Dichtmassen werden heutzutage mit unterschiedlichen Funktionen in verschiedensten Industriezweigen eingesetzt. Die Auswahl und deren Nutzen sind dabei stark von der jeweiligen Anwendung abhängig. Die Ziele liegen häufig in der Abdichtung von Fugen oder Spalten, der Verbindung von Bauteilen oder der Isolation. Der Aushärtefortschritt bestimmt maßgeblich die mechanischen Eigenschaften sowie den Schrumpf, der sich wiederum z. B. auf den Strömungswiderstand des Spaltes auswirkt. Um eine ausreichende Aushärtung und damit die geforderte Funktionsfähigkeit des Bauteils zu gewährleisten, werden häufig Ressourcen wie Arbeitszeit und Produktionsflächen vorsichtshalber unnötig lange gebunden oder es findet eine zerstörende Prüfung an Prozessbegleitproben statt.
In diesem Forschungsprojekt haben sich die berührungslosen und inlinefähigen Messtechniken Luftultraschall und Terahertz als geeignet für die zerstörungsfreie Messung des Aushärtefortschritts applizierter Dichtmassen erwiesen. Weiterhin wurde das prozessintegrierbare Streifenprojektionsverfahren zur Bestimmung des Schrumpfes eingesetzt. Im Zuge der Untersuchungen wurden insbesondere industrierelevante Einflussfaktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie Handhabungseinflüsse der Messtechnik näher betrachtet.
Interessierte Unternehmen sind aufgerufen, sich am SKZ, das je nach Umfang kostenlose Messungen an unternehmensspezifischen Dichtmassen anbietet, zu melden. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus dem Forschungsprojekt ist in Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM ein Folgeprojekt geplant, um ein Aushärtemodell unter Berücksichtigung relevanter Einflussfaktoren zu entwickeln und dadurch den Weg für die industrielle Umsetzung weiter zu ebnen.
Aktualisiert: 2022-01-27
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Die Terahertz-Prozesstomografie ermöglicht es, berührungslos und ohne strahlenschutz-technische Maßnahmen, Bauteile vollumfänglich zu untersuchen und anschließend, geometrisch zu rekonstruieren. Der Fokus dieses Projektes lag darin, innenliegende Fehlstellen zu erkennen und zu charakterisieren. Dazu wurden Mikrowellen-Radare im Frequenzbereich von 120 GHz bis 170 GHz genutzt. Diese bestanden aus einem Sender und drei Empfängern, welche sich kontinuierlich um ein Bauteil drehten. Die durch das Bauteil transmittierten bzw. gestreuten, sowie die reflektierten THz-Wellen wurden gemessen und ihre Dämpfung und Position bestimmt. Anhand dieser Daten wurde in einem zweiten Schritt eine Anomalie-Detektion entwickelt, die auf einem Wahrscheinlichkeitsdichteschätzer basiert. Dabei wurde eine Toleranzschranke erlernt. Wird bei einer kontinuierlichen Messung diese Toleranzschranke unterschritten, so liegt mit großer Wahrscheinlichkeit eine Defektstelle vor. Des Weiteren wurde die Ausbreitung der Terahertz-Strahlung mit einem geeigneten mathematischen Modell simuliert, um künstlich Messdaten erzeugen zu können und somit Vorarbeit für einen Rekonstruktionsalgorithmus geleistet.
Durch Optimierung der Prüfgeschwindigkeit im Laufe des Projektes und anhand der entwickelten Anomalie-Detektion kann vorliegende Messtechnik im Extrusionsprozess eingesetzt werden, um das Extrudat inline zu analysieren und bei einer Abweichung von einem Sollwert Alarm zu schlagen.
Aktualisiert: 2023-03-28
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Gläser und Kristalle unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften grundlegend voneinander. Während die Moleküle im Kristall geordnet auf regelmäßigen Gitterpositionen sitzen, herrscht in der amorphen Struktur der Gläser Unordnung. Einer der bisher rätselhaftesten Unterschiede ist ein Absorptionsmaximum, das in amorphen Materialien universell im Bereich weniger Terahertz (THz) auftritt, in geordneten Systemen jedoch nicht zu beobachten ist. Es wird aufgrund seiner mit Streumethoden beobachtbaren Temperaturabhängigkeit häufig als "Boson Peak" (BP) bezeichnet.
Zur Klärung der Herkunft des BP und Charakterisierung der ihm zugrundeliegenden Schwingungen wurden sechs dipolare Vertreter der so genannten "plastischen Kristalle" untersucht. Dazu gehören Derivate des Cyclohexans und Cyclooctans sowie des käfigartigen Adamantans. Systeme aus dieser, auch für Anwendungen in zukünftigen Energie- und Wärmespeichern, äußerst interessanten Materialklasse nehmen unterhalb ihrer Schmelztemperatur einen außergewöhnlichen, "mesomophen" Zustand ein. Die Moleküle sitzen dort auf festen Gitterplätzen, bleiben aber in ihrer Orientierung frei und daher ungeordnet.
Es wurden Transmissionsexperimente mit THz-Zeitdomänen- und Ferninfrarotspektroskopie im relevanten Frequenzbereich von 0.2-20 THz und über einen äußerst breiten Temperaturbereich durchgeführt. Diese wurden durch Messungen mit dielektrischer Spektroskopie zu niedrigeren Frequenzen hin erweitert. Entstanden sind dadurch einzigartig breitbandige und detaillierte Spektren der komplexen Dielektrizitätskonstanten aus der flüssigen sowie sämtlicher festen Phasen, mit deren Hilfe der entscheidende Einfluss intermolekularer Bindungen und Schwingungen auf den BP aufgedeckt und so das Rätsel um dessen Entstehung schlüssig gelöst werden konnte.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Der weltweite Markt für Polymerschäume umfasste 2017 etwa 23,1 Millionen Tonnen, wobei bis 2019 ein weiteres jährliches Wachstum von 4,8 % prognostiziert wird. Die Hauptabsatzmärkte bilden die Bauindustrie und die Leichtbaubranche im Energie- und Mobilitätssektor, bei denen die guten thermischen und mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig reduziertem Gewicht genutzt werden. Ein Großteil dieser Schäume wird extrudiert und lediglich stichprobenartig, zeitaufwändig sowie teilweise zerstörend offline im Labor charakterisiert. Bis vor kurzem war in der industriellen Praxis kein messtechnisches Konzept bekannt, welches inline, d. h. direkt im laufenden Prozess, Informationen über den zellulären Aufbau sowie die Rohdichte, die maßgebliche Qualitätskriterien darstellen, liefern kann.
Im Zuge dessen wurde eine Messtechnik auf Basis der berührungslosen Terahertz-Technik erprobt und in einen Demonstrator überführt. Dabei wurde eine Vielzahl von Schaummaterialien verschiedener Hersteller untersucht. Es zeigte sich, dass bei der realisierten Inline-Berechnung des Brechungsindex von unbekannten Schäumen durch Anwendung einer entwickelten Kalibriergerade die Rohdichte ermittelt werden kann. Weiterhin konnte durch Betrachtung der frequenzabhängigen Streuung der Terahertz-Wellen auf die mittlere Zellgröße bzw. Zellgrößenverteilung geschlossen werden. Die Ergebnisse wurden mithilfe mikroskopischer und computertomografischer Untersuchungen verifiziert. Um diese zielgerichtet in die Industrie zu transferieren und die Anwenderakzeptanz zu erhöhen, wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Im Mittelpunkt stehen hierbei die Berücksichtigung von extrusionsbedingten Rahmenbedingungen wie etwa Feuchtigkeit auf das Terahertz-Signal und die Hinterlegung von wesentlichen Projekterkenntnissen.
Aktualisiert: 2020-01-27
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Die Bestimmung von Materialeigenschaften bildet die Grundlage für viele Anwendungen in Wissenschaft und Technik, die sich mit der Analyse und Detektion von Substanzen und Stoffgemischen befassen. Anhand dieser charakteristischen Eigenschaften könne Proben verglichen und eingeordnet werden. Die Analyse derartiger Materialeigenschaften im THz-Bereich ist dabei besonders vorteilhaft. Viele für die Materialanalyse relevante Stoffe weisen in diesem Spektralbereich spezifische Absorptionscharakteristika auf, typische Verpackungsmaterialien sind jedoch nahezu transparent. Durch Forschung und Entwicklung werden stetig neue Anwendungsgebiete für diese THz-Materialanalyse erschlossen. Dabei zeigt sich jedoch, dass die klassischen Verfahren zur Bestimmung der Materialeigenschaften aus spektroskopischen Messungen zunehmend an ihre Grenzen stoßen, da sie diese neuen Messsituationen nicht vollständig erfassen. Für vier solcher Fälle werden in dieser Arbeit die Einschränkungen existierender Methoden analysiert und entsprechend neue Verfahren entwickelt und verifiziert. Das erarbeitete rekursive Propagationsmodell ermöglicht die Beschreibung und Analyse von Mehrschichtsystemen mit beliebigen Schichtdickenkombinationen. Mit dem weiterentwickelten Prognoseverfahren lassen sich nicht nur die THz-Transmissionseigenschaften einer Probe vorhersagen, sondern auch die Anforderungen an das Messsystem bestimmen. Durch die eingeführte erweiterte Dünnfilmnäherung können nun auch dünne leitfähige Schichten unter Deckschichten korrekt analysiert werden. Die entwickelte materialmodellbasierte Zeitbereichsmethode reduziert die Fehler der ermittelten Materialeigenschaften um drei Größenordnungen und ermöglicht robuste Materialanalysen auch bei starken Absorptionslinien und Rauscheinflüssen. Diese neuen Verfahren überwinden die Einschränkungen etablierter Methoden und erweitern somit die Einsatzmöglichkeiten der THz-Materialanalyse für aktuelle und zukünftige Anwendungsgebiete.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Die Terahertz-Technologie erschließt permanent neue Forschungsbereiche und wird auch vermehrt im kommerziellen Bereich eingesetzt. Diese Entwicklung wird in eigenen Analysen dargestellt. Als Kernaspekte dieses Buchs werden technologische Verbesserungen für gepulste Terahertz-Systeme und der spektroskopische Einsatz für die Polymeranalytik vorgestellt. Einen besonderen Stellenwert nehmen dabei Untersuchungen an Polymermischungen im Schmelzezustand während der Prozessierung ein. Bemerkenswert ist hierbei das temperaturabhängige Verhalten von verschiedensten Polyamiden. Die Änderung der optischen und spektroskopischen Eigenschaften und die Einflussfaktoren werden tiefergehend betrachtet. Dabei werden verschiedene klassische und neuere Experimentalmethoden, Modellierungen und quantenchemische Simulationsmethoden eingesetzt, um insbesondere die intermolekularen Wechselwirkungen aufzuklären.
Aktualisiert: 2019-10-16
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Terahertz-Spektroskopiesystemen, unter der Zielsetzung, die Systeme als industrielle Sensortechnik marktfähig zu machen.
Im Rahmen der Arbeit werden neue Systemkonzepte entwickelt und untersucht. Die Verzögerungsstrecken als wichtige Schlüsselkomponenten sowie die Reflexionsanordnung der THz-Systeme stehen dabei im Mittelpunkt. Darüber hinaus werden potentielle Anwendungsszenarien beleuchtet, die einen Beitrag zur Akzeptanz und Etablierung der Systeme im industriellen Umfeld leisten können. Mit den THz-QTDS Systemen wird eine besonderes kostengünstige und vielversprechende Alternative betrachtet. Mit einem neuen Systemkonzept zeigen diese das Potential, langfristig als industrielle Messmethode am unteren Rand der Preisskala eingesetzt zu werden.
Aktualisiert: 2019-06-18
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Die rapide Entwicklung der Terahertz-(THz)-Technologie während der letzten Jahre ermöglicht den Einsatz in verschiedensten Industriezweigen. Kunststoffe und Keramiken sind nahezu transparent für elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich. Diese Eigenschaften prädestinieren diese Technologie für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen aus Kunststoff. Gegenüber konventionellen Prüfverfahren, welche typischerweise mit Ultraschallwellen oder Röntgenstrahlung arbeiten, bietet die THz-Strahlung viele Vorteile. Trotzdem wurden besonders dreidimensional bildgebende Verfahren mit THz-Strahlung bisher nur rudimentär untersucht und bieten nur wenig Indiz für das Potenzial zum Einsatz im industriellen Umfeld.
Aus diesem Grund wurde ein THz-Tomografie System entwickelt und implementiert. Das System besteht aus einer Quelle und mehreren Empfängern um transmittierte sowie reflektierte Strahlung zu detektieren. Die Entwicklung optimierter THz-Optiken ermöglicht die effiziente Detektion der zu messenden Signale. Erste Versuche zur Bildrekonstruktion aus gemessenen Daten verwenden konventionelle Algorithmen, adaptiert von Röntgen- und Ultraschall-Verfahren und zeigen eine hohe Anzahl an Bildartefakten, welche hauptsächlich aus den nicht berücksichtigten Welleneigenschaften der THz-Strahlung resultieren. Aus diesem Grund wurde ein hybrider Algorithmus entwickelt, welcher die physikalischen Eigenschaften der THz-Strahlung berücksichtigt und damit wesentlich weniger Bildartefakte erzeugt.
Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial der THz-Tomografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren in der Kunststoff-Industrie. Nicht nur Defekte wie Lufteinschlüsse und andere Verunreinigungen sondern auch Unterschiede in z. B. Füllstoff- und Feuchtegehalt können lokalisiert werden.
Aktualisiert: 2019-12-12
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In dieser Arbeit wird das Potenzial der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie als zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode für Kunststoffe ausgelotet. Dies umfasst die Bestimmung von Transmissionseigenschaften gebräuchlicher Basispolymere, von Compounds mit verschiedenen Zusatzstoffen sowie bildgebende Messungen an Prüfkörpern unterschiedlichster Geometrie und Zusammensetzung.Für Compounds aus LLDPE, PP und PA66 mit jeweils verschiedenen Additivkonzentrationen von Mg(OH)2, CaCO3 und Glasfasern hängt der mittlere Brechungsindex linear vom Volumenanteil des Additivs ab. In die transmittierte Intensität der THz-Strahlung geht neben der Menge auch die Größenverteilung der Additivteilchen ein. Größere Primärteilchen, aber auch Aggregate und Agglomerate führen aufgrund von Streuung der THz-Wellen zu höheren Absorptionskoeffizienten. Im Fall von anisotropen Materialien treten zusätzliche Abhängigkeiten von der THz-Strahlpolarisation auf.In bildgebenden THz-Messungen bewirken laterale Strukturgrößen bereits ab 1 mm eine Signatur. Damit lassen sich Wandstärken und Kerbtiefen komplex geformter Kunststofferzeugnisse sowie Additivkonzentration und Dispergiergüte flächiger Proben ortsaufgelöst bestimmen.
Aktualisiert: 2019-08-15
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Ziel ist der Entwurf von monolithisch integrierten Leistungsverstärkern für den Frequenzbereich von 200 bis über 250 GHz. Dafür sind verlässliche und flexible Leitungs- und Transistormodelle notwendig. Sie werden erstellt und ihre Genauigkeit wird bis 325 GHz bestätigt. Es wird ein Verstärkerkonzept erarbeitet, das maßgeschneidert für den Frequenzbereich und die MMIC-Technologie ist. Es nutzt einen neuartigen Koppler, der kompakte Verstärker mit hoher Bandbreite und Ausgangsleistung ermöglicht.
Aktualisiert: 2021-02-11
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Terahertzsysteme wurden in der Vergangenheit für ein breites Feld von Anwendungen demonstriert. Neben der wissenschaftlichen Materialforschung zeigt die THz-Technik ein hohes Potential in verschiedenen Bereichen der industriellen Messtechnik. Aktuelle Entwicklungen haben die genutzten Systeme bezahlbar gemacht, verschiedene Studien haben vielversprechende Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung und anderen industriellen Feldern gezeigt.
In der vorliegenden Arbeit werden aktuelle Entwicklungen industrietauglicher Terahertz-Systeme und mögliche Störeinflüsse im industriellen Einsatz diskutiert und verschiedene Anwendungsszenarien in der Elastomerverarbeitung vorgestellt. Neben grundlegenden Untersuchungen an den Materialien und ihrer Zusammensetzung werden Messungen an der Dispergiergüte in Elastomermischungen und eine Sonde zur Inline-Überwachung von Extrusionsprozessen zur Verbesserung der Materialprüftechnik demonstriert. Terahertz-Spektrometer werden als Werkzeug zur schnellen und genauen Fertigungsüberwachung empfohlen und bieten einen Echtzeit-Einblick in den Extrusionsprozess.
Aktualisiert: 2019-06-18
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