Den Fokus dieses Forschungsvorhabens bildete der Erkenntnisgewinn über die Klebeignung und die Klebstoffauswahl für Klebungen an additiv gefertigten Kunststoffbauteilen. Es wurden erstmals Wissensdefizite über die Materialsubstitution von z. B. spritzgegossenen zu additiv gefertigten Kunststoffbauteilen im Hinblick auf die resultierende Verbindungsqualität geschlossen. Zudem wurden Design- und Fertigungskriterien für bestehende und zukünftige Anwendungen erschlossen.
Hierfür wurden Klebungen an lasergesinterten (LS) Kunststoffbauteilen aus PA12- sowie an TPU-Bauteilen aus dem Strangablageverfahren betrachtet. Der Schwerpunkt lag dabei auf den lasergesinterten Proben, da sie die größte industrielle Relevanz aufweisen. Es wurde daran der Einfluss von Glättungsverfahren zur Oberflächennachbehandlung, als auch von geeigneten Vorbehandlungsmethoden auf die Verbundfestigkeit untersucht. Weiterhin wurden Strukturierungen der Fügefläche und die hydrothermale Alterung der Klebungen untersucht.
Die Klebversuche erzielten vielversprechende Ergebnisse für eine branchenübergreifende Anwendung verklebter und additiv gefertigter Kunststoffbauteile. So lässt sich festhalten, dass LS-Bauteile aus PA12 bereits ohne spezielle Behandlung mit den richtigen Klebstoffen eine gute Klebeignung aufweisen. Es konnte auch gezeigt werden, dass diese sich auch durch gezielte Vorbehandlung steigern lässt. An TPU-Bauteilen aus dem Strangablageverfahren zeigte sich dagegen, dass eine Vorbehandlung für höhere Klebfestigkeiten notwendig ist. Des Weiteren konnten auch Handlungsempfehlungen z.B. in Bezug auf die Klebstoffauswahl gegeben werden.
Aktualisiert: 2020-11-12
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Zur Bewältigung hoher Stückzahlen werden zum Verbinden von Bauteilen meist Serien-schweißverfahren wie das Ultraschallschweißen eingesetzt. Obwohl das Ultraschall-schweißen ein sehr verbreitetes und allgemein zuverlässiges Fügeverfahren ist, können dennoch Qualitätsschwankungen auftreten, die nicht durch die Überwachungsparameter der Schweißmaschine erkannt werden.
Die Thermografie bietet hierfür eine neue Möglichkeit, den Ultraschallschweißprozess zu bewerten. Mittels der im Projekt festgelegten Auswertungsmethoden konnten vergleichbare Aussagen bezüglich des Schweißprozesses getroffen werden, wie mit den Maschinenüberwachungsparametern Schweißenergie und -zeit. Dies bedeutet, dass eine Bewertung des Ultraschallschweißprozesses mittels Thermografie generell geeignet und aussagefähig ist. Der große Vorteil der Thermografie liegt jedoch in der bildhaften Darstellung, der Vielzahl an unterschiedlichen Auswertungsmöglichkeiten sowie der schnellen industriellen Umsetzbarkeit. So können Prozesseinflüsse visuell bewerten und Unregelmäßigkeiten am Bauteil lokal zuordnen werden. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde jedoch kein alternativer Überwachungsparameter für das Ultraschallschweißen entwickelt, vielmehr wurde eine ergänzende Qualitätssicherungsmöglichkeit geschaffen, um die Lücke nicht detektierbarer Fehlerquellen durch eine Maschinenüberwachung mit Hilfe der Thermografie zu schließen und damit weiter einen Schritt Richtung 100 % Kontrolle durch zerstörungsfreie Prüfung zu gehen.
Aktualisiert: 2021-02-04
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Das vorliegende Forschungsvorhaben betrachtete die Langzeiteigenschaften von laserdurchstrahlgeschweißten Kunststoffnähten. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der dynamischen Ermüdungsfestigkeit und der Beständigkeit der Schweißungen gegenüber klimatischen Wechsellasten.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden ein amorpher Kunststoff, Acrylnitril-Butadien-Styrol, und ein teilkristalliner Kunststoff, Polyamid 6.6, mittels Konturschweißen zu Überlapp-Verbindungen bzw. mittels Quasi-Simultanschweißen zu T-Stoß-Verbindungen gefügt. Für beide Schweißverfahren wurden Versuchspläne aufgestellt, die die wesentlichen Prozessparameter wie z. B. Leistung und Vorschubgeschwindigkeit des Lasers variierten. Anschließend wurden die hergestellten Schweißverbindungen hinsichtlich ihrer Kurzzeit-, Ermüdungs- und Klimawechselfestigkeit geprüft und Korrelationen zwischen den Festigkeiten analysiert. Zusätzlich wurden die Eigenschaften der Schweißungen mit dem Verhalten des jeweiligen Grundmaterials bei gleicher Belastung verglichen. Dieser Vergleich zeigte, dass die Ermüdungsfestigkeiten der Überlapp-Verbindungen zumindest konservativ über die Eigenschaften des Grundmaterials abgeschätzt werden können. Für die T-Stoß-Verbindungen hingegen wird das Ermüdungsverhalten stark durch die Geometrie des Probekörpers beeinflusst. Die Klimawechselfestigkeit der Schweißverbindungen hängt primär von der qualitativen Ausführung der Schweißnaht ab. Abschließend wurde ein Demonstratorbauteil angefertigt, um zu prüfen, in welchem Umfang die an den Probekörpern gewonnenen Erkenntnisse auf komplexere Bauteile übertragbar sind.
Aktualisiert: 2020-07-17
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Komplexer werdende Produkte stellen die kunststoffverarbeitende Industrie vor zunehmende Herausforderungen in der Aufbereitung der Polymere. Der Ko-Kneter mit seinem einzigartigen Funktionsprinzip stellt hierbei einen Maschinentyp mit hohem Potential dar. Mangelndes Prozessverständnis führt jedoch dazu, dass Auslegung und Prozessoptimierung durch zeit- und kostenaufwändige Versuchsreihen erfolgen. Unterstützende Simulationsmodelle existieren für den Ko-Kneter noch nicht. Ziel des Projekts ist die Erstellung eines anwender-freundlichen Simulationstools für eine optimierte Auslegung des Prozesses.
Im Rahmen des Projekts werden zunächst die für die Simulation erforderlichen Materialdaten ermittelt und durch geeignete Modelle beschrieben. Durch eine Kombination aus Experimenten und 3D-Simulationen werden anschließend die Vorgänge im Ko-Kneter untersucht. Dazu wird ein Vorgehen zur Durchführung von numerischen Simulationen und zur experimentellen Bestimmung von Prozessgrößen entwickelt. Begleitend erfolgt eine analytische Modellierung des Kneters. Die entwickelten analytischen Modelle werden in ein Excel-basiertes Simulationstool implementiert. Zur Überprüfung der Modelle werden Simulationsrechnungen durchgeführt und mit experimentellen und numerischen Ergebnissen verglichen. Dabei wird für die analytischen Modelle eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment erreicht. Allerdings ist die Datenbasis für eine vollständige Validierung der Modelle noch nicht ausreichend. Das Simulationstool kann von KMU genutzt werden, um die Auslegung von Extrusionsprozessen auf dem Ko-Kneter zu unterstützen. Das neu gewonnene Prozessverständnis kann zudem zu einer Erhöhung der Produktqualität beitragen, wodurch die KMU ihre Position am Markt festigen können.
Aktualisiert: 2020-07-23
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Die mechanischen Eigenschaften stellen meist die wichtigsten Qualitätskenngrößen bei Kunststoffen dar. Sie sind grundlegend verantwortlich für die Funktionserfüllung eines Endprodukts. Bei den bisherigen genormten Offline-Prüfungen werden die mechanischen Eigenschaften häufig an Probekörpern bestimmt. Im Gegensatz zur Offline-Messung ist bei einer Online-Messung ein schneller und direkter Eingriff in den laufenden Herstellungsprozess zur Anpassung der Rezeptur- bzw. Verfahrenskonfiguration möglich. Dabei kann in Echtzeit auf vorliegende Mess- und Qualitätsergebnisse zurückgegriffen werden, da ein zusätzlicher Schritt für die Probenherstellung entfällt. Im Rahmen des am SKZ durchgeführten Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass eine quasikontinuierliche Online-Bestimmung der mechanischen Eigenschaften am Compoundierstrang im Prozess möglich ist. Hierbei wurde ein neuer Messansatz zur Erfassung der Schlagzähigkeit und der Härte des Materials betrachtet. Gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik kann dadurch in Echtzeit, ohne zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand direkt im Prozess in Anlehnung an die Norm auf die mechanischen Eigenschaften des Compoundmaterials geschlossen werden. Dies bietet sowohl für die Prozess- und Qualitätsüberwachung in der Compoundierung als auch bei der Materialentwicklung deutliche Vorteile.
Im Zuge des Forschungsprojekts wurden auf Basis neuer Messansätze Demonstratoren ausgelegt und aufgebaut. Auf Basis dieser konnten umfangreiche Versuche zur Bewertung des Potenzials und der Grenzen der Messverfahren unter Technikumsbedingungen erfolgen.
Aktualisiert: 2020-07-15
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Das Projekt AlVerHo beschäftigte sich mit der Alterung von Vergussmassen bei Hochtemperaturen. Für vielfältige Anwendungsbereiche wurden im ersten Projektabschnitt die gängigen Materialklassen (ohne Füllstoffe) untersucht. Es handelte sich dabei um Epoxide, Polyurethane, Polyesterimid und Silikone. Diese wurden bei Temperaturen von 125, 185 und 250 °C für maximal 1000 Stunden im Umluftofen gealtert und zu definierten Zeitpunkten entnommen. Die anschließende systematische Charakterisierung lieferte Erkenntnisse über Veränderungen der Materialien bei hohen Temperaturen. Daraus wurden zwei grundsätzlich verschiedene Systeme für weitere Untersuchungen ausgewählt. Im Hartverguss handelte es sich dabei um ein Epoxidharz und im Weichverguss um ein Silikon.
Im zweiten Projektabschnitt wurden die beiden Systeme mit Füllstoffen (Aluminiumoxid und Siliziumdioxid) modifiziert. Als weiterer Versuchsparameter wurde die Füllstoffoberfläche mittels einer Silanisierung angepasst. Dadurch ergab sich eine Versuchsmatrix aus Füllstoffart, Konzentration und Oberflächenmodifizierung der Füllstoffe. Diese Proben wurden gleichwertig gealtert.
Wurde das ungefüllte Silikon noch bei 250 °C zersetzt, konnte dies mit den Füllstoffen verhindert werden. Bei den gefüllten Epoxiden nahmen die Diffusionswege durch den Feststoff zu, was zu einem Abfall der mechanischen Werte geführt hat. Die Ergebnisse der Alterungsversuche können als Orientierung für die Lebensdauervorhersage reeller Bauteile herangezogen werden. Im Projekt AlVerHo wurden grundsätzliche Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erarbeitet. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für weitere spezifische Untersuchungen an Vergussmassen sowie für die Entwicklung neuer Produkte.
Aktualisiert: 2020-11-12
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Als wesentliches Ergebnis des Forschungsprojekts liegt eine Methode vor, die es durch Kombination verschiedener Messverfahren mit einer modellbasierten Signalauswertung erlaubt, Defekte unterhalb der physikalischen Wellenlänge zu charakterisieren. Das Verfahren basiert auf der Erfassung der Streuung und Beugung von elektromagnetischen Wellen an Inhomogenität und der Nachbildung der Beugungsmuster durch eine semianalytische Punktspreizfunktion. Im Projekt wurde nachgewiesen, dass diese Art der Nachbildung einer dreidimensionalen Beugung hinreichend ist, um bestimmte Defektklassen in Plattenstrukturen oder oberflächennah an ausgedehnten Prüfkörpern zu lokalisieren und in einem Optimierungsschritt die geometrische Form genauer als mit konventionellen Verfahren zu charakterisieren. Effektiv muss die Rekonstruktionsmethode gezielt auf bestimmte Fehlerformen kalibriert werden.
Es wurden grundlegende Kenntnisse über die Eignung der parametrischen Nachbildung von Beugungsmustern gewonnen. Diese Ergebnisse können direkt für weitere Forschungsarbeiten im Kunststoffbereich oder allgemein der Werkstoffprüfung genutzt werden, um neue Impulse zur Entwicklung hochauflösender Superresolution-Verfahren zu geben. Die Unabhängigkeit der parametrischen Modellierung ermöglicht es Herstellern, ihre bestehenden Anlagen zur Prüfung von Bauteilen mit Mikrowellen, um ein Softsensing zur zweistufigen Bewertung und genaueren Klassifizierung von Defekten zu erweitern. Die Methode lässt sich autark als nachgeschaltete Bewertungssoftware realisieren. Dies kann u. a. einen Mehrwert bei der defektgrößenabhängigen Sicherheitsbewertung liefern. Das Verfahren lässt sich zudem auf andere Methoden wie z. B. die kapazitive Messtechnik, die Ultraschalltechnik oder die optische Messtechnik übertragen.
Aktualisiert: 2020-07-01
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