Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2006.

Zugl.: Kassel, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2007

The thesis project has been carried out in collaboration with Saab training and simulation in Huskvarna, which manufactures military training products. The aim of the project was to investigate the possibility of using additive manufacturing as the method for future manufacturing for the small arms transmitter bracket (SAT-bracket, a bracket for gun) to reduce lead time, cost and weight. A physical product has been developed through the Selective Laser Melting technique (SLM), where the least possible amount of support structures has been achieved for the selected build orientation. To be able to optimize the design with the help of lattice structures, knowledge of the technology has been acquired through information searched on scientific texts and websites. Identification of strengths and weaknesses in the development process and the possibility of using a more favorable material for the application were documented to be evaluated against a traditionally manufactured component. The final designs have been modeled using two different design methods, both in which had reduced the weight between 28-44% where the stiffness is in the likes of the reference product. The conclusion drawn from the work is that additive manufacturing is a manufacturing method   that for the SAT-bracket is a favorable alternative for smaller production volume.

Trotz vielseitiger ökologischer und wirtschaftlicher Vorteile von Wasser werden beim keramischen Nassformgebungsprozess Foliengießen auf Grund von Problemen bei der Herstellung homogener Schlicker industriell vorwiegend noch organische Lösungsmittel verwendet. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung wässriger Schlickerzusammensetzungen, wobei ein grundlegendes Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen den Schlickerkomponenten (Lösungsmittel Wasser, keramisches Pulver, Dispergiermittel, Bindersystem) sowie deren Auswirkungen auf die Fließeigenschaften der Schlicker und die Grünfolieneigenschaften gewonnen werden sollte. Als keramisches Pulver wurde Bariumtitanat (BaTiO3) ausgewählt, da es eine Basiskomponente für die Herstellung keramischer Vielschichtkondensatoren, einem wichtigen Einsatzgebiet des Foliengießprozesses, darstellt. Grundlegende Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die BaTiO3-Partikel in Wasser nicht inert verhalten und es zur Freisetzung von Ba2+-Ionen sowie zu einem Anstieg des pH-Wertes ins Basische kommt. Auf Grund der Readsorption der Ba2+-Ionen auf den Pulveroberflächen weisen die Partikel auch im Basischen ein positives Zeta-Potenzial auf, dessen Größe aber nicht ausreicht, um eine elektrostatische Dispergierung der Pulverpartikel zu gewährleisten. Mit einem Polymethacrylat sowie einem Block-Copolymer konnten jedoch zwei Dispergiermittel ermittelt werden, die über einen elektrosterischen bzw. einen überwiegend sterischen Mechanismus eine gute Dispergierung des BaTiO3-Pulvers in wässrigen Suspensionen ermöglichen. Durch die Kombination der Dispergiermittel mit drei verschiedenen Bindertypen (je ein teil- bzw. voll-hydrolysierter Polyvinylalkohol als Lösungsbinder sowie ein Latex-Dispersionsbinder) sind vier wässrige Schlickersysteme mit sehr unterschiedlichen Fließeigenschaften (Newtonsch bis stark strukturviskos) entwickelt worden. Als Ursache der Fließcharakteristika konnten von der Additivkombination (Dispergiermittel – Binder) abhängige, spezifische "innere" Strukturen der jeweiligen Schlicker abgeleitet werden, die auf Wechselwirkungen zwischen den organischen Additiven, ausgelaugten Ba2+-Ionen und BaTiO3-Partikeln beruhen. Diese erhöhen die Viskosität der Schlicker bei kleiner bis mittlerer Scherbelastung und bestimmen somit deren Strukturviskosität. Die Strukturen konnten im Weiteren auch mit mikrostrukturellen Grünfolieneigenschaften korreliert werden, wobei eine starke "innere" Struktur die Verdichtung der Schlicker beim Trocknen behindert und dadurch zu einer geringen Pulverpackungs- und Gründichte sowie zu einer hohen Porosität und starken Oberflächenrauigkeit führt. Für den bei der Schlickerentwicklung wichtigen Einfluss des Binder- und BaTiO3-Gehaltes auf das Viskositätsniveau ist bei den Schlickern mit PVA-Binder eine exponentielle Abhängigkeit ermittelt worden, die im untersuchten Konzentrationsbereich in beiden Fällen primär durch die absolute Konzentration des auf den BaTiO3-Gehalt bezogenen Binderanteils im Schlicker bestimmt wird. Der Einfluss des Feststoffgehaltes ist dagegen im Vergleich zu dem des Binders gering. Da die Binderpolymere auch den Aufbau der Schlickerstrukturen mitbestimmen, wird durch deren Konzentration außerdem die Strukturviskosität der Schlicker beeinflusst, während diese von der Feststoffkonzentration nicht verändert wird. Bei Schlickern mit Latex-Binder zeigte sich, dass für die Abhängigkeit der Schlickerviskosität vom Binder- und Feststoffgehalt die Latexpartikel ebenfalls als Feststoff zu betrachten sind. Eine gute funktionelle Beschreibung konnte über eine Krieger-Dougherty-Gleichung erreicht werden. Die im Vergleich zu den PVA-Bindern geringere Viskosität des Latex-Binders ermöglichte dabei Schlicker mit deutlich höheren BaTiO3-Gehalten (~ 40-45 Vol.%) als bei Schlickern mit PVA-Binder (~ 25-30 Vol.%). Mit den in dieser Arbeit entwickelten Additivkombinationen stehen somit Schlickerzusammensetzungen mit spezifischen Fließeigenschaften für das wässrige Foliengießen zur Verfügung. Diese können auf der Basis der ermittelten Zusammenhänge zwischen Viskositätsniveau und Binder- bzw. Feststoffgehalt optimal und gezielt an die Anforderungen eines Gießverfahrens und der Grünfolien angepasst werden. Das über die abgeleiteten Schlickerstrukturen erhaltene, grundlegende Verständnis für die Einflüsse und Wechselwirkungen der Schlickerkomponenten ermöglicht im Weiteren, Probleme sowie spezifische Anforderungen eines Foliengießprozesses zu lösen. / Due to problems with the homogenization of water based slurries, organic solvents are still commonly used in industrial tape casting processes. In order to profit from the various economic and ecological advantages of water it was therefore the aim of this investigation to develop and characterize water based slurry compositions. Hereby a basic understanding of the interactions among the slurry components (water as solvent, ceramic powder, dispersant, binder system) and their influences on the flow properties of the slurries and the characteristics of the dried green tapes was to be gained. Barium titanate (BaTiO3) was chosen as ceramic powder, as it is the base component for most ceramic multi-layer capacitors, which are usually prepared by tape casting. Basic investigations have shown that the BaTiO3-powder is not stable in water. High amounts of Ba2+-ions are dissolved and the pH-value of the solution increases above 10. Because of the re-adsorption of the dissolved Ba2+-ions on the powder surface, the particles show a positive surface potential even under basic conditions. However, the potential is not high enough to guarantee an electrostatic dispersion of the particles. Good powder dispersion could be achieved with two polymeric dispersants, an electrosterically effective polymethacrylate and a predominantly sterically effective block-copolymer. The diverse combinations of the dispersants with three binders (a partially and a fully hydrolyzed polyvinyl-alcohol (PVA) as dissolved binders and a dispersion latex binder) enabled four slurry compositions with quite different flow properties (Newtonian to strong shear thinning). Specific "internal" structures of the slurries, which are based on attractive interactions among the organic additives, dissolved Ba2+-ions and the BaTiO3-particles, could be identified as the origin for the typical flow characteristics. The structures increase the viscosity of the slurries at low to moderate shear conditions and thus determine their shear thinning characteristics. Furthermore the structures could be correlated with microstructural green tape properties. A stronger structure impedes the gliding of the particles during the green tape densification of the drying process more thoroughly, therefore leading to green tapes with lower particle packing densities, a lower green density, higher porosity and a high surface roughness. Regarding the influence of both the binder and the particle concentration on the viscosity of the slurry, an exponential relationship could be determined for the slurries with PVA as binder. In both cases has the total amount of binder in the slurry, which was related to the amount of BaTiO3, been identified as the major factor of influence, while the influence of the particle concentration itself was comparatively small in the investigated range of slurry compositions. As the binder molecules also determine the makeup of the slurry structure, an influence of the binder concentration on the shear thinning characteristics was identified, whereas no influence of the particle concentration could be found. With the slurries containing the latex binder it has been shown that the binder particles have to be regarded as an addition to the solid loading. Accordingly, a modified Krieger-Dougherty-equation has been used to describe the relationship between the composition and the viscosity of the slurries. The much lower viscosity of the latex binder, compared to that of the PVA-binders, enabled slurries with much higher BaTiO3-contents (~ 40-45 vol.%) than in the slurries with PVA-binder (~ 25-30 vol.%). To sum up, the new slurry compositions provide a set of water based tape casting slurries with different flow characteristics. With the help of the relationships between the composition and the viscosity of the slurries, the slurry compositions can easily be adapted to the specific needs of a tape casting process and the required green tape properties. The derived "internal" structures of the slurries provide a basic understanding of the influences and interactions of the respective slurry components and help to meet the requirements of a tape casting process and to solve problems more stringently.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg.

Ur miljösynpunkt är energianvändningen en av flera stora utmaningar i framtiden. För att uppnå ett hållbart samhälle måste användningen av olja och andra fossila råvaror minska. Enligt Europeiska målen 2020 måste halten växthusgaser i atmosfären minska med 20 % i förhållandet till utsläppsnivåerna på 1990-talet. Produktionen och användningen av bränslepellets har ökat betydligt över hela världen de senaste åren (Eriksson 2016). I Sverige är tillgången på träråvara i skogen mycket god. Råvaran som används för att tillverka bränslepellets kommer huvudsakligen från kutter- och sågspån från sågverk och träindustri runt om i Sverige. Bränslepellets tillverkas genom att sågspånet pressas under högt tryck till små cylindriska stycken med högt energiinnehåll. För att förbättra pellets och göra det konkurrenskraftig mot alternativa uppvärmningsmetoder som värmepumpar, kan olika typer av additiv användas. Sågspånet som har använts kommer torkat och malt från Stora Enso Timber AB i Grums med en fukthalt på 10,5 %. Ökande procenthalter, från 0-1,5 %, av kassavastärkelse och tanniner har tillsatts i sågspånet vid produktionsanläggningen på Karlstads universitet. Syftet var att minska energianvändningen i samband med pelleteringen i pelletspressen samt öka hållfastheten för pellets. Andra parametrar som har undersökts är pelletsens bulkdensitet, hårdhet och mängd smul efter produktionen, för att undersöka om dessa parametrar korrelerar med hållfastheten. Resultatet visade att en tillsättning av 1,5 % tanniner gav den största reduceringen av den specifika elanvändningen, vilket motsvarade 3,8 %. Den högsta hållfastheten för pellets erhölls vid tillsättningen av samma additiv och procentmängd. Ökning motsvarade 3,0 %. Ju högre bulkdensitet, ju mindre utrymme behöver pelletsen i pelletssäckarna för att uppnå samma vikt pellets. Detta resulterar i en transportvinst, då fler pelletssäckar kan rymmas i en transportbil. Bulkdensiteten korrelerade mycket väl med hållfastheten. Ju högre bulkdensitet, ju bättre hållfasthet för pelletsen. Resultatet stämmer väl överens med tidigare arbeten. Hårdheten för pellets ökade och mängden smul minskade vid en additivtillsättning av kassavastärkelse och tanniner. / From an environmental point of view, energy use is one of several major challenges in the future. The use of oil and other fossil raw materials must reduce in order to achieve a sustainable society. According to the European goals 2020, the level of greenhouse gases in the atmosphere must decrease with 20 % in relation to emission levels in the 1990s. The production and use of fuel pellets has increased significantly worldwide over the last few years (Eriksson 2016). The availability of wood raw material in the forest in Sweden is very good. The raw material used to produce fuel pellets comes mainly from cutter shavings and sawdust from sawmills and wood industry across Sweden. Fuel pellets are manufactured by pressing the sawdust under high pressure into small cylindrical pieces with high energy content. In order to improve pellets and make it competitive against alternative heating methods such as heat pumps, different types of additives can be used. The sawdust that has been used comes dried and grounded from Stora Enso Timber AB in Grums with a moisture content of 10,5%. Increasing percentages, from 0-1,5%, of cassava starch and tannins have been added to the sawdust at the production plant at Karlstad University. The purpose was to decrease energy consumption in conjunction with pelleting in the pellet press, and to increase the durability of pellets. Other parameters that have been looked into is the pellet bulk density, hardness and amount of crumb after production, to see if these parameters correlate with the durability. The result showed that an addition of 1,5 % tannins gave the greatest reduction in the specific power consumption. The decrease was 3,8 %. The highest durability of pellets was obtained with the addition of the same additive and percentage. The increase was 3,0 %. The higher bulk density, the less space the pellets need in the pellets bags to achieve the same weight of pellets. This results in a transport gain, as more pellets can be accommodated in a transport vehicle. Bulk density correlated very well with durability. The higher bulk density, the better durability of the pellets. The results agree well with previous work. The hardness of pellets increased, and the amount of crumb decreased during an additive addition of cassava starch and tannins.