Bachelorarbeiten

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Erprobung einer neuartigen Werkstoffklasse gefertigt im Resin Transer Molding Verfahren. Der Verbundwerkstoff aus Holzlangspänen (Kiefer) als Faserwerkstoff und einem niedrigviskosen ungesättigten Polyesterharz (UP) als duroplastische Matrixkomponente erfüllt dabei hohe Ansprüche an die Nachhaltigkeit bezüglich nachwachsender Ressourcen sowie Kosteneffizienz aufgrund vergleichsweise stabiler und niedriger Rohstoffpreise. Durch Nutzung der anisotropen Eigenschaften des Holzes kann eine anwendungsoptimierte Auslegung als Konstruktionswerkstoff für den Anwendungsfall erfolgen. Von bislang genutzten Faser-Kunststoff-Verbunden unterscheidet sich der Werkstoff unter anderem dadurch, dass die Faserdichte geringer ist als die des Harzes und abhängig von Prozessparametern zwischen der Schüttdichte der Holzspäne und der Reindichte des Holzes variiert. Weiterhin wird durch Verwendung des Holzes in Spanform und somit unzerfasert eine Vorausrichtung der Holzfaser genutzt. Ausgehend von bisher verbreiteten konventionellen Holzwerkstoffen werden in dieser Bachelorarbeit Parallelen gezogen und Prüfmethoden zur Anwendung für Hochleistungs-Holzfaser-Kunststoff-Verbunde (HHKV) erarbeitet. Mit den Methoden der statistischen Versuchsplanung wird für die Herstellung und Prüfung des Werkstoffs ein vollfaktorieller Versuchsplan entwickelt, welcher die Untersuchung von Einflüssen dreier Faktoren auf die Werkstoffeigenschaften zulässt. Variiert werden dabei Spanausrichtung, Spangröße und Verdichtung anhand von reproduzierbaren Prozessparametern. Diesen Prozessparametern werden begründet Grenzen gesetzt und so ein definierter Versuchsraum erstellt. Zur Sicherstellung einer guten Bauteilqualität wird das Herstellverfahren durch Nutzung von VARTM, Compression RTM sowie Analyse des Harzaushärteverhaltens und der harzflussbedingten Spanbenetzung schrittweise optimiert und im Anschluss zur Herstellung aller für die Untersuchung der Werkstoffeigenschaften erforderlichen Proben genutzt. Aus diesen werden im weiteren Verlauf die Prüfkörper zur Eigenschaftsuntersuchung entnommen. Die Ermittlung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften erfolgt durch Messung von Dickenquellung, Rohdichte, Biegeelastizitätsmodul und Biegefestigkeit angelehnt an gängige Normen aus dem Bereich der konventionellen Holzwerkstoffe sowie durch Prüfung der verzugsbedingten Formabweichungen. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften des Werkstoffs werden dabei alle erforderlichen Parameter unter Berücksichtigung der Richtungsabhängigkeit ermittelt. Nach Auswertung der gewonnenen Einzelwerte führt eine Analyse der jeweils beteiligten signifikanten Effekte zu einer ersten Modellierung des Werkstoffverhaltens auf Basis linearer Regression.

Auswaschungen bei der Folienhinterspritzung führen zum Ausschuss der betreffenden Formteile. Die Arbeit hat zum Ziel die Ursache der Auswaschung zu Ergründen und diese in einer Modellansicht zu erfassen. Die Auswaschung entsteht auf Grund der aus dem Injektionsvorgang resultierenden Spannungs- und Temperaturbelastung der Dekorfolie. In der Versuchsdurchführung wurde die Entstehung der Auswaschung in einer Teilfüllstudie untersucht. Der Einfluss der verwendeten Materialien, PP und PC, auf das Auswaschungsabmaß wurde in einer vollfaktoriellen Versuchsdurchführung untersucht. Die aus den Versuchen resultierende Modelansicht besagt, dass die Auswaschung der Folie die Folge der Überschreitung der Grenzspannungen im Folienverbund ist. Die Foliendeformation wird dabei durch geometrische und stoffliche Kenngrößen bedingt.

Die Bewegung von Bauteilen in einer Maschine erfordert Energie, wobei die benötigte Energie mit der Masse ansteigt. Aufgrund dessen ist es für den Bau von Fahrzeugen aller Art dringend notwendig das Gewicht aller bewegten Teile auf ein Minimum zu reduzieren. Da diese jedoch auch über eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit verfügen müssen und diese nur durch eine massivere Bauweise erreicht werden kann, sind Metalle in Hinsicht auf nachhaltige Mobilität nur hinreichend geeignet. Eine gute Alternative hierfür bieten die Faserverbundkunststoffe. Diese weisen ein geringes Gewicht auf und können zugleich hohe Kräfte aufnehmen. Damit diese Bauteile jedoch dem Anspruch gerecht werden können ist eine annähernd perfekte Bauteilqualität erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, die Entstehung von Fehlstellen in einem FVK hinsichtlich unterschiedlicher Gewebegeometrien zu ermitteln. Dabei soll der Prozess zur Herstellung von duroplastischen Laminaten genauer untersucht werden. Der Zusammenhang zwischen den Tränkungseigenschaften und der Faserbündelgeometrie kann dadurch analysiert und wissenschaftlich dargestellt werden. Dafür werden Prozessparameter wie Fließfrontgeschwindigkeit, Gewebepermeabilität und Viskosität betrachtet und mit den Ergebnissen des Poren- und Faservolumengehalts, Kapillarzahl und Querschnittsgeometrie der Laminatproben in Verbindung gebracht. Zusätzlich wird der Tränkungsvorgang an einzelnen Faserbündeln mithilfe der Durchlichtmikroskopie analysiert, wodurch eine optische Überprüfung der Ergebnisse möglich ist.

Das Thema Leichtbau ist in den letzten Jahren hauptsächlich im Fahrzeugbau immer wichtiger geworden. Die Kombination von verschiedenen Werkstoffen in einem Hybridbauteil zeigt ein hohes Leichtbaupotenzial. Eine Möglichkeit dieser Mischbauweise ist ein Aluminiumschaum-Thermoplast-Hybridverbund. Dieser überzeugt durch die guten mechanischen Eigenschaften und vor allem dem geringen Gewicht. Beim Herstellungsprozess kann es jedoch beim Spritzgießen zum Eindringen von Kunststoffschmelze in den Aluminiumschaum kommen. Die dadurch entstehende Schädigung verringert durch Zunahme der Verbunddichte das Leichtbaupotenzial. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, die Auswirkungen der Fließeigenschaften der verwendeten Thermoplaste auf diesen Verbund zu untersuchen. Hierbei werden zuerst die Zusammenhänge zwischen den rheologischen Größen und den Prozessparametern anhand einer Literaturrecherche erarbeitet. Darauf aufbauend werden weitere Kunststoffe ausgewählt und ein statistischer Versuchsplan aufgestellt. Zudem wird eine Ausgangshypothese über die erwarteten Ergebnisse aufgestellt. Zusätzlich wird eine Simulation durchgeführt, um zu überprüfen, ob eine Vergleichbarkeit von simulierten und praktischen Versuchen grundsätzlich möglich ist. Nach Durchführung aller Versuche wird ausgewertet, wie stark sich die Fließeigenschaften eines Kunststoffs hauptsächlich auf den Füllgrad und gegebenenfalls die Schädigung auswirken. Zuletzt werden die Ergebnisse mit der ursprünglichen Hypothese verglichen.

Die Reduzierung von Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen wird immer wichtiger. Ein neuer Ansatz besteht darin, Luftklappensteuerungen in Fahrzeugen einzusetzen. Diese Luftklappensteuerungen befinden sich im Frontbereich, meist zwischen Ziergrill und Kühler eines Personen- oder Lastkraftwagens. Bei geschlossenen Klappen wird die Luft um das Fahrzeug gelenkt und das Einströmen der Luft in den Motorraum verhindert. Dadurch verringert sich der Widerstandsbeiwert des Fahrzeuges, wodurch eine Kraftstoffersparnis und die damit verbundene Reduzierung des CO2-Ausstoßes hervorgerufen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist die schnellere Erwärmung des Motors bei einem Kaltstart. Die Kühlung des Motors kann durch eine Öffnungsbewegung der drehbar gelagerten Klappen erfolgen, wodurch Außenluft in den Motorinnenraum gelangen kann. Das Drehmoment wird von einem Schrittmotor bereitgestellt. Da nur ein begrenztes Drehmoment zur Verfügung steht, ist es notwendig, schon während der Konstruktion der Luftklappensteuerung das maximal auftretende Drehmoment zu kennen. In einer frühen Konstruktionsphase soll das Moment aus den vorhandenen geometrischen und materialspezifischen Größen unter Einbeziehung der Fahrgeschwindigkeit bestimmt werden. Es wird ein theoretisches Berechnungsmodell zur Drehmomentbestimmung aufgestellt und mit einem Fahrversuch abgeglichen.