SKZ – Forschung und Entwicklung

Terahertz-Tomografie in der Extrusion von Kunststoffhalbzeugen

/Reihe/Sonstiges

Chronologie aller Bände (1 - 4)

Reihe: SKZ – Forschung und Entwicklung

Die Reihenfolge beginnt mit dem Buch "Terahertz-Tomografie in der Extrusion von Kunststoffhalbzeugen". Wer alle Bücher der Reihe nach lesen möchte, sollte mit diesem Band von Marcel / Meiser Mayr beginnen. Der zweite Teil der Reihe "Wärmeströme beim Heizelementschweißen von Kunststoffen" ist am 09.08.2022 erschienen. Mit insgesamt 4 Bänden wurde die Reihe über einen Zeitraum von ungefähr 2 Jahren fortgesetzt. Der neueste Band trägt den Titel "TECMAT".

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  • Start der Reihe: 23.07.2021
  • Neueste Folge: 18.12.2023

Diese Reihenfolge enthält 3 unterschiedliche Autoren.

Cover: Terahertz-Tomografie in der Extrusion von Kunststoffhalbzeugen

Terahertz-Tomografie in der Extrusion von Kunststoffhalbzeugen

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.
Cover: Wärmeströme beim Heizelementschweißen von Kunststoffen

Wärmeströme beim Heizelementschweißen von Kunststoffen

Im Rahmen des FloWeld-Projekts wurden Wärmestromsensoren in eine Heizelementstumpfschweißanlage für Kunststoffe integriert und für umfassende Versuchsreihen genutzt. Dabei wurden Korrelationen von gemessenen Wärmeströmen, Prozessparametern und den resultierenden Schweißnahtqualitäten untersucht. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Wärmestrommesstechnik komplementär zu bereits genutzter Prozessüberwachung, wie z. B. Druck- und Wegsensoren, in den Heizelementschweißprozess integriert werden kann. In vielen der betrachteten Fälle stimmte der gemessene Wärmeübertrag gut mit theoretischen Modellen aus der Literatur überein. Besonders sensibel reagierte der gemessene Wärmestrom auf Veränderungen der Heizelementtemperatur, der Kontaktzeit von Heizelement und Kunststoff sowie der Beschaffenheit der Kunststoffoberfläche. Detektierbare, mit dem Anpressdruck assoziierte Prozessfehler waren ein unvollständiger Kontakt von Heizelement und Kunststoff oder übermäßiger Quetschfluss bzw. Wulstbildung während der Angleichphase. Korrelationen des Wärmestromsignals waren im Falle des teilkristallinen Werkstoffs PP-H auch mit Hinblick auf die Schmelzeschichtdicke am Ende der Anwärmphase feststellbar. Hierbei konnte gezeigt werden, dass theoretische Modellierung, mikroskopische Vermessungen und gemessene Wärmeströme ein insgesamt stimmiges Bild ergeben, das dem bestehenden Prozessverständnis entspricht. Die im Projekt erhobenen Daten wurden außerdem für das Trainieren verschiedener maschineller Lernverfahren genutzt, die als Zielgröße den Schweißfaktor vorhersagen sollten. Als das Modell mit der höchsten Genauigkeit bzw. dem geringsten Fehler bei der Vorhersage stellte sich dabei der Random Forest heraus.
Cover: Hybridverbindungen mit metallischen SLM-Strukturen

Hybridverbindungen mit metallischen SLM-Strukturen

Die Arbeit untersuchte zum einen den Einfluss unterschiedlicher Metall-Kunststoffkombinationen und den Prozessbedingungen bei der Herstellung auf die Verbindungsfestigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeitsentwicklung weniger durch adhäsiven Verbund, sondern mehr durch Formschluss mit Oberflächenstrukturen erfolgt. Die gezielte Erhöhung von Rauheit oder Porosität hatte nur geringen Einfluss auf die Verbindungsfestigkeit, wobei zu hohe Porosität die Festigkeit minderte. Die Untersuchung der additiven Oberflächenstrukturierung des Metalls zeigte, dass bei Fügeverbindungen mit den meisten Kunststoffen eine Strukturhöhe von 0,5 mm, eine Strukturbreite von 0,6 mm und ein Strukturabstand von 1,2 mm zu den höchsten Verbindungsfestigkeiten führte. Jedoch unterscheiden sich die Ergebnisse beim Organoblech aufgrund des hohen Fasergehalts. Hier dürfen die Strukturen nicht zu breit sein und auch einen gewissen Mindestabstand aufweisen, damit eine die Glasfaserbündel mit der Struktur interagieren können.
Die Strukturgeometrie wurde ebenfalls variiert, wobei der Kopfzug die kritischste Belastungsrichtung war. Eine Pilz-Struktur zeigte die bestens Kopfzugfestigkeiten bei PA-Organoblech und Polycarbonat von bis zu 25 MPa. Dies ist auf einen ausreichend dimensionierten Hinterschnitt zurückzuführen.
Die Verbindungen erwiesen sich als beständig gegenüber beschleunigter Alterung durch Temperaturlagerung, Thermoschock- und Klimawechseltest.
Beim Direktfügeprozess erwies sich das Infrarotfügen besser als das Heizelementfügen für bestimmte Kunststoffe. Zukünftig sind schnellere und wirtschaftlichere Fügeverfahren wie das Pulverauftragsschweißen und schnelle Aufheizraten mittels Induktionserwärmung interessant.
Cover: TECMAT

TECMAT

Im Projekt TECMAT wurden durch die drei Forschungseinrichtungen SKZ – KFE gGmbH Würzburg, ICT Fraunhofer Pfinztal und Centexbel (CTB) in Belgien, Gent-Zwijnaarde Untersuchungen durchgeführt, um durch Kohlenstoffe in unterschiedlicher Form elektrisch und thermisch funktionalisierte Thermoplastcompounds für Bereiche der Verarbeitungsprozesse zu eröffnen, welche bisher durch die systematisch eingeschränkte Fließfähigkeit nicht möglich waren. Die wesentliche Erweiterung der Verarbeitbarkeit sollten erreicht werden durch eine sog. Koaleszenz, also eine gezielte Ausnutzung der Mischung inkompatibler Thermoplastschmelzen, von der eine Komponente für eine hohe Leitfähigkeit, die andere Komponente für eine niedrige Viskosität sorgt.
Die betrachteten Materialien waren ausgewählte, am Markt verfügbare Kohlenstoffe in Form von Nanopartikeln, Rußen und Graphiten in unterschiedlichen Konstitutionen sowie ausgewählte, am Markt verfügbaren Thermoplaste mit unterschiedlich definierten Fließfähigkeiten. Die Mischungen wurden mit Hilfe der Verfahren der Kunststofftechnik hergestellt und zu Prüfteilen verarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass sich Polypropylen beim Compoundieren zu einer funktionalisierten, hoch leitfähigen Basiskomponente grundsätzlich eher eignet als Polyamid 12 oder Polystyrol. Um im Spritzgießen die angestrebten Leitfähigkeiten zu erreichen, besteht allerdings ein weiterer Forschungsbedarf.
Ein elektrisch funktionalisiertes PP-Compound wurde erfolgreich durch die Verfahren Folienextrusion und Thermoformen verarbeitet. Nach Abschluss des Projektes TECMAT stehen der interessierten Industrie an den Forschungseinrichtungen die beschriebenen Werkzeuge für Demonstratorbauteile im Spritzgießen und Thermoformen zur Verfügung.

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