaxial
loaded components. The conducted component tests prove that the Hill yield criterion is very suitable
for this application. Overall it becomes clear that component tests on laser-sintered prototypes are
very suitable for checking whether the short-term force-deformation behavior of a plastic component is
correctly reproduced in the structural simulation.
The scientific analysis of the quantitative relationship between the mechanical properties of polymer
parts, which are made out of laser-sintered and injection-molded PA 12 GB, proves, that the rigidity and
the strength of injection-molded components made out of glass bubble filled PA 12 are significantly
greater than the respective characteristic values of laser-sintered components. Component tests prove that
the fracture torque of an injection-molded part can be calculated by a constant conversion factor with a
very good accordance by means of the torque load ability of a laser-sintered prototype, which has the
same geometry as the future injection-molded component. The required conversion factor can be determined
with the aid of the tensile strength of the respective materials. The validity of the ascertained relationship
is proved for two injection molding materials in the presented PhD thesis.
The scientific study of the quantitative relationship between the mechanical properties of laser-sintered
and injection-molded PA 12 GB demonstrates, that the mechanical strength and the force-deformation
behavior of an injection-molded component can already be predicted very well in the concept phase by
using a skillful combination of structural simulations and component tests on laser-sintered prototypes.
Through the safeguarding of the mechanical load capacity of part drafts of injection-molded components
during the concept phase, even before the injection molding tool has been produced, a considerable increase
of the safety can be achieved. Whereby important decisions in the development process of a injection-
molded part can be made early, and also definitively
Nanoscaled Boehmites' Modes of Action in a Polymer and Its Carbon Fiber Reinforced Plastic
No full textSemi-analytical tools for the analysis of laminated composite cylindrical and conical imperfect shells under various loading and boundary conditions
Full text linkThe non-linear buckling of unstiffened laminated composite cones and cylinders will be investigated and new semi-analytical models capable to predict the static and the instability response of these shells under various loads and boundary conditions will be proposed. An introduction is given to the reader in order to present and discuss some of the main deterministic approaches currently used for the design of imperfection sensitive structures. From this introduction it will become clear the need for non-linear tools that can consider both geometric and load imperfections, which are recognized to be among the main factors affecting the load carrying capacity of the shells under discussion.
The complete non-linear strain equations are derived using two Equivalent Single-Layer Theories: the Classical Laminated Plate Theory and the First-order Shear Deformation Theory. The non-linear terms will be identified corresponding to Donnell’s, Sanders’ and Timoshenko and Gere’ assumptions, but the discussion will focus on Donnell’s and Sanders’ equations. The resulting strain-displacement equations will then be applied to the stationary conditions of the total potential energy in order to obtain the non-linear static equations and the eigenvalue problem that can be used to predict the instability behavior, the latter using the neutral equilibrium criterion.
The Ritz method is selected to solve the non-linear set of equations and a new set of appropriate approximation functions for the displacement field is proposed, in order to simulate axial compression, torsion, pressure, load asymmetry, any arbitrary surface or concentrated loads, and any load case combining these loads. Elastic constraints are used to produce a wide range of boundary conditions, covering the four types of boundary conditions commonly used in the literature.
Two methods to solve the non-linear static equations are discussed: Newton-Raphson with line search and Riks; both presented in the full form, where the tangent stiffness matrix is calculated at every iteration, and in the modified form, where the tangent stiffness matrix is updated at the beginning of each load increment (or arc-length increment) and kept constant along the iterations.
An analytical integration scheme is proposed for the linear stiffness matrices and a numerical integration scheme proposed for the non-linear stiffness matrices. The analytical integration schemes assume constant laminate properties over the whole conical/cylindrical surface. For conical shells a novel approximation is proposed in order to efficiently perform the analytical integration of the linear stiffness matrices.
Detailed convergence analyses are presented and the proposed models are verified with finite element results, models available from the literature and test results from the literature. All the developed tools and algorithms are presented in detail and made available to the reader online.
Keywords:
Ritz method, Linear, Non-Linear, Static, Buckling, Composite, Conical, Cylindrical, Pressure, Torsion, Axial Compression, Donnell, Sanders, Geometric Imperfection, Load ImperfectionDas nichtlineare Beulen unversteifter Faserverbundzylinder und -konen wird untersucht, sowie neue semi-analytische Modelle, welche in der Lage sind sowohl die statische Reaktion, als auch das Instabilitätsverhalten dieser Schalen unter verschiedenen Lasten und Randbedingungen vorherzusagen werden vorgeschlagen. In der Einleitung werden die wichtigsten deterministischen Ansätze dargestellt, die derzeit zur Auslegung imperfektionsempfindlicher Strukturen Verwendung finden. Die Einführung verdeutlicht die Notwendigkeit nichtlinearer Lösungsverfahren, welche sowohl geometrische, als auch Lastimperfektionen berücksichtigen können. Es sind genau diese Imperfektionen, die einen Hauptteil der Reduktion der Tragfähigkeit der Schalen ausmachen.
Die gesamten nichtlinearen Dehnungsgleichungen sind aus zwei Äquivalenten Einzelschicht-Theorien abgeleitet: Die klassische Laminattheorie und Schubdeformationstheorie 1.Ordnung. Die nichtlinearen Terme werden entsprechend den Gleichungen von Donnell’s-, von Sanders- und von Timoshenko und Gere’s identifiziert, aber im weiteren werden nur die Gleichungen von Donnell und Sanders betrachtet. Die daraus resultierenden Spannungs-Dehnung-Beziehungen werden dann auf die stationären Bedingungen der potentiellen Gesamtenergie angewendet, um die nichtlinearen statischen Gleichungen und das Eigenwertproblem zu erhalten, welches zum Lösen des Instabilitätsverhalten mittels des Gleichgewichtskriteriums verwendet werden kann.
Das Ritz-Verfahren wird zum Lösen der nichtlinearen Gleichungen verwendet, wobei ein neuer Satz an geeigneten Ansatzfunktionen für das Verschiebungsfeld vorgeschlagen wird, um axiale Stauchung, Torsion, Druck oder Ungleichförmigkeit der Lasteinleitung zu simulieren. Desweiteren ist es möglich jede beliebige Lastfunktion, Einzellast oder eine Kombination verschiedener Lastfälle zu berücksichtigen. Elastische Federn werden verwendet, um eine Vielzahl an Randbedingungen zu erzeugen und somit die vier am häufigsten in der Literatur verwendeten Randbedingungsarten abzudecken.
Um die nichtlinearen statischen Gleichungen zu lösen wurden zwei Methoden diskutiert: Newton-Raphson mit dem Zeilen-Such-Algorithmus und Riks. Beide werden in ihrer Gesamtform dargestellt, wobei die Tangentensteifigkeitsmatrix bei jeder Iteration berechnet wird. Ebenso wird sie in der modifizierten Form, in der die Tangentensteifigkeitsmatrix zu Beginn jeder Laststufe (oder Bogenlänge Inkrement) nur einmal berechnet wird, dargelegt und konstant gehalten für alle folgende Iterationen.
Für die linearen Steifigkeitsmatrizen ist ein analytisches Integrationsschema ratsam und für die nichtlinearen Steifigkeitsmatrizen wird ein numerisches Integrationsschema vorgeschlagen. Die analytischen Integrationsverfahren setzen konstante Laminateigenschaften über die gesamte konische / zylindrische Oberfläche voraus. Für die konischen Schalen wird eine neuartige Approximation vorgeschlagen, um die analytische Integration der linearen Steifigkeitsmatrix effizient durchzuführen.
Eine detaillierte Konvergenzanalyse wurde durchgeführt und die vorgeschlagenen Modelle sind mit Finiten-Elementen-Ergebnissen, sowie mit Modellen und Testergebnissen aus Fachliteratur verifiziert. Alle entwickelten Werkzeuge und Algorithmen sind im Detail dargelegt und dem Leser online zur Verfügung gestellt
Die prothetische Schafttechnologie der unteren Extremitäten$dein Beitrag zur systematischen Entwicklung neuartiger Polymersysteme
Full text linkZiel dieser Arbeit ist es, einen wissenschaftlichen und systematischen Ansatz für die Entwicklung eines neuartigen Schaftmaterials der prothetischen Versorgung von unteren Extremitäten zu liefern. Dadurch wird ein methodischer Beitrag zur Verbesserung der Amputiertenversorgung, sowohl für den Prothesenträger als auch den Orthopädietechniker, geleistet.
Eine durchgeführte Bedürfnisanalyse zeigt Schwächen der bisherigen Versorgungssysteme auf. Ein bislang wenig betrachteter Lösungsansatz ist die Verwendung von reversibel vernetzten Polymeren als Matrixmaterial. Die Überprüfung der Eignung solcher Systeme setzt die strukturierte Charakterisierung der bestehenden Standardsysteme voraus. Durch systematische Betrachtungen wird das Konzept eines thermisch verformbaren Vorformlings erstellt. Die Ermittlung der Material- und Verarbeitungseigenschaften an Reinharzprobekörpern der Neuentwicklungen sowie der Standardsysteme lassen eine umfassende Bewertung der betrachteten Systeme zu. Darüber hinaus werden die verwendeten Standardsysteme erstmals in diesem Umfang untersucht. Methodische Ansätze für Faserverbundprüfungen werden exemplarisch an einem Standardsystem durchgeführt.
Die untersuchten reversibel vernetzten Matrixmaterialien weisen insbesondere eine ungenügende thermische Verformbarkeit auf. Ein weiterer Entwicklungsbedarf kann identifiziert werden. Die Untersuchungen der Standardharzsysteme geben Aufschluss über Verarbeitungs- und Eigenschaftsbeziehungen und zeigen Ansätze für weitere Produktentwicklungen auf. Es können Einflüsse der Initiatorkonzentration und einer nachträglichen Temperung im untersuchten Bereich auf die Materialeigenschaften festgestellt werden.The aim of this study is to provide a scientific and systematic approach to the
development of an innovative material for constructing the socket of lower limbs
prosthesis. In this way, a methodical contribution is made to assist the treatment of
amputees for the prosthesis wearer as well as the orthopedic technician.
A thorough needs assessment shows weaknesses in the current technology. An approach
previously neglected is using reversibly cross-linked polymers as matrix material.
Examination of the suitability of such systems requires a structured description of
existing standard systems. Systematic considerations lead to the concept of a
thermoformable preform. The determination of material and processing characteristics
of pure resin samples of recent developments as well as the standard systems allow a
profound assessment of the examined systems. In addition, the standard systems in use
are examined in such depth for the first time. Methodical approaches to examining
composite samples are conducted on a standard system.
The reversibly cross-linked matrix materials examined show particularly inadequate
thermal deformability. Further development needs can be identified. Investigation of the
standard resin systems give some indication of processing and property characteristics
and show approaches for further product developments. Effects of initiator
concentrations and subsequent tempering on material characteristics can be determined
Neuartige Faserverbundsandwichsysteme mit geschütteten Kernen: Prozessbeschreibung und Produktcharakterisierung
Full text linkSandwichverbunde sind besonders ökologische und ökonomische Werkstoffe, welche aus diesen Gründen die klassischen Leichtbauwerkstoffe zunehmend verdrängen. Gängige Vertreter der Werkstoffklasse Sandwichverbund werden mit Waben oder Schaumkern hergestellt. Neben der geringen Druckfestigkeit der Schäume und den sehr hohen Kosten für die Waben sind bei beiden Kernmaterialien den
geometrischen Freiheitsgraden starke Grenzen gesetzt. Weiterhin ist aufgrund der Einschränkungen,
welche sich durch das Kernmaterial ergeben, die Herstellung von Sandwichverbunden mit Waben- oder
Schaumkern aufwendig
Gegenstand dieser Dissertation ist die neuartige Kombination einer losen Partikelschüttung als Kernmaterial des Sandwichverbunds, welche erst während der Herstellung im Verbund fixiert wird. Der erste
Schwerpunkt der Arbeit befasst sich hierbei mit den Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche und robuste Herstellung von Sandwichverbunden mit geschütteten Kern und den physikalischen Eigenschaften der erhaltenen Bauteile. Hierfür wird das neuartige mRTM-Verfahren vorgestellt. Durch dieses Verfahren ergeben sich Vorteile gegenüber den gängigen Herstellungsprozessen für Faser(Sandwich)verbunde. Dazu zählt zu aller erst, dass die lose Schüttung als Fließhilfe dient, und es so möglich ist, die
Infusionszeit bedeutend zu senken. Dies wiederum erlaubt auf der einen Seite den Einsatz von sehr
schnellhärtenden Harzsystemen bis hin zu sog. „Snap-Cure“-Systemen, die innerhalb von wenigen Minuten vollständig erstarren bzw. aushärten. Auf der anderen Seite ist es möglich sehr hochviskose/zähflüssige Systeme zu nutzen, die nach gängiger Literaturmeinung in keiner Weise zum Einsatz in Infusionsverfahren geeignet sind. Daneben ist es durch die Schüttung möglich, in hoher geometrischer Freiheit, was die Bauteilabmessungen betrifft, zu fertigen. Aufgrund der exzellenten Eigenschaften als Fließhilfe stellen sowohl Dickensprünge wie auch große Abmessungen deutlich geringere Probleme als in
alternativen Infusionsprozessen dar.
Der zweite Schwerpunkt der Arbeit widmet sich mit der mechanischen Konkurrenzfähigkeit der Sandwiche mit geschütteten Kernen. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Wettbewerbsfähigkeit gegenüber den Referenzbauteilen gegeben ist. Unter statischer Last liegen die spezifischen Materialkennwerte in vergleichbaren Regionen. Unter dynamischen Gesichtspunkten sind die Sandwiche denen mit
konventionellem Schaumkern überlegen. Die untersuchten Konfigurationen sind ab ca. 1/3 bis 1/2 des
statischen Lastniveaus bei Versagen dauerfest (Lastspielzahl > 2*106). Bei den Sandwichen mit
Schaumkern kann in diesem Lastbereich keinerlei dynamische Belastbarkeit nachgewiesen werden.
Neben der technischen Umsetzbarkeit der Herstellung und der mechanischen Performance der erhaltenen Bauteile spielt die Wirtschaftlichkeit eines Prozesses bzw. Produkts eine maßgebende Rolle bei
einer industriellen Umsetzung. Im dritten Schwerpunkt der Arbeit wird daher die Wirtschaftlichkeit bzw.
die finanzielle Wettbewerbsfähigkeit von Produkten, die mittels des mRTM-Verfahrens hergestellt werden, untersucht. Die Kosten- und Gewinnvergleichsrechnung sowie die kritische Leistungsmengenbestimmung zeigt, dass Sandwichverbunde mit geschüttetem Kern aus finanzieller Sicht nicht immer die
beste Option sind. Welches Verfahren für den gewählten Anwendungsfall Bauteile mit dem optimalen
Kosten-Nutzen-Verhältnis hervorbringt, muss jeweils geprüft werden. Die Konkurrenzfähigkeit der betreffenden Bauteile aus dem mRTM-Verfahren ist jedenfalls unter den getroffenen Annahmen grundsätzlich gegeben. Bei großen Kerndicken sinkt die Konkurrenzfähigkeit bei einem Fokus auf der Bauteildichte allerdings zunehmend.Sandwich composites are particularly ecological and economical materials, which for these reasons are
increasingly displacing classic lightweight materials. Common representatives of the sandwich composite material class are manufactured with honeycomb or foam cores. In addition to the low compressive
strength of the foams and the very high costs of the honeycombs, both core materials have severe
limitations in terms of geometric degrees of freedom. Furthermore, due to the limitations imposed by the
core material, the production of sandwich composites with honeycomb or foam core is costly.
The subject of this dissertation is the novel combination of a loose particle filling as the core material of
the sandwich composite, which is only fixed in the composite during production. The first focus of the
work is on the framework conditions for successful and robust production of sandwich composites with
a packed bed core and the physical properties of the components obtained. For this purpose, the novel
mRTM process is presented. This process offers advantages over conventional manufacturing processes for fibre (sandwich) composites. First and foremost, the packed bed serves as a flow aid, making
it possible to significantly reduce the infusion time. This, in turn, allows the use of very fast-curing resin
systems up to so-called "snap-cure" systems, which can be cured within a few minutes. On the other
hand, it is possible to use very high viscous systems which, according to current literature, are in no way
suitable for use in infusion processes. On the other hand, it is possible to manufacture with a high degree
of geometric freedom in terms of component dimensions. Due to its excellent properties as a flow aid,
both thickness jumps and large dimensions pose significantly fewer problems than in alternative infusion
processes.
The second focus of the work is devoted to the mechanical competitiveness of sandwiches with packed
bed cores. The investigations show that there is competitiveness compared to the reference components. Under static load, the specific material characteristic values are in comparable regions. From a
dynamic point of view, the sandwiches are superior to those with conventional foam cores. The investigated configurations are fatigue resistant from approx. 1/3 to 1/2 of the static load level at failure (load
cycle number > 2*106). In the case of the sandwiches with foam core, no dynamic load capacity can be
demonstrated in this load range.
In addition to the technical feasibility of production and the mechanical performance of the components
obtained, the economic efficiency of a process or product plays a decisive role in industrial implementation. In the third focus of the thesis, therefore, the economic viability or financial competitiveness of
products manufactured by means of the mRTM process is investigated. The cost and profit comparison
as well as the critical performance quantity determination show that sandwich composites with a packed
bed core are not always the best option from a financial point of view. Which process produces components with the optimum cost-benefit ratio for the selected application must be examined in each case.
In any case, the competitiveness of the components in question from the mRTM process is basically
given under the assumptions made. However, with large core thicknesses, the competitiveness increasingly decreases when the focus is on component densi
Adhäsion und Wechselwirkungen von Polycarbonat und Polyamid auf Stahloberflächen
Full text linkDie vorliegende Arbeit befasst sich mit den Vorgängen, die in der Grenzfläche zwischen Polymerschmelzen und Stahloberflächen ablaufen und zur Bildung von Belägen führen. Diese Beläge ziehen in technischen Anwendungen häufig Ausfallzeiten zur Reinigung der Oberflächen nach sich. Eine Ablösung der Beläge kann außerdem zu Stippen im Formteil führen.
Obwohl dieses Problem seit Langem bekannt ist, ist es bisher nicht systematisch untersucht worden. Frühere Ansätze verfolgten die Strategie, Beläge im Trial & Error Verfahren zu vermeiden. Ein tiefgreifendes Verständnis der Vorgänge die zur Belagbildung führen, gab es bisher nicht.
Im Rahmen von Untersuchungen an stehenden Schmelzen, im Kontakt mit der Stahloberfläche und anschließenden Scherprüfungen, kann zunächst gezeigt werden, dass die Adhäsion der Formmasse in gewissen Grenzen von den Verarbeitungsparametern abhängt. Mit Hilfe der FTIR-Spektroskopie zeigt sich aber auch, dass die Belagbildung davon unabhängig ist. Somit sind Belagbildung und Adhäsion der Formmasse am Stahl nicht gleichzusetzen. Des Weiteren zeigt die FTIR-Spektroskopie, dass sich das Polymer in der Grenzschicht von der ursprünglichen Formmasse unterscheidet. Diese Beobachtung bestätigt sich bei Untersuchungen am Extruder mit fließender Schmelze. Die Ergebnisse deuten auf Wechselwirkungen in der Grenzschicht, die ihren Ursprung in der Stahloberfläche haben.
Im nächsten Schritt werden die Wechselwirkungen der Hauptlegierungsbestandteile des verwendeten Stahls mit den Polymermolekülen in verdünnten Lösungen betrachtet. Diese Untersuchungen zeigen, dass Eisenionen in der Lage sind, mit den Polycarbonatmolekülen in Wechselwirkung zu treten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen deuten auf eine Komplexbildung am freien Elektronenpaar der Carbonylgruppe hin. Da Eisenionen in der Lage sind mehrere Liganden zu binden, kann von einer Art Netzwerkbildung ausgegangen werden, die dazu führt, dass sich der Belag aus der Schmelze abscheidet.
Die hier ermittelten Ergebnisse liefern zum ersten Mal die Möglichkeit gezielte Strategien zu entwickeln der Belagbildung entgegen zu wirken bzw. diese gänzlich zu verhindern.This work deals with the interactions that take place in the interface of polymer melts and steel surfaces, which may lead to the formation of deposits. In technical applications these deposits cause downtimes of the machines due to the cleaning of the surfaces. Additionally, uncontrolled detachment of the deposits leads to specs in the melt and in the produced parts.
Although this problem is known for a long time it has not been investigated in a systematic way. Previous attempts tried to avoid the deposits in a trial & error approaches. Profound understanding of the processes causing the deposits does not exist, yet.
First investigations with static melts in combination with the measurement of the shear strength show, that the adhesion of the polymer on the steel surface depends on production parameters to a certain extent. In contrast, FTIR-spectroscopy shows that the formation of the deposit does not. Thus the formation of deposits does not necessarily lead to adhesion of the polymer on the steel. Additionally, FTIR-spectroscopy shows changes in the deposit compared to the used compound. When changing from static melts to moving melts in an extruder, these results can be confirmed. It is indicated, that the cause of the interactions taking place in the interface, can be found in the steel surface.
Next, the interactions of the main alloy components of the steel with polymer molecules were observed in thin solutions. These investigations show that iron ions are capable of interacting with polycarbonate molecules. A complex formation on the free electron pair of the carbonyl group is indicated. Since iron ions are able to bind several ligands, the formation of a network may occur, which leads to precipitation of the formed substances from the melt.
The results obtained in this work provide the possibility to develop specific strategies to counteract the formation of deposits or to prevent them completely, for the first time
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