Für die Herstellung von Bindemittel- und Kunststofffreien Naturfaserformteilen stehen die Prozesse Faserguss und Pressspan zu Verfügung. Beide sind durch klare Nachteile geprägt. Außerdem besteht zur Herstellung von Naturfaserformteilen eine Entwicklungslücke. Ua. diese bedingt, dass Naturfaserformteile wenig angewendet werden. Das in dieser Arbeit entwickelte Verfahren der Vakuumpresstrocknung ermöglicht es auf eine neuartige Weise Naturfaserformteile herzustellen. Neben der Entwicklung selbst, werden Vergleiche zu herkömmlichen Herstellungsmethoden gezogen, die Prozessparameter untersucht, Trocknungsspezifiken diskutiert und ein Umweltwirkungsvergleich durchgeführt. Als Demonstrationsobjekt wird ein Freischwinger Panton Chair als Faservariante hergestellt.:Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Werkstoff des 19. Jahrhunderts 1 1.2 Motivation und Zielsetzung 3 1.3 Struktur der Arbeit 4 2 Stand der Technik 7 2.1 Nachhaltiges Wirtschaften und Werkstoffe 7 2.1.1 Ziele und Strategie der Bioökonomie 7 2.1.2 Vergleich der Naturfaserstoffe zu Kunststoffen 9 2.2 Materialien und Methoden zur Herstellung von Formteilen 13 2.2.1 Rohstoffe für Faserformteile 13 2.2.2 Urformender Fasergussprozess und dessen Trocknung 15 2.2.3 Presstrocknung sogenannter Pressspanerzeugnisse 19 2.2.4 Weiterentwicklung der Faserformverfahren 21 2.3 Trocknung relevanter Naturstoffe 24 2.3.1 Begriffe Feuchte, Wassergehalt und Trockengehalt 24 2.3.2 Trocknungsarten 24 2.3.3 Trocknung hygroskopischer kapillarporöser Stoffe 26 2.4 Zusammenfassung des Standes der Technik 29 3 Entwicklung der Vakuumpresstrocknung 31 3.1 Ideenentwicklung 31 3.1.1 Verfahrensanforderungen 31 3.1.2 Technischer Widerspruch 33 3.1.3 Lösungsprinzip Vakuum 35 3.2 Umsetzung der Vakuumpresstrocknung 37 3.2.1 Technische Veränderungen 37 3.2.2 Aufbau und technische Materialien 38 3.2.3 Ablauf der Vakuumpresstrocknung 40 4 Untersuchung der Vakuumpresstrocknung 43 4.1 Test der Funktion 43 4.1.1 Referenz Rapid-Köthen-Prozess 43 4.1.2 Materialien und Methoden des Funktionstests 43 4.1.3 Ergebnisse des Rapid-Köthen-Vergleiches 46 4.2 Priorisierung der Einflussgrößen 50 4.2.1 Einflussgrößen der Vakuumpresstrocknung 50 4.2.2 Material und Methode der Einflussgrößenuntersuchung 51 4.2.3 Ergebnisse der Priorisierung 53 4.3 Berechnung der Trocknungszeit 56 4.3.1 Material und Methode der Trocknungszeitberechnung 56 4.3.2 Versuchsdurchführung zur Bestimmung der Trocknungszeit 57 4.3.3 Ergebnisse der Trocknungszeitbestimmung 58 4.3.4 Beurteilung der Güte des Regressionsmodells 60 4.4 Charakteristik der Vakuumpresstrocknung 61 4.4.1 Grundprinzip der Reduzierung des Systemdruckes 61 4.4.2 Phasen der Vakuumpresstrocknung 62 4.4.3 Trocknungsgeschwindigkeit 66 4.4.4 Wärme- und Stofftransport der Vakuumpresstrocknung 69 4.5 Zusammenfassung der Verfahrensuntersuchungen 75 5 Materialspezifische Effekte bei der Vakuumpresstrocknung 77 5.1 Verwendete Fasermaterialien 77 5.2 Verarbeitungs- und Untersuchungsmethoden der Fasermaterialien 79 5.2.1 Untersuchung der chemischen Zusammensetzung 79 5.2.2 Morphologische Untersuchungen 80 5.2.3 Untersuchung der Entwässerungseigenschaften 80 5.2.4 Herstellung und Untersuchung von Blättern und -Platten 81 5.3 Ergebnisse der Fasermaterialvariation 84 5.3.1 Faser- und Faserstoffeigenschaften 84 5.3.2 Eigenschaften der Materialproben 89 5.3.3 Beeinflussung der Trocknung durch Materialart und -formation 96 5.4 Zusammenfassung der Fasermaterialvariation 102 6 Anwendung der Vakuumpresstrocknung 105 6.1 Auswahl des Objektes 105 6.2 Herstellung des Panton Chair als Demonstrator 105 6.3 Trocknungstemperatur in Theorie und Praxis 108 7 Ökonomische Einordnung der Vakuumpresstrocknung 111 7.1 Ziel und Durchführung der Untersuchung 111 7.2 Kostenvergleich 113 7.2.1 Vergleich zur Pressspan-Bandagentrocknung 113 7.2.2 Vergleich zu 3D Druck und Spritzguss 115 7.2.3 Maßnahmen der Kostensenkung 117 8 Umweltwirkung des Demonstrators 121 8.1 Ziel und Untersuchungsrahmen 121 8.1.1 Zielstellung 121 8.1.2 Untersuchungsrahmen 122 8.2 Sachbilanz und Wirkungsabschätzung 125 8.2.1 Verarbeitung Kunststoff 125 8.2.2 Recycling 127 8.3 Zusammenfassung der Umweltwirkung 132 9 Zusammenfassung 133 Literaturverzeichnis 137 Abbildungsverzeichnis 147 Tabellenverzeichnis 151 Anhang 155

Die Regeneration und Rekonstruktion von Knochendefekten stellt eine klinische Herausforderung dar. Überschreitet ein knöcherner Defekt eine kritische Größe, ist das Regenerationsvermögen des Körpers nicht ausreichend, um den Defekt vollständig mit Knochengewebe zu schließen. Um das Einwachsen von Bindegewebe und den Verlust der Stützfunktion des Knochens zu verhindern, ist es notwendig, einen solchen Defekt mit einem Knochenersatzmaterial zu versorgen. Bei Patienten mit einer systemischen Skeletterkrankung, wie Osteoporose, liegen erschwerte Bedingungen für den Heilungsprozess vor. Osteoporose bedingt ist die Remodellierung des Knochens beeinträchtigt. Dies äußert sich in einer verzögerten Knochenheilung sowie in einer veränderten Knochenarchitektur und entstehenden Mikrofrakturen. Die Kombination aus der Fragilität des osteoporotischen Knochens und einer altersbedingten erhöhten Sturzgefahr resultiert in einem mit zunehmendem Alter steigenden Frakturrisiko. Knochendefekte und pathologische Frakturen, die Patienten im Verlauf einer postmenopausalen oder altersbedingten Osteoporose entwickeln, betreffen häufig die Wirbelsäule oder den Schenkel-hals. Die nur langsam oder nahezu nicht heilenden Frakturen gehen nicht nur mit Schmerzen einher, sondern schränken die Patienten auch funktionell in ihrem Alltag ein und können zur Pflegebedürftigkeit und Bettlägerigkeit führen. Die medizinische Versorgung solcher Defekte und Frakturen mit geeigneten Knochenersatzmaterialien ist nicht nur eine klinische, sondern eine interdisziplinäre Problemstellung.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der komplexen Belastungssituation beim Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression von Karton innerhalb geeigneter Ersatzversuche und deren Validierung mit Hilfe eines empirischen Models. Das Tiefziehen mit unmittelbarer Kompression stellt eine Möglichkeitzur Herstellung von dreidimensionalen Hohlkörpern mit hohem Umformgrad aus naturfaserbasierten, flächigen Halbzeugen mit geringem Vorfertigungsgrad dar.Aufbauend auf der Darstellung und Abgrenzung des Umformverfahrens werden relevante Prozessgrößen und deren Charakterisierung durch geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Wissenschaft recherchiert und bewertet. Zudem werden Möglichkeiten erörtert, die Ergebnisse der Ersatzversuche mit den Daten aus dem Umformverfahren zu vergleichen. Aus den technischen und wissenschaftlichen Defiziten ergibt sich die Zielsetzung und weitere Vorgehensweise dieser Arbeit.Zur Lösung der Problemstellung werden den identifizierten Prozessgrößen geeignete Ersatzversuche aus dem Stand der Technik zugeordnet bzw. neue Ersatzversuche entwickelt und im Rahmen eines modularen Versuchsstandes technisch umgesetzt. Zur Vorbereitung der experimentellen Analyse der ausgewählten Ersatzversuche werden Referenzversuche mit dem Umformverfahren innerhalb festgelegter Parametergrenzen durchgeführt. Bei der anschließenden Durchführung der Ersatzversuche wird vor allem die Verlässlichkeit der Ergebnisse berücksichtigt, indem die Anzahl der Versuche jeder Versuchsreihe an die Ergebnisauswertung angepasst wird.Durch die Modifikation des Umformverfahrens können die Ergebnisse der Ersatzversuche innerhalb eines stufenweise komplexer werdendes, empirischen Modelsmit denen des Referenzversuchs verglichen und bewertet werden. Die Charakterisierung der Prozesskraftkomponenten wird für vier faserbasierte Materialien durchgeführt,die teilweise mit einer polymeren Funktionsschicht ausgestattetsind.Abschließend werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst dargestellt und daraus folgende Forschungsansätze abgeleitet. / The purpose of this thesis is to present a newly developed method to investigate thecomplexload situation during the deep-drawing of paperboard within suitable substitute tests and its validation withinan empirical model.Deep drawing with direct compression represents analternativefor the production of three-dimensional traysfrom natural, fiber-based materials with a low degree of prefabrication.Based on the definition and description of the deep-drawing process within the literature, relevant process forces and associated substitute tests are identifiedand discussed. In addition, approachesare discussed to compare the results of the substitute tests with the data from the deep-drawingprocess. The objective and further procedure of this thesisresults from the technical and scientific deficits.The approach of this thesisis it to present a new, modular testing rig based on the substitute test which were chosen from the literature or were newly developed.In preparation ofthe experimental analysis of the selected substitutetests, reference tests are carried out with the forming process within specified parameter limits. In the subsequent implementation of the substitutetests, the reliability of the results is consideredabove all by adapting the number of tests in each test series parallel to the evaluation of the results. By modifying the forming process, the results of the substitute tests can be compared and evaluated with those of the reference test within an empirical model that becomes progressively more complex. The characterization of the process force components iscarried out for four fiber-based materials, some of which are equipped with a polymer functional layer.Finally, the results of this work are summarized,and the following research approaches are derived from them.

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.:1. EFFEKT - Effiziente Fertigungsprozesse für endkonturnahe Thermoplastverbundbauteile; Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 2. Beanspruchungsgerechte Faserverbundstrukturen aus Hybridgarn-Textil-Thermoplasten (HGTT); Dipl.-Ing. Michael Krahl, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 3. Automatische Zuschnittgenerierung und Strukturfixierung für textile Verstärkungsstrukturen; Dr.-Ing. Nuoping Zhao, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik 4. Trennen von technischen Textilien mittels Plasma; Dr.-Ing. Katerina Machowa, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 5. Automatisierung des Modellverarbeitungsprozesses; Dipl.-Ing. Christian Friedrich, Dipl.-Ing. Mirko Riedel, Dipl.-Ing. Christer Schenke, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 6. Prozessbegleitende Qualitätssicherungsmaßnahmen für eine automatisierte presstechnische Fertigung; Dipl.-Ing. Sirko Geller, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 7. Konzept für ein quasiangetriebenes Werkzeug (QAW); Dipl.-Wirt.-Ing. Kanchalika Borriboon, Institut für Formgebende Fertigungstechnik 8. Potenziale von MELATO-Werkzeugen für Heißpressen; Dr.-Ing. Hanno Kötter, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 9. Integration betriebswirtschaftlicher Anforderungen in den Forschungsprozess; Dipl.-Kfm. Thomas Niemand, Lehrstuhl für Marketing

Digitally controlled inkjet printing technology has attractive features for the production of catalyst coated membranes (CCM) for application either in electrolysers or in fuel cells. There are a number of unique features: pattern like coating for effective use of expensive materials like platinum or iridium, direct deposition onto membrane material, non-impact printing, easy change of pattern design, and ability to generate catalytic gradients. Employing inkjet printing technology enables the manufacturing of catalytic layers as well as other components. The challenges are to evaluate process-compatible inks as well as processing parameters. / Die digital gesteuerte Inkjetdrucktechnologie hat attraktive Eigenschaften für die Herstellung von katalysatorbeschichteten Membranen (CCM), die entweder in Elektrolyseuren oder in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Es gibt eine Reihe einzigartiger Merkmale: mustergenaue Beschichtung für den effektiven Einsatz teurer Materialien wie Platin oder Iridium, direkte Bedruckung des Membranmaterials, berührungsfreies Drucken, einfache Änderung des Druckdesigns und die Fähigkeit, katalytische Gradienten zu erzeugen. Der Einsatz der Inkjetdrucktechnologie ermöglicht die Herstellung von katalytischen Schichten und anderen Komponenten. Die Herausforderungen bestehen darin, prozesskompatible Tinten sowie Verarbeitungsparameter zu evaluieren.

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. / Because of their excellent properties, thermosets can be applied in a bright range of industrial applications. Especially thermoset molding compounds can be processed highly effective by injection molding, which enables them to substitute metals or high performance thermoplastics. But there is a deficit in process understanding, which limits the industrial application. The objective of this work is the investigation and analysis of the process induced material structure of injection molded technical phenolic components. Therefor the filling of the cavity with the resulting fiber orientation and the chemical processes during post-curing were examined. A parameter variation with injection molded plate and tensile specimens were done and the resulting material structure and the effect on the component properties were analyzed. The results show a big influence of the process parameter and the material on the flow condition during the filling of the cavity. Thereby also the fiber orientation is affected. This leads to process-depending local and direction-depending properties. In addition, this work shows an alternative method for post-curing to avoid the decrease of mechanical properties.

Ce travail de thèse, s'inscrit dans un accord co-tutelle entre l’École Polytechnique de Thiès du Sénégal, et de l'Université de Franche-Comté. Il a été réalisé au Département de Mécanique Appliquée de l'institut FEMO-ST à Besançon (France). [...]L'objectif de cette thèse est de contribuer à la caractérisation du comportement thermo-hygro-mécaniques des fibres libériennes élémentaires issues du chanvre. Les fibres élémentaires testées dans ce travail ont des diamètres extérieurs moyens d'environ 20µm et des longueurs utiles de l'ordre de 10mm. Des essais couplant des chargements mécaniques, hygroscopiques et thermiques sont réalisés afin d'apporter des éléments de compréhension sur le comportement des fibres et de collecter une base de données sur leurs performances mécaniques.Trois types de comportement sont identifiés sur les fibres en traction quasi statique en fluage pour les différents niveaux hygro-thermique testés. Une rigidification de la fibre est révélée sous chargements cycliques progressifs dans des conditions environnementales constantes. Une chute du module d' Young initial de la fibre est remarquée quand l'humidité relative augmente. Une accélération de la vitesse de déformation différée de la fibre est obtenue en fluage lorsque des cycles d'humidité relative sont appliqués. Une baisse des propriétés mécaniques des fibres sous l'effet de la température est également observée. Elle dépend directement du niveau de la durée de l'exposition à la température. / The thesis work joins in the framework in joint supervision between the Polytechnic school in Thies (Sénégal) and the University of Franche-Comté (France)[...]The aim of this thesis is to contribute to the characterization of thermo-hygro-mechanical behaviour of elementary hemp fibres. These fibres used in this work have an average diameter approximately 20µm and useful length of only 10 mm. The méchanical, hygroscopic and thermal coupling testing are realized to provide some understanding of the behaviour of the hemp fibres and to collect details from a database on their mechanical performance.From the uniaxial quasi static tensile tests and creep tests, three categories of behaviours are measured and observed. How ever subject to constant environmental conditions, a fibre hardening is observed under cyclic tensile loading. It was also found that a drop of the initial Young 's modulus of the hemp fibres when the relative humidity gradually increases. Thus, the strain rates measured on the fibres during creep exhibited a speeding up relative humidity cycles are imposed . We found also that the mechanical properties of the fibres decrease under temperature effects. It depends directly on the level and exposure time to temperature

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.

De nos jours, l’essor de la miniaturisation est un paramètre clé pour la réalisation de microsystèmesde plus en plus complexes. Les recherches sur l’élaboration de matériaux « intelligents », onttoujours suscité un grand intérêt. Dans ce cadre, on se propose d’étudier l’alliage à mémoirede forme magnétique Ni2MnGa sous la forme de couche mince. Ce matériau a la propriétéparticulière de répondre aux sollicitations mécaniques, thermiques et magnétiques. Le couplage deces effets permettrait l’élaboration de micro-actionneurs usuellement réalisés à partir d’assemblagescomplexes. Cette étude pluridisciplinaire traite de l’influence des paramètres d’élaboration sur lespropriétés fonctionnelles des couches minces. L’originalité de ce travail de thèse réside dansl’emploi de substrats en silicium dans la perspective d’une transposition technologique. Un procédéd’élaboration par PVD a été qualifié afin d’obtenir un film aux propriétés AMF magnétique / Nowadays, the miniaturization development is a key parameter in order to fabricate increasinglycomplex microsystems. Research on smart materials aroused a great interest. In this context, westudy the magnetic shape memory alloy Ni2MnGa as a thin layer. This material can be activatedby mechanical, thermal and magnetic stresses. The coupling of these effects would allow thedevelopment of micro-actuators usually made from complex assemblies. This multidisciplinary studyfocuses on the impact of the process on the functional properties of thin films. The originality of thiswork lies in the use of silicon substrates in the context of a technological implementation. A methoddeveloped by PVD was qualified to obtain a film with magnetic shape memory alloy properties.

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