Durch Zugabe von Fasern verändert sich das viskoplastische Fließverhalten von Frischbeton abhängig von Faseranteil und -geometrie. Für Frischbeton werden unterschiedliche Rheometertypen eingesetzt, welche allesamt inhomogene, komplizierte Strömungsfelder erzeugen. Dieser Umstand hat seine Ursache in der granularen Mikrostruktur des Materials. Hierin liegt ein fundamentaler Unterschied zur Rheometrie homogener Flüssigkeiten, welcher die Interpretation von rheologischen Frischbetonmessungen insbesondere bei Faserzugabe massiv erschwert. Vor allem aber sind im Stand der Forschung aus rheometrischen Messungen in Betonrheometern nur vergleichende Aussagen aber keine Ableitung objektiver Stoffparameter möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Erfassung von Bingham-Stoffparametern anhand von rheometrischen Messungen in Kugelsondenrheometern. Der Zusammenhang zwischen Messdaten und Stoffparametern wird anhand einer Dimensionsanalyse in Verbindung mit einer numerischen Parameterstudie ermittelt. Der Fokus des in dieser Arbeit untersuchten Vorhersagemodells für faserbeaufschlagten Frischbeton liegt auf der Anwendbarkeit im industriellen Maßstab. Daher wird für die Modellierung der Faser-Beton-Wechselwirkung ein makroskopisches Modell gewählt, welches eine effiziente numerische Beschreibung auf der Bauteilskale erlaubt. Das gewählte Modell für den Faser-Frischbeton besteht aus einer Evolutionsgleichung für den Orientierungstensor (statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Faserorientierung) und einer Ergänzung des Matrix-Konstitutivgesetztes durch einen Anteil, welcher die Fluid-Faser-Interaktion beschreibt. Das in der Arbeit untersuchte anisotrope viskoplastische Konstitutivgesetz für Faser-Frischbeton berücksichtigt die strömungsinduzierte Faserorientierung. Es wurde in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM®in einen numerischen Strömungslöser implementiert und zur Untersuchung verschiedener Strömungen angewendet. Publizierte Ergebnisse rheologischer Messungen an Faser-Frischbeton weisen abhängig vom eingesetzten Betonrheometer-Typ unterschiedliche Charakteristika und scheinbare Widersprüche sowohl in der Anlaufphase als auch im stationären Zustand auf. Anhand numerischer Untersuchungen an zwei verbreiteten Betonrheometer-Typen werden die Orientierungseinflüsse der Fasern auf die Messgrößen analysiert und charakteristische Effekte erklärt. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Interpretation von Messwerten an Faser-Frischbeton, sodass diese für die Vorhersage praktisch relevanter Prozesse verwendet werden können. Das untersuchte Stoffmodell ist geeignet, den Einfluss von Faserausrichtung und -orientierung auf Verarbeitungsprozesse wie Pumpen oder die Schalungsfüllung vorherzusagen.
Aktualisiert: 2023-06-06
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Für die Festbetoneigenschaften von Faserbetonen sind die Fasermenge, Faserorientierung und Faserverteilung ausschlaggebend. Dies macht eine Überwachung dieser Parameter notwendig, sei es zur Qualitätssicherung auf der Baustelle oder im Bereich der Forschung zur Weiterentwicklung solcher Betone. Ziel des vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins finanzierten Forschungsprojektes war es, Tomographiebilder von faserverstärkten Betonproben so erzeugen und auswerten zu können, dass eine Analyse der Faserverteilung, Faserausrichtung und des Faservolumens möglich wird. Hierzu wurden Probekörper unterschiedlicher Geometrie aus Faserbetonen (stahlfaserverstärkte ultrahochfeste Betone, Textilbetone, hochduktile Betone mit Polyvinylalkohol-Fasern, u. a.) hergestellt bzw. aus Bauteilen entnommen und tomographiert. In zusätzliche Versuchen sollten die Ergebnisse der CT-Analyse mit dem an der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Firma Hertz-Messtechnik entwickelten Verfahren (Messgerät BSM 100), das die ferromagnetischen Eigenschaften der Stahlfasern nutzt, verglichen werden.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Durch Zugabe von Fasern verändert sich das viskoplastische Fließverhalten von Frischbeton abhängig von Faseranteil und -geometrie. Für Frischbeton werden unterschiedliche Rheometertypen eingesetzt, welche allesamt inhomogene, komplizierte Strömungsfelder erzeugen. Dieser Umstand hat seine Ursache in der granularen Mikrostruktur des Materials. Hierin liegt ein fundamentaler Unterschied zur Rheometrie homogener Flüssigkeiten, welcher die Interpretation von rheologischen Frischbetonmessungen insbesondere bei Faserzugabe massiv erschwert. Vor allem aber sind im Stand der Forschung aus rheometrischen Messungen in Betonrheometern nur vergleichende Aussagen aber keine Ableitung objektiver Stoffparameter möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Erfassung von Bingham-Stoffparametern anhand von rheometrischen Messungen in Kugelsondenrheometern. Der Zusammenhang zwischen Messdaten und Stoffparametern wird anhand einer Dimensionsanalyse in Verbindung mit einer numerischen Parameterstudie ermittelt. Der Fokus des in dieser Arbeit untersuchten Vorhersagemodells für faserbeaufschlagten Frischbeton liegt auf der Anwendbarkeit im industriellen Maßstab. Daher wird für die Modellierung der Faser-Beton-Wechselwirkung ein makroskopisches Modell gewählt, welches eine effiziente numerische Beschreibung auf der Bauteilskale erlaubt. Das gewählte Modell für den Faser-Frischbeton besteht aus einer Evolutionsgleichung für
den Orientierungstensor (statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Faserorientierung) und einer Ergänzung des Matrix-Konstitutivgesetztes durch einen Anteil, welcher die Fluid-Faser-Interaktion beschreibt. Das in der Arbeit untersuchte anisotrope viskoplastische Konstitutivgesetz für Faser-Frischbeton berücksichtigt die strömungsinduzierte Faserorientierung. Es wurde in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM®in einen numerischen Strömungslöser implementiert und zur Untersuchung verschiedener Strömungen angewendet. Publizierte Ergebnisse rheologischer Messungen an Faser-Frischbeton weisen abhängig vom eingesetzten Betonrheometer-Typ unterschiedliche Charakteristika und scheinbare Widersprüche sowohl in der Anlaufphase als auch im stationären Zustand auf. Anhand numerischer Untersuchungen an zwei verbreiteten Betonrheometer-Typen werden die Orientierungseinflüsse der Fasern auf die Messgrößen analysiert und charakteristische Effekte erklärt. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Interpretation von Messwerten an Faser-Frischbeton, sodass diese für die Vorhersage praktisch relevanter Prozesse verwendet werden können. Das untersuchte Stoffmodell ist geeignet, den Einfluss von Faserausrichtung und -orientierung auf Verarbeitungsprozesse wie Pumpen oder die Schalungsfüllung vorherzusagen.
Aktualisiert: 2023-05-18
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Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt - als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2023-05-11
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Durch Zugabe von Fasern verändert sich das viskoplastische Fließverhalten von Frischbeton abhängig von Faseranteil und -geometrie. Für Frischbeton werden unterschiedliche Rheometertypen eingesetzt, welche allesamt inhomogene, komplizierte Strömungsfelder erzeugen. Dieser Umstand hat seine Ursache in der granularen Mikrostruktur des Materials. Hierin liegt ein fundamentaler Unterschied zur Rheometrie homogener Flüssigkeiten, welcher die Interpretation von rheologischen Frischbetonmessungen insbesondere bei Faserzugabe massiv erschwert. Vor allem aber sind im Stand der Forschung aus rheometrischen Messungen in Betonrheometern nur vergleichende Aussagen aber keine Ableitung objektiver Stoffparameter möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Erfassung von Bingham-Stoffparametern anhand von rheometrischen Messungen in Kugelsondenrheometern. Der Zusammenhang zwischen Messdaten und Stoffparametern wird anhand einer Dimensionsanalyse in Verbindung mit einer numerischen Parameterstudie ermittelt. Der Fokus des in dieser Arbeit untersuchten Vorhersagemodells für faserbeaufschlagten Frischbeton liegt auf der Anwendbarkeit im industriellen Maßstab. Daher wird für die Modellierung der Faser-Beton-Wechselwirkung ein makroskopisches Modell gewählt, welches eine effiziente numerische Beschreibung auf der Bauteilskale erlaubt. Das gewählte Modell für den Faser-Frischbeton besteht aus einer Evolutionsgleichung für
den Orientierungstensor (statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Faserorientierung) und einer Ergänzung des Matrix-Konstitutivgesetztes durch einen Anteil, welcher die Fluid-Faser-Interaktion beschreibt. Das in der Arbeit untersuchte anisotrope viskoplastische Konstitutivgesetz für Faser-Frischbeton berücksichtigt die strömungsinduzierte Faserorientierung. Es wurde in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM®in einen numerischen Strömungslöser implementiert und zur Untersuchung verschiedener Strömungen angewendet. Publizierte Ergebnisse rheologischer Messungen an Faser-Frischbeton weisen abhängig vom eingesetzten Betonrheometer-Typ unterschiedliche Charakteristika und scheinbare Widersprüche sowohl in der Anlaufphase als auch im stationären Zustand auf. Anhand numerischer Untersuchungen an zwei verbreiteten Betonrheometer-Typen werden die Orientierungseinflüsse der Fasern auf die Messgrößen analysiert und charakteristische Effekte erklärt. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Interpretation von Messwerten an Faser-Frischbeton, sodass diese für die Vorhersage praktisch relevanter Prozesse verwendet werden können. Das untersuchte Stoffmodell ist geeignet, den Einfluss von Faserausrichtung und -orientierung auf Verarbeitungsprozesse wie Pumpen oder die Schalungsfüllung vorherzusagen.
Aktualisiert: 2023-05-09
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Durch Zugabe von Fasern verändert sich das viskoplastische Fließverhalten von Frischbeton abhängig von Faseranteil und -geometrie. Für Frischbeton werden unterschiedliche Rheometertypen eingesetzt, welche allesamt inhomogene, komplizierte Strömungsfelder erzeugen. Dieser Umstand hat seine Ursache in der granularen Mikrostruktur des Materials. Hierin liegt ein fundamentaler Unterschied zur Rheometrie homogener Flüssigkeiten, welcher die Interpretation von rheologischen Frischbetonmessungen insbesondere bei Faserzugabe massiv erschwert. Vor allem aber sind im Stand der Forschung aus rheometrischen Messungen in Betonrheometern nur vergleichende Aussagen aber keine Ableitung objektiver Stoffparameter möglich. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Erfassung von Bingham-Stoffparametern anhand von rheometrischen Messungen in Kugelsondenrheometern. Der Zusammenhang zwischen Messdaten und Stoffparametern wird anhand einer Dimensionsanalyse in Verbindung mit einer numerischen Parameterstudie ermittelt. Der Fokus des in dieser Arbeit untersuchten Vorhersagemodells für faserbeaufschlagten Frischbeton liegt auf der Anwendbarkeit im industriellen Maßstab. Daher wird für die Modellierung der Faser-Beton-Wechselwirkung ein makroskopisches Modell gewählt, welches eine effiziente numerische Beschreibung auf der Bauteilskale erlaubt. Das gewählte Modell für den Faser-Frischbeton besteht aus einer Evolutionsgleichung für
den Orientierungstensor (statistisches Moment der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der Faserorientierung) und einer Ergänzung des Matrix-Konstitutivgesetztes durch einen Anteil, welcher die Fluid-Faser-Interaktion beschreibt. Das in der Arbeit untersuchte anisotrope viskoplastische Konstitutivgesetz für Faser-Frischbeton berücksichtigt die strömungsinduzierte Faserorientierung. Es wurde in der quelloffenen Bibliothek OpenFOAM®in einen numerischen Strömungslöser implementiert und zur Untersuchung verschiedener Strömungen angewendet. Publizierte Ergebnisse rheologischer Messungen an Faser-Frischbeton weisen abhängig vom eingesetzten Betonrheometer-Typ unterschiedliche Charakteristika und scheinbare Widersprüche sowohl in der Anlaufphase als auch im stationären Zustand auf. Anhand numerischer Untersuchungen an zwei verbreiteten Betonrheometer-Typen werden die Orientierungseinflüsse der Fasern auf die Messgrößen analysiert und charakteristische Effekte erklärt. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen die objektive Interpretation von Messwerten an Faser-Frischbeton, sodass diese für die Vorhersage praktisch relevanter Prozesse verwendet werden können. Das untersuchte Stoffmodell ist geeignet, den Einfluss von Faserausrichtung und -orientierung auf Verarbeitungsprozesse wie Pumpen oder die Schalungsfüllung vorherzusagen.
Aktualisiert: 2023-05-09
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Fertigungseinflüssen sind bei der Auslegung von kurzfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen von hoher Bedeutung. Im Spritzguss entstehende Faserorientierungen können das mechanische Verhalten des Materials beeinflussen, sodass diese Effekte bei der durch die Finite-Elemente-Methode unterstützten Produktentwicklung berücksichtigt werden sollten. Ziel dieser Arbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Spritzgussfertigung und den mechanischen Eigenschaften zu verstehen und numerisch abzubilden.
Aktualisiert: 2023-05-04
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Fertigungseinflüssen sind bei der Auslegung von kurzfaserverstärkten Kunststoff-Bauteilen von hoher Bedeutung. Im Spritzguss entstehende Faserorientierungen können das mechanische Verhalten des Materials beeinflussen, sodass diese Effekte bei der durch die Finite-Elemente-Methode unterstützten Produktentwicklung berücksichtigt werden sollten. Ziel dieser Arbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Spritzgussfertigung und den mechanischen Eigenschaften zu verstehen und numerisch abzubilden.
Aktualisiert: 2023-03-02
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Motiviert durch das Projekt „BAMP! Bauen mit Papier“ wurden im Rahmen dieser Dissertation zunächst verschiedene Einflussgrößen auf die Orientierung von Fasern bei der Blattbildung, und der Zusammenhang zwischen Faserorientierung im Papier und Papiereigenschaften, recherchiert.
Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde in mehreren Iterationsschritten ein neuartiger Blattbildner zur Herstellung hochorientierter Papiere entwickelt. Der sogenannte UD-Blattbildner zeichnet sich durch eine traversierende Düse und eine parallel dazu traversierende Absaugung aus. Hierdurch kann der auf ein umlaufendes Sieb aufgebrachte Suspensionsstrahl direkt entwässert werden.
Die Messung des Grades der erreichten Faserorientierung im UD-Papier erfolgte durch bildanalytische Erfassung von fluoreszierenden Fasern im Papier. Als Kennzahlen zur Beschreibung der so ermittelten Häufigkeitsverteilung der Faserorientierungswinkel dienten der von-Mises-Parameter κ, der mittlerer Faserorientierungswinkel und die Anisotropie, gemessen am Hauptachsenverhältnis einer Ellipse. Die gebildeten UD-Papiere wurden zudem durch Tensile Stiffness Index, Nullreißlänge und Zugprüfung charakterisiert. Das Ziel, Papiere mit einem MD/CD-Festigkeitsverhältnis von >4 zu bilden, wurde mit dem UD-Blattbildner erreicht.
Mit den UD-Papieren wurden Epoxidharz-Laminate gebildet und ebenfalls durch eine Zugprüfung charakterisiert. Die Bruchspannungen der UD-Papier-Laminate konnten mit dem Festigkeitsmodell von Kröling berechnet werden.
Die Arbeit schließt mit einer Diskussion des im neu entwickelten Blattbildungsverfahren steckenden Innovationspotenzials.
Aktualisiert: 2021-10-07
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Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen und von Recycling-Werkstoffen in Faserverbundwerkstoffen als Leichtbauwerkstoff vereint viele Aspekte der Nachhaltigkeit. Auf der Basis dieser Arbeit soll naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) und Kunststoffen, verstärkt mit rezyklierten Kohlenstofffasern (rCFK), ein Zugang für den Einsatz als spritzgegossenes Serienbauteil im Automobilbereich eröffnet werden. Damit Designer und Ingenieure einen derartigen Werkstoff im Produktentwicklungsprozess im Automobilbereich einsetzen können, muss dieser mit numerischen Simulationen abgebildet werden können. Aktuell sind in den kommerziellen Software-Programmen für Spritzguss-Simulationen vor allem Modelle für Glasfasern integriert. Naturfasern und rezyklierte Kohlenstofffasern besitzen jedoch eine viel größere Variation ihrer morphologischen und mechanischen Eigenschaften, was die direkte Übertragung bestehender Modelle erschwert. Zu Beginn dieser Arbeit gab es noch keine Modelle zur Simulation von spritzgegossenen NFK. Daher galt es, diese Lücke zu schließen.
Die vorliegende Arbeit ist damit ein wichtiger Schritt in Richtung des frühzeitigen Einsatzes von Simulationstools im Produktentwicklungsprozess von NFK und rCFK, damit Designer und Ingenieure in der Zukunft bei der Werkstoffauswahl im größeren Umfang nachhaltige Verbundwerkstoffe berücksichtigen können.
Aktualisiert: 2020-09-10
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In dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Messung der Faserorientierung in mehrlagigen, dreidimensionalen Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und den zu ihrer Herstellung verwendeten, trockenen Carbonfaser-Vorformlingen (Preforms) entwickelt.
Grundlage hierfür ist die Hochfrequenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen Lagen erlaubt. Hierauf aufbauend wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung beliebiger 3D-Oberflächen entwickelt, mit dem eine 3D-Wirbelstrommessung durchgeführt wird.
Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild wird anschließend die lokale Faserorientierung in den einzelnen Lagen mit einem Bildverarbeitungsverfahren gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die gemessenen Faserorientierungen werden als Input für die Struktursimulation sowie zur Prozessoptimierung verwendet.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt - als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2023-02-14
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Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung des Bruchverhaltens durch die Ermittlung der Bruchzähigkeit an spritzgegossenen CT-Prüfkörpern aus celluloseregeneratfaserverstärktem Polypropylen unter Berücksichtigung der Morphologie und mikromechanischer Versagensprozesse.
Aktualisiert: 2020-06-05
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Verschiedene CFK-Produktionsverfahren basieren auf dreidimensional umgeformten Halbzeugen (Preforms), dessen wichtigstes Qualitätsmerkmal die 3D-Faserorientierung ist. Die Messung der 3D-Faserorientierung mit robotergeführten Machine-Vision-Systemen unterliegt dabei einer Vielzahl unterschiedlicher Einflussfaktoren. Mit der Modellierung der Messunsicherheit dieser Systeme löst diese Arbeit das Defizit, die Messunsicherheit der 3D-Faserorientierungsmessung bestimmen und vorhersagen zu können.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung des Bruchverhaltens durch die Ermittlung der Bruchzähigkeit an spritzgegossenen CT-Prüfkörpern aus celluloseregeneratfaserverstärktem Polypropylen unter Berücksichtigung der Morphologie und mikromechanischer Versagensprozesse.
Aktualisiert: 2021-10-19
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Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Die Arbeit beschreibt einen Beitrag zum Zugtragverhalten von stahlfaserbewehrtem Normalbeton und Ultra-Hochleistungsbeton. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Streuung des Nachrisszugtragverhaltens, der Definition der Prozesszonenlänge und auf der Berechnung von Materialgesetzen aus Biegezugversuchen.
Aktualisiert: 2019-10-28
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Für die Festbetoneigenschaften von Faserbetonen sind die Fasermenge, Faserorientierung und Faserverteilung ausschlaggebend. Dies macht eine Überwachung dieser Parameter notwendig, sei es zur Qualitätssicherung auf der Baustelle oder im Bereich der Forschung zur Weiterentwicklung solcher Betone. Ziel des vom Deutschen Beton- und Bautechnik-Vereins finanzierten Forschungsprojektes war es, Tomographiebilder von faserverstärkten Betonproben so erzeugen und auswerten zu können, dass eine Analyse der Faserverteilung, Faserausrichtung und des Faservolumens möglich wird. Hierzu wurden Probekörper unterschiedlicher Geometrie aus Faserbetonen (stahlfaserverstärkte ultrahochfeste Betone, Textilbetone, hochduktile Betone mit Polyvinylalkohol-Fasern, u. a.) hergestellt bzw. aus Bauteilen entnommen und tomographiert. In zusätzliche Versuchen sollten die Ergebnisse der CT-Analyse mit dem an der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit der Firma Hertz-Messtechnik entwickelten Verfahren (Messgerät BSM 100), das die ferromagnetischen Eigenschaften der Stahlfasern nutzt, verglichen werden.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Die hohen Produktionskosten für Strukturbauteile aus Faserverbundkunststoffen, insbesondere für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), verhindern aktuell, dass diese Werkstoffe in der Serienfertigung eingesetzt werden. Vor allem die Luftfahrt- und Automobilindustrie betrachten CFK als zukunftsweisenden Leichtbauwerkstoff, der mit seinen herausragenden Eigenschaften einen signifikanten Beitrag zu einer energieeffizienten Mobilität leistet.
Die vorliegende Arbeit sieht die mangelnde Industrialisierung der Faserverbundproduktion als Ursache der hohen Produktionskosten. Mit dem Begriff Industrialisierung wird das Streben nach robusten Produktionsprozessen eingeführt – als notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Transformation von einer manuell geprägten hin zu einer automatisierten Produktion. Als besonders kritisch werden die manuellen Prozessschritte und erste abgeleitete Automatisierungsansätze in den frühen Phasen der Produktion erkannt, die ohne eine objektive Qualitätssicherung durchlaufen werden und weder die geforderte Prozessfähigkeit erreichen noch aufgrund ihrer hohen Komplexität erfolgreich automatisiert werden konnten.
Als Lösungswerkzeug wird ein Machine-Vision-Messsystem konzipiert, welches geeignet ist, fertigungsintegriert die Qualitätsmerkmale wie z.B. die Faserorientierung zu messen, um somit die fehlenden Informationen über den Prozess bei jedem Schritt des generativen Aufbaus der Verstärkungsstruktur bereitzustellen. Es werden umfangreiche Fallstudien zur Integration des neuen Machine-Vision-Systems entlang der Wertschöpfungskette in der Faserverbundproduktion durchgeführt.
Die fallübergreifende Analyse der Machine-Vision-Integrationen führt zu einer Industrialisierungstheorie, die darlegt, wie die Fertigungsintegration von Maschine-Vision-Systemen im generativen Faserverbundleichtbau zur notwendigen Verbesserung der Prozessfähigkeit als Kennzahl des Industrialisierungsfortschrittes beiträgt. Auf Basis der begründeten Industrialisierungstheorie werden drei aufeinander aufbauende Handlungsempfehlungen zur erfolgreichen Machine-Vision-Integration formuliert, die die notwendige Kompetenzentwicklung der Faserverbundhersteller auf dem Weg von einer immer noch handwerklich geprägten Fertigung hin zu einer industrialisierten Produktion unterstützen.
Aktualisiert: 2021-07-10
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Werkstoffe auf Basis duroplastischer Harze besitzen exzellente Gebrauchseigenschaften für viele Bereiche des industriellen Einsatzes. Vor allem durch die Spritzgießverarbeitung rieselfähiger duroplastischer Formmassen entsteht ein hohes Substitutionspotential gegenüber Bauteilen aus Metallen oder Hochleistungsthermoplasten. Jedoch führen bestehende Erkenntnisdefizite im Prozessverständnis zu Ressentiments hinsichtlich des Einsatzes duroplastischer Werkstoffe. Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit war die Ermittlung und Analyse der prozessinduzierten Werkstoffstruktur von spritzgegossenen technischen Phenolharzformteilen. Dabei wurden zum einen das Füllen der Werkzeugkavität und die sich ausbildende Faserorientierung untersucht und zum anderen die sich während des Temperns verändernde chemische Struktur. Anhand von Platten- sowie Zugprüfkörpern wurden sowohl beim Spritzgießen als auch beim Tempern Parametervariationen durchgeführt und die jeweils resultierende Werkstoffstruktur sowie deren Einfluss auf die Formteileigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsverhältnisse während der Werkzeugfüllung stark von den Prozessparametern und der Werkstoffzusammensetzung abhängig sind. Dadurch wird auch die Faserorientierung beeinflusst, sodass im Formteil lokal und richtungsabhängig stark unterschiedliche Eigenschaften entstehen können. Darüber hinaus konnte anhand einer alternativen Tempermethode geklärt werden, warum es beim Tempern zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften kommt und eine Möglichkeit zur Vermeidung gegeben werden.
Aktualisiert: 2020-12-16
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