Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der konstitutiven Modellierung von Klebverbindungen aus warmaushärtenden Strukturklebstoffen, die aus Epoxidharz bestehen und deren Matrix mithilfe von Additiven duktil modifiziert wird. Strukturklebstoffe kommen in verschiedenen Industriezweigen wie beispielweise im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Fahrzeugbau zum Einsatz. Im zuletzt benannten werden sie häufig im Karosserierohbau verwendet, wo im Zuge des Leichtbaus zielgerichtet auf verschiedene Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zurückgegriffen wird. Dort hat sich die Klebtechnik als stoffschlüssige Technik neben verschiedener formschlüssiger Fügeverfahren bewährt und etabliert, da Klebstoffe unter anderem in der Lage sind, thermisch induzierte Relativverschiebungen zwischen den einzelnen Komponenten der Karosserie auszugleichen und Verformungsenergie bei Crashbeanspruchung zu dissipieren. Die Klebstoffklasse, die für solche Zwecke eingesetzt wird, gehört zur Gruppe der einkomponentigen Reaktionsklebstoffe, welche bei hohen Temperaturen aushärten (warmaushärten). Daher können bereits während der Fertigung der Klebschicht Relativverschiebungen entstehen, die ausreichen, um die Klebschicht irreversibel zu deformieren oder zu schädigen – unter Umständen sogar bis zum Versagen. Für eine sichere Auslegung ist daher ein Materialmodell für die Klebverbindung notwendig, welches die Beanspruchung der Klebschicht während der Fertigung und im Betrieb bis zum Versagen mittels der Finite-Elemente-Berechnung prognostizieren kann.
Aktualisiert: 2023-03-02
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Durch Vernetzen können die Materialeigenschaften von Standardthermoplasten gezielt und kostengünstig verbessert werden. Bekanntestes Beispiel sind Rohre oder Implantatbauteile aus vernetztem Polyethylen (PE-X). Ebenso vernetzen Duroplaste bzw. Klebstoffe während der Aushärtung. Der Vernetzungs- bzw. Aushärtegrad ist hierbei die zentrale Qualitätskennzahl. Bis dato wird dieser – insbesondere bei PE-X – stichprobenartig zerstörend und zeitaufwändig im Labor geprüft. Von industrieller Seite besteht ein großer Wunsch nach alternativen Verfahren.
Eine vielversprechende, aber in der kunststoffverarbeitenden Industrie bisher nicht berücksichtige Möglichkeit zur schnelleren Vernetzungsgradbestimmung direkt am Bauteil bieten optische Verfahren auf Basis absoluter Methoden. Damit können Änderungen in Streu- und Absorptionsverhalten der untersuchten Kunststoffe beim Vernetzen/Aushärten getrennt betrachtet werden.
In dieser Forschungsarbeit wurden hierzu eine Ulbrichtkugel, die Streifenprojektion, die Raman-Spektroskopie und die kollimierte Transmission eingesetzt. Untersucht wurden unterschiedlich vernetzte PE-X-Proben und diverse 2K-Harze bzw. -Klebstoffe. Als Referenz dienten etablierte Standard-Labormethoden.
Im Projektrahmen konnte ein Zusammenhang zwischen Vernetzungs- bzw. Aushärtegrad und den Streu- und Absorptionskoeffizienten aufgezeigt werden. Zum verbesserten Ergebnistransfer wurde ein Ulbrichtkugel-Demonstrator aufgebaut. Die Änderung bei der Aushärtung von Duroplasten ist mit dem Demonstrator und mittels Raman-Spektroskopie gut messbar. Von den Forschungsergebnissen können v. a. Anwender und Hersteller von vernetzten Produkten sowie Anbieter optischer Messsysteme – und somit insgesamt zahlreiche kmU – profitieren.
Aktualisiert: 2022-12-22
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Der Vernetzungsgrad von Klebstoffen und strahlenvernetzter Kunststoffformteile beeinflusst zahlreiche Materialeigenschaften und ist von essenzieller Bedeutung für die Funktionalität von Klebeverbindungen und die Beständigkeit medizinischer Implantate.
Die zerstörungsfreie Prüfung dieser Qualitätsgröße ist von großem industriellem Interesse, aber noch nicht Stand der Technik. Die unilaterale Kernspinresonanz (uNMR) ist ein vielversprechendes Verfahren zur Lösung dieser Problematik.
In diesem Buch wird die nicht-invasive Vernetzungsgradprüfung von strahlenvernetztem UHMWPE und verschiedenen Klebstoffen mittels uNMR demonstriert. Auf Basis der guten Korrelation mit praxisrelevanten Referenzmethoden (thermisch, rheologisch, dielektrisch) wurden Vergleichsmodelle entwickelt, welche Anwendern von Klebstoffen und vernetzten Kunststoffformteilen den Einsatz der uNMR zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung ermöglichen.
Aktualisiert: 2022-03-03
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In dieser Forschungsarbeit wurden die Möglichkeiten und Grenzen der unilateralen NMR (uNMR) für die Bestimmung des Aushärtegrades an verschiedenen Klebstoffen (1K licht- bzw. feuchtigkeitshärtend und 2K) evaluiert. Dabei dienten gängige Messverfahren (DSC, Platte/Platte-Rheometer, DEA, NIR-Spektroskopie, Zugscherprüfung, Zentrifugal-Adhäsionstest) als Referenz zur Bewertung der uNMR-Ergebnisse.
Das uNMR-System wurde um eine Temperaturüberwachung erweitert. Begleitend erfolgten numerische Simulationen zu den maximalen Verweildauern heißer Proben auf dem Messsystem vor der Beschädigung der Magnete sowie die Untersuchung der Einflüsse von Messparametern sowie Proben- und Umgebungstemperatur auf die Magnettemperatur.
Die Messergebnisse der uNMR wurden mit verschiedenen Auswerteverfahren betrachtet. Die normierten Echosummen lieferten sehr gut reproduzierbare Ergebnisse und eigneten sich zur Beschreibung des Aushärtegrades. Die durchgeführten Profilmessungen konnten zum Auffinden der Position des Messvolumens genutzt werden.
Weiterhin erfolgten kombinierte Messungen von NMR mit Platte/Platte-Rheometer sowie uNMR mit THz.
Auf Basis der normierten Echosummen wurden Aushärtegradmodelle erstellt und die uNMR im Vergleich zu den Referenzverfahren bewertet.
Die uNMR ermöglicht die zerstörungsfreie Charakterisierung von Klebeverbindungen nicht leitfähiger Materialpaarungen mit dünnen, planaren Klebschichten und bietet kMU durch ihren Einsatz einen potenziellen Mehrwert durch eine verbesserte Qualitätskontrolle. Durch Handlungsempfehlungen wird den Unternehmen der Einstieg in dieses Messverfahren erleichtert.
Zudem wurde weiteres Entwicklungspotenzial hinsichtlich der Nutzung der uNMR im Prozess aufgezeigt.
Aktualisiert: 2022-03-10
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Dieses Lehrbuch bietet einen anschaulichen Einstieg in die Werkstoffkunde für Praktiker, Ingenieure, Kaufleute und Anwender.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Serie von anwendungsnahen, γ′ gehärteten Co-Basis Schmiedelegierungen entwickelt und harakterisiert. Optimierte Wärmebehandlungen führten für alle Legierungen zur Ausbildung einer γ/γ′-Mikrostruktur, welche bi- oder tridisperse γ′-Teilchenverteilungen aufwies und einen möglichst hohen Härtungsbeitrag lieferte. Durch das Einbringen von orngrenzenpinnenden intermetallischen Phasen konnte die Korngröße auch bei hohen Anwendungstemperaturen stabil gehalten werden. Die Druckfestigkeit der Legierungen lag auf vergleichbarem Niveau wie die von Ni-basierten Schmiedelegierungen. Insbesondere bei Temperaturen über 750 °C sind die Co-Basis Schmiedelegierungen stabiler hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und weisen in Relation höhere Festigkeiten auf. Besonders gute mechanische Stabilität zeigten die untersuchten Legierungen unter Kriechbelastung, wo teilweise um zwei Größenordnungen niedrigere Kriechraten erzielt wurden als für vergleichbare etablierte Ni-Basis Schmiedelegierungen. Untersuchungen der vorliegenden Verformungsmechanismen zeigten, dass in den Co-Basis Schmiedelegierungen Mikroverzwillingung der dominante Verformungsmechanismus ist. Mit Hilfe von hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass das Wachstum der Zwillinge durch das Gleiten von einzelnen Shockley-Partialversetzungen erfolgt, was durch Segregationsprozesse an der Zwillingsgrenze unterstützt wird. Durch eine umfassende Analyse verschiedener mikrostruktureller Parameter wie der Korngröße, der γ′-Teilchengrößenverteilung und des γ′–Volumenanteils und der Gitterfehlpassung sowie der elementaren Zusammensetzung von γ- und γ′-Phasen konnten die Festigkeitsbeiträge in den Legierungen abgeschätzt werden.
Aktualisiert: 2020-09-10
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First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable.
Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition, transformation temperatures, lattice misfit and, ultimately, mechanical properties. One significant result is that Ni- and Co-base alloys can exhibit vastly different thermo-physical and mechanical properties despite having similar base elements and the same structural arrangement.
The results of this work were utilized to inform the development of oxidation-resistant, multi-component Co-base superalloys with improved creep properties. The property profile of these alloys is promising for applications at intermediate temperatures, such as turbine wheels for stationary gas turbines and disks used in aircraft engines.
Aktualisiert: 2020-01-07
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In den letzten beiden Jahren wurde am SKZ intensiv am Einsatz unilateraler Kernspinresonanz (NMR) zur Messung des Vernetzungsgrades geforscht. Die Ergebnisse zeigen den Weg zu einer vielversprechenden Serienanwendung für die Vernetzungsgradprüfung unterschiedlicher Materialsysteme.
Das Vernetzen von Standardthermoplasten wird zur gezielten und kostengünstigen Eigenschaftsverbesserung eingesetzt. In der Gesamtheit der vernetzten Werkstoffe besitzt vernetztes Polyethylen (PE-X) aktuell den größten Marktanteil. Zudem wach-sen die Märkte für Materialien auf Harzbasis stetig (z. B. Faserverbundwerkstoffe und Klebstoffe). Der Vernetzungsgrad stellt dabei die wichtigste Kenngröße für die Qualität von PE-X dar. Er ist vergleichbar mit dem Aushärtegrad eines Harzes oder Klebstoffes. Obwohl die Verarbeitungszeit bei der Herstellung von vernetzten Polymeren kontinuierlich sinkt, wird der Vernetzungs- bzw. Aushärtegrad nach wie vor im Labor mit herkömmlichen Standardverfahren, z. B. nasschemisch nach DIN EN ISO 10147, bestimmt. Die sehr langen Messzeiten von bis zu 12 Stunden für ein quantitatives Ergebnis und der zerstörende Charakter dieser Standardtestverfahren ermöglichen dabei keine hundertprozentige Prozess- bzw. Produktüberwachung.
Eine innovative Möglichkeit für eine schnellere und zerstörungsfreie Prüfung bieten NMR-Messsysteme mit einseitigem Probenzugang. Durch speziell angeordnete Magnete und angepasste Hochfrequenz-Resonatoren kann der Vernetzungs- bzw. Aushärtegrad berührungslos in verschiedenen Tiefenebenen von Probekörpern gemessen werden. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens konnte die Vernetzungsgradbestimmung von PE-X mittels NMR erfolgreich nachgewiesen werden.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Dieses Lehrbuch bietet einen anschaulichen Einstieg in die Werkstoffkunde für Praktiker, Ingenieure, Kaufleute und Anwender.
Aktualisiert: 2021-08-13
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