No description available.

No description available.

In the doctoral thesis, the bi-layer ceramic bodies with core-shell geometry were prepared by thermoplastic co-extrusion method and for these composite bodies the mechanical properties were studied. For study of co-extrusion and mechanical properties were designed two composite systems. First system ZTA-A combined the dense core ZTA (zirconia-toughened alumina) and the dense shell Al2O3. Second system ZST-Z consisted of porous core and dense shell made from ZrO2 for both cases. In the thesis, the rheology of ceramic thermoplastic suspensions and their mutual influence during co-extrusion was studied. Subsequently, the debinding process and sintering were studied, and based on the optimization of all process steps were obtained defect-free bodies with core-shell geometry. The mechanical properties (elastic modulus, hardness and bending strength) were determined for sintered bodies. To estimate the stress path in the core shell bodies loaded in bending, the relationship considering different elastic moduli of the core and the shell was used. For bodies of ZTA-A system was increased the strength in comparison with monolithic bodies of the individual components. Thus, bodies with high surface hardness of shell from Al2O3 and moreover having high fracture strength in bending were obtained. The effective elastic modulus was decreased for bodies of ZST-Z system up to 25 % in comparison with the elastic modulus of dense monolithic samples. The same effective modulus of elasticity was possible to achieve with core-shell bodies while maintaining significantly higher fracture strength than monolithic porous bodies or pipes.

In the diploma thesis, an overview of the existing literature focused on the thermoplastic co-extrusion method was worked out and based on the findings, extrusion of the monolayer and homogenous bodies from ZrO2, Al2O3, ZTA a ATZ was studied. For thermoplastic extrusion the capillary rheometer was modified and the nozzle was designed and fabricated. Applying the co-extrusion method, homogenous ceramic rods and monolayer rods in structure core/layer: ZrO2/Al2O3, ZrO2/ATZ and ZTA/Al2O3 were fabricated. In monolayer rods, the interface quality and defects that originate during preparation were evaluated. Technological parameters and properties of homogenous rods were used to rate the structure and defects in monolayer rods. Monolayer rods ZrO2/ATZ and ZTA/Al2O3 with 2.5 mm diameter and 45 mm length (containing small defects) were prepared by thermoplastic co-extrusion.

<p>  </p> <p>The development of a high-temperature heat exchanger made of silicon carbide (SiC) required the development of processing and joining technologies for the fabrication and integration of a prototype. Traditional ceramic forming techniques such as dry powder compaction, tape casting, or injection molding cannot effectively process complex and micron-size parts such as those required by heat exchangers to generate high surface area for improved thermal efficiency. Ceramic co-extrusion has been a successful fabrication technique to produce small structures, ceramic piezoelectric, and fibrous monolithic.</p> <p><br></p> <p>The co-extrusion process is unique in its ability to create micron-size features in two dimensions through multiple reduction steps. Using this process, the heat exchanger channels are developed to create a section with a high surface area to enhance the heat transfer between fluids.</p> <p><br></p> <p>Ceramic co-extrusion requires the development of ceramic/polymer binder systems based on SiC powder, fugitive thermoplastic binders, and low molecular weight polymeric species as processing aids. The thermoplastic binders mixed with SiC powder provided molding and extrusion capabilities to build the heat exchanger prototype. Afterward, a binder removal process and sintering were performed to densify the final component. The presence of cracks is common when working with ceramic/polymer binder systems. Ten different SiC ceramic/polymer binder systems were developed and evaluated to understand the mechanisms that generate cracks and lower the mechanical strengths of components.</p> <p><br></p> <p>A SiC heat exchanger is comprised of a main core where the fluids exchange energy and the manifolds that direct both cold and hot fluids to the respective set of channels. The integration of these components is challenging because of the high degree of covalent bonding and low self-diffusivity of SiC. Welding and other integration methods common in metals are not feasible due to the high melting point of SiC (2730 °C). Reaction bonding is a technique that has displayed the potential to integrate SiC parts by recreating the reaction of silicon (Si) and carbon (C) on an interlayer between SiC components. This work presents the development of a pressureless joining technique for SiC by reaction bonding using SiC/C loaded ceramic suspensions and the methodology to create a successful bonding region between SiC components. The approaches studied varied the thickness in the joint region to study its mechanical strength, and crystalline structure.</p>

No description available.

Es wurde ein hydrostatischer Verbundstrangpressprozess analysiert, bei dem das Kernmaterial aus Magnesium und das Mantelmaterial aus Aluminium besteht. Ausgehend von der Problematik, dass die Verbunde eine starke Vorschädigung in Form von Rissen im Bereich der Grenzschicht zwischen den Verbundpartner aufwiesen, wurde der Prozess analysiert. Mit Hilfe der numerischen FEM-Simulation wurde ein Berechnungsmodell aufgebaut, anhand dessen der Prozess detailliert und maßgeblich hinsichtlich der wirkenden Spannungen und auftretenden Dehnungen untersucht wurde. Es wurden die Größen Kontaktschubspannung und axiale Umformgraddifferenz identifiziert, die einen Zusammenhang aufzeigten zwischen ihrer Änderung und der aufgetretenen Qualität im Strang. Für eine verbesserte Aussagequalität und bedingt durch die vielen Wechselwirkungen der beeinflussenden Parameter im Prozess wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung (DoE) hinzugezogen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde der Prozess optimiert, in dem die Matrizengeometrie als ein beeinflussender Parameter angepasst worden ist, so dass ein gleichmäßigerer Werkstofffluss gewährleistet und die Strangqualität verbessert werden konnte. Im Folgenden wurde ein integratives, empirisches Verbundstrangpressmodell entwickelt, das es ermöglicht, die Verbundqualität, die Verbundfestigkeit und die Dicke der sich ausbildenden Grenzschicht zu berechnen. / A compound made of aluminum (sleeve material) and magnesium (core material) was analyzed. The compound was built up in a hydrostatic co-extrusion process. First investigations showed damage (cracks) in the interface between the aluminum and the magnesium. Regarding the damage an optimization of the process was necessary. The FEM simulation was used to analyze the process. The focus of the analysis was the stresses and strains in the forming zone. A first result was that high contact shear stresses occurred in the interface. These stresses damaged the interface. Further investigations showed big strain differences between both of the materials. These differences caused in the different flow behaviour (yield stresses) of both materials. A better understanding was reached by a design of experiment (doe). This analysis showed the interactions between the different parameters and the influence of the parameters itself. Parameters with a big influence on the compound quality are the yield stresses, the die design, the friction and the billet design. The first result was an improvement of the compound quality by changing the die design. Therefore, an impeccable compound quality could be reached. Furthermore the results of analysis lead to an embracing empirical compound extrusion model. This consists of three single models. The first model was the quality model. This model allows to predict the compound quality with respect to the big influencing parameters. The second model was a bond strength model. This model gives the possibility to compute the strength of the interface. And at last the third model was the diffusion model. The embracing compound extrusion model allows to make a statement about the compound quality and strength before any real trials are carried out.

Es wurde ein hydrostatischer Verbundstrangpressprozess analysiert, bei dem das Kernmaterial aus Magnesium und das Mantelmaterial aus Aluminium besteht. Ausgehend von der Problematik, dass die Verbunde eine starke Vorschädigung in Form von Rissen im Bereich der Grenzschicht zwischen den Verbundpartner aufwiesen, wurde der Prozess analysiert. Mit Hilfe der numerischen FEM-Simulation wurde ein Berechnungsmodell aufgebaut, anhand dessen der Prozess detailliert und maßgeblich hinsichtlich der wirkenden Spannungen und auftretenden Dehnungen untersucht wurde. Es wurden die Größen Kontaktschubspannung und axiale Umformgraddifferenz identifiziert, die einen Zusammenhang aufzeigten zwischen ihrer Änderung und der aufgetretenen Qualität im Strang. Für eine verbesserte Aussagequalität und bedingt durch die vielen Wechselwirkungen der beeinflussenden Parameter im Prozess wurde die Methode der statistischen Versuchsplanung (DoE) hinzugezogen. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde der Prozess optimiert, in dem die Matrizengeometrie als ein beeinflussender Parameter angepasst worden ist, so dass ein gleichmäßigerer Werkstofffluss gewährleistet und die Strangqualität verbessert werden konnte. Im Folgenden wurde ein integratives, empirisches Verbundstrangpressmodell entwickelt, das es ermöglicht, die Verbundqualität, die Verbundfestigkeit und die Dicke der sich ausbildenden Grenzschicht zu berechnen.:Inhaltsverzeichnis V Vorwort VII Einleitung 1 1 Stand der Technik 3 1.1 Allgemeines, Historische Entwicklung und Einteilung des Strangpressens 3 1.2 Wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens, der Schädigung und der Haftfestigkeit 9 1.2.1 Prozess - Verbundstrangpressen 11 1.2.2 Schädigung 21 1.2.3 Haftfestigkeitsmodelle 28 1.3 Schlussfolgerung aus dem Stand der Technik 33 1.4 Zielsetzung und Struktur der Arbeit 35 2 Experimentelle Untersuchungen- Strangpressversuche 38 2.1 Ergebnisse der Pressversuche - Projektphase I 43 2.2 Ergebnisse der Projektphase II 52 2.3 Ergebnisse der Projektphase III 54 2.4 Besonderheiten, Oberflächenqualität, Verfahrenscharakteristika 56 3 Numerische Untersuchungen 64 3.1 Numerische Modellbildung 64 3.1.1 Materialbeschreibung/Fließkurven 66 3.1.2 Thermische Modellbildung 70 3.2 Ergebnisse der numerischen Analyse für das hydrostatische Strangpressen 81 3.2.1 Ermittlung einer indikativen Schädigungsgröße innerhalb der Simulation 91 3.2.2 Einfaktorielle Variationsrechnungen 95 3.3 Statistische Versuchsplanung und Analyse 103 3.3.1 Allgemeines und Versuchsplanung 103 3.3.2 Auswertung Versuchskern und erweiterter Versuchsplan 107 3.3.3 Fehleranalyse zu Versuchsplanergebnissen 113 3.4 Axiale Umformgraddifferenz als Indikatorgröße für die Schädigung 120 3.4.1 Volumenstromanalyse 128 3.4.2 Statistische Analyse hinsichtlich der Zielgröße axiale Dehnungsdifferenz 133 4 Integrativer Modellansatz zur Bestimmung qualitativer und quantitativer Merkmale des Verbundes 138 4.1 Allgemeines 138 4.2 Qualitätsmodell 139 4.2.1 Diskussion 139 4.2.2 Qualitätsmodell - Modellformulierung 145 4.3 Haftfestigkeitsmodell 155 4.4 Diffusionsmodell 163 5 Zusammenfassung 170 6 Ausblick 172 7 Quellen 174 Abbildungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XV Kurzzeichenverzeichnis XVI Abkürzungsverzeichnis XIX / A compound made of aluminum (sleeve material) and magnesium (core material) was analyzed. The compound was built up in a hydrostatic co-extrusion process. First investigations showed damage (cracks) in the interface between the aluminum and the magnesium. Regarding the damage an optimization of the process was necessary. The FEM simulation was used to analyze the process. The focus of the analysis was the stresses and strains in the forming zone. A first result was that high contact shear stresses occurred in the interface. These stresses damaged the interface. Further investigations showed big strain differences between both of the materials. These differences caused in the different flow behaviour (yield stresses) of both materials. A better understanding was reached by a design of experiment (doe). This analysis showed the interactions between the different parameters and the influence of the parameters itself. Parameters with a big influence on the compound quality are the yield stresses, the die design, the friction and the billet design. The first result was an improvement of the compound quality by changing the die design. Therefore, an impeccable compound quality could be reached. Furthermore the results of analysis lead to an embracing empirical compound extrusion model. This consists of three single models. The first model was the quality model. This model allows to predict the compound quality with respect to the big influencing parameters. The second model was a bond strength model. This model gives the possibility to compute the strength of the interface. And at last the third model was the diffusion model. The embracing compound extrusion model allows to make a statement about the compound quality and strength before any real trials are carried out.:Inhaltsverzeichnis V Vorwort VII Einleitung 1 1 Stand der Technik 3 1.1 Allgemeines, Historische Entwicklung und Einteilung des Strangpressens 3 1.2 Wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet des Verbundstrangpressens, der Schädigung und der Haftfestigkeit 9 1.2.1 Prozess - Verbundstrangpressen 11 1.2.2 Schädigung 21 1.2.3 Haftfestigkeitsmodelle 28 1.3 Schlussfolgerung aus dem Stand der Technik 33 1.4 Zielsetzung und Struktur der Arbeit 35 2 Experimentelle Untersuchungen- Strangpressversuche 38 2.1 Ergebnisse der Pressversuche - Projektphase I 43 2.2 Ergebnisse der Projektphase II 52 2.3 Ergebnisse der Projektphase III 54 2.4 Besonderheiten, Oberflächenqualität, Verfahrenscharakteristika 56 3 Numerische Untersuchungen 64 3.1 Numerische Modellbildung 64 3.1.1 Materialbeschreibung/Fließkurven 66 3.1.2 Thermische Modellbildung 70 3.2 Ergebnisse der numerischen Analyse für das hydrostatische Strangpressen 81 3.2.1 Ermittlung einer indikativen Schädigungsgröße innerhalb der Simulation 91 3.2.2 Einfaktorielle Variationsrechnungen 95 3.3 Statistische Versuchsplanung und Analyse 103 3.3.1 Allgemeines und Versuchsplanung 103 3.3.2 Auswertung Versuchskern und erweiterter Versuchsplan 107 3.3.3 Fehleranalyse zu Versuchsplanergebnissen 113 3.4 Axiale Umformgraddifferenz als Indikatorgröße für die Schädigung 120 3.4.1 Volumenstromanalyse 128 3.4.2 Statistische Analyse hinsichtlich der Zielgröße axiale Dehnungsdifferenz 133 4 Integrativer Modellansatz zur Bestimmung qualitativer und quantitativer Merkmale des Verbundes 138 4.1 Allgemeines 138 4.2 Qualitätsmodell 139 4.2.1 Diskussion 139 4.2.2 Qualitätsmodell - Modellformulierung 145 4.3 Haftfestigkeitsmodell 155 4.4 Diffusionsmodell 163 5 Zusammenfassung 170 6 Ausblick 172 7 Quellen 174 Abbildungsverzeichnis IX Tabellenverzeichnis XV Kurzzeichenverzeichnis XVI Abkürzungsverzeichnis XIX

L'ensemble des travaux présentés dans cette thèse porte sur la simulation numérique des procédés de coextrusion par un modèle d'écoulement stratifié basé sur la méthode du champ de phase. L'avantage technologique offert par la coextrusion réside dans la possibilité de combiner des matériaux ayant des propriétés physiques très spécifiques dans un produit unique. Toutefois, les différences rhéologiques entre les divers matériaux sont elles-mêmes responsables d'un phénomène de distorsion de l'interface séparant deux couches adjacents. Les données expérimentales en coextrusion bicouches montrent que, en raison des différences de viscosité et d'élasticité entre le deux composants, le fluide le moins visqueux encapsule le fluide plus visqueux et le passage d'une configuration stratifiée à une encapsulée comporte une perte de qualité du produit final. Ce phénomène, dit d'enrobage représente donc un sujet de très grande actualité dans la recherche industrielle et la compréhension des mécanismes le générant sera utile pour l'amélioration des procédés de mise en forme des polymères. La nature intrinsèquement tridimensionnelle de l'enrobage a requis le développement d'un code pour la simulation tridimensionnelle basée sur la méthode des volumes finis pour la discrétisation des équations de Navier-Stokes pour les écoulement incompressibles et isothermes couplées avec une loi constitutive différentielle non linéaire (modèles de Giesekus ou PTT). La présence de deux fluides est prise en compte par une équation scalaire supplémentaire décrivant l'évolution de l'interface sur un maillage fixe. Cette équation offre une interprétation physique précise car elle est dérivée de la thermodynamique de séparation de phase d'un fluide binaire. Le modèle proposé est validé par confrontation avec les résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature. Une étude numérique de la coextrusion en filière rectangulaire est effectuée afin de mettre en évidence les facteurs influençant l'enrobage et la nature de son origine / The objective of the present work is the analysis of coextrusion processes by numerical simulation based on phase-field modeling of stratified confined flows. The study of such flows is motivated by the presence of complex phenomena appearing in a vast range of industrial operational coextrusion conditions due to the differences in the components properties and their viscoelastic behavior. The basic idea in coextrusion is to combine several layers of different polymers in a common die, to form a unique product with enhanced properties. However, the existence of fluid stratification in the die is responsible of a severe distortion of the interface between the fluid components, causing a loss of efficiency for the whole process. Experimental data show that, even if a stratified initial configuration is imposed at the die entry, one fluid eventually encapsulates the other in most of the flow condition analyzed. The intrinsically three-dimensional nature of this phenomenon has required the development of a three-dimensional flow solver based on the finite volume discretization of the Navier-Stokes equations for incompressible and isothermal flow, together with differential nonlinear constitutive equations (Giesekus, PTT models). The presence of two fluid phases is taken into account by a phase field model that implies the solution of an additional scalar equation to describe the evolution of the interface on a fixed Eulerian grid. This model, unlike others of the same family, has a thermodynamic derivation and can be physically interpreted. The proposed method is tested against experimental data and solutions already available in literature and a study of coextrusion in rectangular dies is performed to identify the dependence of encapsulation on the flow parameters

No description available.