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Einfluss physikalischer Alterung auf das Kriechverhalten von Thermoplasten

Einfluss physikalischer Alterung auf das Kriechverhalten von Thermoplasten
Das vorliegende Forschungsvorhaben betrachtet den Einfluss der physikalischen Alterung auf das Langzeit-Kriechverhalten von Thermoplasten. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Entwicklung eines pragmatischen Konzepts zur Abschätzung unbekannter Alterungsbedingungen, welche anschließend zur Verbesserung der Vorhersage des Kriechverhaltens angewendet werden. Das pragmatischere Konzept, welches im Rahmen des Forschungsvorhabens verfolgt wurde, setzt auf der Effective Time Theory (ETT) von Struik auf. Allerdings wurden die dafür notwendigen Eingangsparameter, der Alterungszustand zum Beginn des Kriechversuchs (Voralterungszeit) und die Alterungsgeschwindigkeit während des Versuchs (Alterungsrate), nicht mit großem experimentellen Aufwand ermittelt. Vielmehr wurden dafür Schätzwerte herangezogen, dessen Ableitung auf einfach und schnell zu ermittelnden Materialeigenschaften wie E-Modul und Übergangstemperaturen basiert. Durch die Berücksichtigung der physikalischen Alterung konnte eine Verbesserung der Prognosegüte um z. T. einen Faktor 2 erreicht werden. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung eines neuen Kriechmodells, welches den Potenzansatz nach Findley und die Effective Time Theory (ETT) kombiniert, um physikalisch alterungsbehaftete Langzeit-Kriechdaten besser modellieren zu können. Damit können Alterungszeit und Alterungsrate auch direkt aus gemessenen Kriechdaten durch Kurvenanpassung ermittelt werden. Das entwickelte Konzept ist auch auf teilkristalline Thermoplaste anwendbar. Das Kriechmodell wurde am Beispiel von Langzeitdaten für ein Polyamid (PA12) validiert. Das Ziel des Forschungsvorhabens, die zeitraffende Vorhersage des Langzeit-Kriechverhaltens ohne großen zusätzlichen Prüfaufwand oder Mehrkosten noch genauer zu gestalten, wurde somit erreicht.
Aktualisiert: 2021-01-25
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Quality-by-Design zur systematischen Entwicklung von Wertschöpfungsprozessen pflanzlicher Rohstoffe

Quality-by-Design zur systematischen Entwicklung von Wertschöpfungsprozessen pflanzlicher Rohstoffe von Uhlenbrock,  Lukas
): In der Chemie- und Pharmaindustrie werden seit Jahren „grüne“ Alternativen zu bestehenden Produkten und Prozessen erforscht. Viele Verfahren für die Herstellung von pflanzlichen Arzneistoffen basieren auf traditionellen Rezepturen, die im Laufe der Zeit wenig modernisiert wurden. Die steigenden Anforderungen an die Qualität von Arzneimittelprodukten können mit diesen traditionellen Verfahren zunehmend schwer erfüllt werden. Entsprechend wird ein neues Entwicklungskonzept für Herstellungsprozesse benötigt. Der Herstellprozess muss dafür neu definiert werden und weitere Verfahren, zusätzlich zur Extraktion, betrachten. Der methodische Ansatz zur Integration der Qualitätssicherung entsprechend dem QbD-Gedanken zeigt dabei, dass eine rein experimentelle Beschreibung von Prozessen für eine umfassende Charakterisierung und Risikobewertung nicht ausreicht. Die Beschreibung von physiko-chemischen Stofftransporteffekten und die Validierung von Modellen zur Beschreibung von Gleichgewicht, Fluiddynamik und Stofftransportkinetik ist ein essenzieller Bestandteil der Methodik, der besonderes Potential für die ganzheitliche Betrachtung von Prozessketten besitzt. Die Definition von Design-Spaces, in denen die identifizierten Prozessparameter einen akzeptablen Einfluss auf die Qualität des Produktes zeigen, ist ein wichtiger Schritt für die Etablierung von modellbasierten Konzepten der Prozesssteuerung. Das Konzept für die Einbindung von qualitätsrelevanten Messgrößen, beispielsweise der Trübung oder die Leitfähigkeit, kann PAT-Konzepte erweitern, die sich bisher auf die Charakterisierung von Strukturmerkmalen der Zielstoffe beschränken. Abschließend wird das Optimierungspotential von verschiedenen Prozesskonzepten im Vergleich zu einem industriellen Referenzprozess dargestellt.
Aktualisiert: 2021-01-25
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Zeitraffende Bestimmung des Kriechverhaltens von Thermoplasten

Zeitraffende Bestimmung des Kriechverhaltens von Thermoplasten
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines innovativen Prüf- und Auswertekonzepts zur beschleunigten Ermittlung von isochronen Spannungs-Dehnungs-Diagrammen mit einem Fokus auf die Optimierung hinsichtlich von drei Faktoren: Zeitbedarf, Prüfaufwand und Gesamtkosten. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt: weniger Prüfungen und schnellere Prüfungen. Dank der Übertragung des sog. Drei-Parameter Ansatzes nach Schmachtenberg (ursprünglich für quasistatische Spannungs-Dehnungskurven) auf die Beschreibung von isochronen Spannungs-Dehnungskurven konnte die Anzahl der notwendigen Langzeit-Versuche bei gleichbleibender, hoher Genauigkeit deutlich gesenkt werden. Zudem wurden Zeit-Temperatur- und Zeit-Spannung-Superpositionsprinzip kombiniert, um mit einer überschaubaren Anzahl an zusätzlichen Kurzzeit-Kriechversuchen das ermittelte isochrone Spannungs-Dehnungs-Diagramm auf weitere Temperaturen zu verschieben. Damit werden Prüfaufwand und Zeitbedarf stark reduziert, da viele lange Kriechversuche (je ≥ 1.000 h) entfallen. Darüber hinaus wurde die Eignung von neuen, innovativen zeitraffenden Prüfmethoden - die Stepped Isothermal Method (SIM) und insb. die Stepped Isostress Method (SSM) - zur beschleunigten Ermittlung von Langzeit-Kriechmasterkurven untersucht. Das Konzept wurde an einem unverstärkten Polyoxymethylen (POM) durch Vergleich mit Langzeit-Referenzdaten validiert und die Übertragbarkeit auf weitere Materialien am Beispiel von zwei faserverstärkten Thermoplasten (PBT-GF30 und PA-GF50) überprüft. Beide Ansätze wurden kombiniert, um eine gewaltige Reduzierung von Zeitbedarf, Prüfaufwand und natürlich Gesamtkosten bei gleichzeitig hoher Genauigkeit zu erzielen. Diese Erkenntnisse können direkt, ohne zusätzliche Investitionen, eingesetzt werden.
Aktualisiert: 2021-01-25
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Bearbeitung korrosionsbeständiger LDS-Schichten und deren tribologische Beurteilung

Bearbeitung korrosionsbeständiger LDS-Schichten und deren tribologische Beurteilung von Wenzel,  Maximilian
Seit einigen Jahren werden zur Gewichts‐ und Verbrauchsverringerung erfolgreich thermisch gespritzte Schichtsysteme als Zylinderlaufflächen eingesetzt. Diese dünnen Eisenbasisschichten ersetzen schwere Graugussbuchsen und weisen nach dem Honen eine geringe Rauheit mit einer als Schmierölreservoir dienenden Oberflächenporosität auf, die die Laufbahnreibung signifikant verringert. Aufgrund der hohen Wirtschaftlichkeit und Prozessstabilität eignet sich besonders das Lichtbogendrahtspritzen für die Großserienanwendung. Es wird erwartet, dass sich in Zukunft die Anforderungen an den Verbrennungsmotor ändern bzw. weiter steigen werden. Durch den Anspruch, den Kraftstoffverbrauch bzw. die CO2‐Emissionen weiter zu reduzieren, erhöhen sich auch die thermisch‐mechanischen Belastungen des Kurbelgehäuses durch z. B. eine Steigerung der Zünddrücke und höhere Abgasrückführraten. In Kombination mit neuen Kraftstoffen oder unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten, die erhöhte Anteile an Schwefel enthalten oder biologischen Ursprungs sind, erhöht sich auch die chemisch‐korrosive Belastung. Aus diesem Grund ist es ein Ziel der Motor‐ und Prozessentwicklung, neue korrosionsbeständige Spritzschichten zu qualifizieren, die nicht nur reibungsarm und verschleißfest, sondern auch korrosionsbeständig in einer chemisch aggressiven Umgebung sind.
Aktualisiert: 2021-01-25
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Einfluss der Werkstoffeigenschaften und der Verfahrensparameter auf die Ausbildung von mehrlagigen Ultraschall-Fügeverbindungen in Lithium-Ionen-Batterien

Einfluss der Werkstoffeigenschaften und der Verfahrensparameter auf die Ausbildung von mehrlagigen Ultraschall-Fügeverbindungen in Lithium-Ionen-Batterien von Rentsch,  Mario
Die Speicherung elektrischer Energie ist ein zentrales Thema für den Erfolg der Elektromobilität. Vielversprechend sind Speichersysteme, die auf der Lithium-Ionen-Technologie basieren. Eine großformatige Lithium-Ionen-Zelle besteht aus einem Mehrlagensystem von Anoden-, Separator- und Kathodenfolien, welche an den passenden Ableiter gefügt (Ultraschallfügen) und von einem lithiumhaltigen Elektrolyten umgeben sind. Die metallischen Trägerfolien auf Aluminium- und Kupferbasis durchlaufen ausgehend von ihrer Lagerung, der Elektrodenherstellung, über die Zellfertigung bis zur fertigen Batterie zahlreiche technologische Schritte. Bereits das Ausgangsgefüge der Metallfolien und die daraus resultierenden Eigenschaften bestimmen die Auswahl der Prozessparameter für die nachfolgende Fertigung. Zusätzlich ändern sich im Laufe des gesamten Produktionszyklus das Gefüge und die Eigenschaften der Folien maßgeblich. In Abhängigkeit von den Technologieschritten der Elektroden- und Zellfertigung wurden an den metallischen Trägerfolien und den Ableiterwerkstoffen Untersuchungen zu ihren Gefüge-Eigenschaftsveränderungen durchgeführt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden Werkstoffmodelle für das Ultraschallfügen der Mehrlagenstapel an den Ableiter entwickelt. An den hergestellten Fügeverbindungen wurden analog zu den Fügepartnern die mechanischen und elektrischen Eigenschaften bestimmt und bewertet. Damit wird das Verständnis werkstoffseitiger Einflussgrößen auf die Elektrodenfertigung und auf die Herstellung von mehrlagigen Ultraschallfügeverbindungen in großformatigen Lithium-Ionen-Zellen erweitert. Die Bedeutung einer gezielten Werkstoffauswahl für die Prozessstabilität zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien wird sichtbar.
Aktualisiert: 2021-01-22
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Prozesstechnik und Simulation des Hochgeschwindigkeitssuspensionsflammspritzens

Prozesstechnik und Simulation des Hochgeschwindigkeitssuspensionsflammspritzens von Plachetta,  Martin
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeitssuspensionsflammspritzens hin zu einem stabilen und robusten industrietauglichen Prozess. Entsprechend zielt der Ansatz der Arbeit darauf, das Verständnis der komplexen Abläufe im Spritzprozess zu verbessern und daraus geeignete Anpassungen des Prozesses zu entwickeln. Durch eine Untersuchung der Einflussfaktoren im Prozess (Injektor, Brennkammer, Suspension) wird ihre Auswirkung auf die Beschichtung und die Prozessstabilität herausgearbeitet. Die Arbeit gliedert sich in drei wesentliche Teile: Durch numerische Simulationen wird der Einfluss der Düsengeometrie auf die Gasströmungen und Temperaturverteilung innerhalb der Brennerdüse untersucht, insbesondere inwieweit Strömungsvektoren und Verweildauern einen Einfluss auf Ablagerungen von Beschichtungsmaterial innerhalb der Brennkammer haben können. Injektorkomponenten werden in Hinsicht auf Stabilisierung des Prozesses und eine verbesserte Handhabung durch einen modularen Aufbau hin optimiert. Abschließend werden die Auswirkungen dieser Änderungen am Modellsystem der Al2O3/ZrO2-Mischoxidschichten erprobt.
Aktualisiert: 2021-01-21
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Ultraschall-Rheometer

Ultraschall-Rheometer
Die Viskosität beschreibt das Fließverhalten von Polymerschmelzen. Da sich bereits kleinste Materialveränderungen in der Viskosität abbilden, ist sie ein wichtiger Parameter für die Überwachung der Prozesskonstanz und Produktqualität in der Kunststoffverarbeitung. Derzeit finden Viskositätsmessungen meist über Offline-Verfahren oder Online-Rheometer statt. Bei Offline-Messungen muss der Kunststoff nach der Compoundierung in einem weiteren Arbeitsschritt erneut aufgeschmolzen werden, um die Viskosität zu ermitteln. Im Vergleich dazu liefern Online-Rheometer, welche die Viskosität in einem Bypass bestimmen, schneller einen Messwert, wenngleich mit Zeitverzögerung. Hier ist jedoch meist nur eine Einzelpunktmessung analog dem MFI möglich und zudem führen die Adaption in den Prozess sowie die Reinigung und Wartung zu einem erhöhten Arbeitsaufwand. Auch in der Kunststoffverarbeitung besteht der Bedarf Qualitätsparameter zerstörungsfrei, kontinuierlich und möglichst in Echtzeit zu erfassen. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein Inline-Ultraschall-Messsystem zur Erfassung der Viskosität im Prozess entwickelt. Ultraschallsonden lassen sich mit geringem Aufwand in den Prozess integrieren, sodass keine zusätzlichen Maschinenelemente und aufwändige Umbaumaßnahmen notwendig sind. Ebenso ist der Wartungs- und Reinigungsaufwand deutlich geringer. Mit geeigneten Algorithmen ist zudem eine direkte Auswertung des detektierten Signals möglich, sodass die Viskosität zeitnah dargestellt werden kann. Von den Ergebnissen profitieren Hersteller von Ultraschallsystemen, denen sich ein neues Anwendungsgebiet erschließt, sowie insbesondere Kunststoffverarbeiter, die durch eine schnelle Inline-Qualitätskontrolle eine konstante Qualität erzielen und ihren Ausschuss reduzieren können.
Aktualisiert: 2021-01-21
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Systematische Technologiekettengestaltung für endkonturnahe Strukturbauteile mittels Tailored Fibre Placement

Systematische Technologiekettengestaltung für endkonturnahe Strukturbauteile mittels Tailored Fibre Placement von Schwab,  Max Ferdinand
Das Tailored Fibre Placement (TFP) ist ein Verfahren mit, dem Textilien für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) lastgerecht und endkonturnah hergestellt werden können. Aufgrund der komplexen Bauteilauslegung und des fehlenden Wissensmanagements findet die TFP-Technologie trotz ausgereifter Maschinentechnologie wenig Einsatz für FVK-Bauteile. Derzeit gibt es kein einheitliches, systematisches Vorgehen, mit dem Prozessketten zur TFP-Bauteilherstellung gestaltet werden können. In dieser Arbeit wird die ganzheitliche Gestaltung von Technologieketten durch Berücksichtigung der Prozessschritte Imprägnierung und Konsolidierung zum finalen FVK-Bauteil entwickelt, um Faserverschnitt und damit Halbzeugkosten zu reduzieren. Dafür wird eine sechsstufige Methodik zur Gestaltung der Technologiekette für TFP-Bauteile entwickelt, welche die gesamte Prozesskette von der Faser bis zum fertigen FVK-Bauteil betrachtet und auf der integrierten und operativen Technologieplanung basiert. Dabei wird ein systematisches Vorgehen für die effiziente und übersichtliche Prozessplanung entwickelt. Die entwickelte Methodik wird an drei industrienahen Bauteilen (Sitzteiler, Radlauf und Cabriodach) angewendet. Dadurch werden neue, innovative und ganzheitliche Technologieketten für TFP-Bauteile gestaltet und mit Bauteilen aus Referenzmaterialien verglichen. Dabei zeigen die Ergebnisse des technisch-wirtschaftlichen Vergleichs eine Steigerung der Performance bzw. Funktionalisierung der Bauteile bei einhergehenden Kostenvorteilen. Der Faserverschnitt wird durch den Einsatz der TFP-Technologie bis zu 30 % reduziert. Gegenüber der konventionellen Technologiekettengestaltung entfallen Iterationen bei der Auslegung und Preforming, sodass der Prozessplanungsaufwand um bis zu 30 % reduziert werden kann.
Aktualisiert: 2021-01-21
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Das bewusste Sein und die Unbestimmtheit

Das bewusste Sein und die Unbestimmtheit von Kampshoff,  Klemens
In diesem Buch wird, zum besseren Verständnis der Hintergründe der Deutungsdebatte in der Quantenphysik, ein Bogen von den Wahrnehmungen unserer Umwelt zu den Beobachtungen der physikalischen Phänomene des Unbestimmten und deren Realität geschlagen. Dazu wird darauf eingegangen, wie von Menschen, auch unter Zuhilfenahme von Instrumenten zur Erweiterung des Beobachtbaren, die Umwelt und die in dieser stattfindenden Ereignisse und Geschehnisse wahrgenommen werden können und welche natürlichen Grenzen unserer Wahrnehmungsfähigkeit gesetzt sind. Um einem besseren Verständnis der physikalischen Phänomene der Veränderungen näher zu kommen, werden die beobachtbaren Phänomene betrachtet, wie sie von Beobachtern aus verschiedenen Perspektiven beschrieben werden. Besonders die Effekte, die sich bei zeitabhängigen Beeinflussungen von Quantenobjekten zeigen, werden einer genaueren Betrachtung unterzogen, da sich Wechselwirkungen im Rahmen von experimentellen Messungen als zeitabhängige Beeinflussungen der Objekte deuten lassen. Zeitabhängige Beeinflussungen werden im Rahmen der Quantenmechanik mit den Methoden der zeitabhängigen Störungsrechnung behandelt, die daher auch für die Deutung der Phänomene bei der Messung an Quantenobjekten hilfreich sein könnten. Die vorliegende Untersuchung richtet sich an angehende und praktizierende Physiker mit Interesse für philosophische Fragestellungen an ihrem Fach, aber auch an angehende und praktizierende Philosophen mit Interesse an Grundlagenfragen der Physik. Sie kann aber auch für diejenigen Personen interessant sein, die ein besonderes Interesse an den Fragen zu den Vorgängen in unserer Welt haben und sich mit Deutungsfragen der Phänomene der Quantenwelt auseinander setzen möchten.
Aktualisiert: 2021-01-20
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