This diploma thesis is focused on studying the influence of different types of surface treatments on vibropressed product. The main goal is to characterize surface treatments consisting of application of surface coatings that are hardened by infrared or ultraviolet radiation. Theoretical part gives specifications already known methods for surface finishing. Briefly describes selected types of prefabricated concrete parts and specificate the requirements for these products. It also describes used test methods. The experimental part was aimed at establishing the effectiveness of changing properties concrete products by adding coatings on their surface. This was achieved by testing the properties of concrete paving blocks with modified surfaces and testing of reference blocks that did not have any surface treatment followed by mutual comparison of the results.

Um den Spritzgießprozess zu simulieren, sind korrekte Materialdaten nötig. Diese Daten umfassen Viskositätsmodelle, Wärmekapazitätskoeffizienten, Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, PVT-Modelle und bei reaktiven Materialien Härtungsmodelle. Bei der Spritzgießsimulation von Thermoplasten sind die Materialdaten in der Regel in den Simulationstools verfügbar. Der Anwender kann problemlos Thermoplastmaterialdaten auswählen, die bereits in die Materialdatenbank der Simulationswerkzeuge eingebettet waren, um die gesamten Phasen des Thermoplastspritzgießprozesses zu simulieren. Bei der Duroplastspritzgießsimulation sind nur begrenzt Materialdaten vorhanden und selten aus der Datenbank der Simulationswerkzeuge verfügbar, da sie nicht nur bei der Messung rheologischer und thermischer Eigenschaften, sondern auch bei der Modellierung rheologischer und kinetischer mathematischer Modelle kompliziert sind. Daher ist es notwendig, eigene Materialdaten zu generieren. Um dieses Problem zu lösen, bedarf es einer umfangreichen Wissensbasis bei der Messung von Materialeigenschaften sowie der Erstellung eines Optimierungsalgorithmus´. Um den Prozess des duroplastischen Spritzgießens exakt zu simulieren, bedarf es zudem fundierter Kenntnisse über die Formfüllungseigenschaften dieser Materialien. Die Untersuchung des Fließverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen im Inneren der Kavität ist jedoch nicht ausreichend beschrieben. Bisher gab es noch keine veröffentlichten Hinweise, die zeigen, wie man aus experimentellen Messdaten (thermische und rheologische Daten) für den reaktiven Spritzgießsimulationsprozess komplette Materialdaten für Duroplaste erzeugen kann. Diese Probleme führen zu einer Abhängigkeit der Anwender von der Materialdatenbank der Simulationssoftware, was zu einer Einschränkung der Anwendung der Computersimulation in der duroplastischen Spritzgießsimulation und dem Vergleich zwischen experimentellen und Simulationsergebnissen führt. Darüber hinaus stellt sich die Frage, ob es beim Füllen der Kavität ein Wandgleiten zwischen Duroplastschmelze und Wandoberfläche gibt oder nicht. Aus diesem Grund wird die Wirkung des Wandgleitens auf die Kavitätenoberfläche bei der Simulation des duroplastischen Spritzgießens immer noch vernachlässigt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf drei wichtige wissenschaftliche Ziele. Das erste ist die Innovation eines neuen technischen Verfahrens zur physikalischen Erklärung des Formfüllverhaltens von duroplastischen Spritzgießmassen. Das zweite Hauptziel ist die Entwicklung einer numerischen Methode zur Erstellung eines duroplastischen Materialdatenblattes zur Simulation der Formfüllung von duroplastischen Spritzgießmassen. Schließlich wird die Erstellung von Simulationswerkzeugen auf der Grundlage der physikalischen Gegebenheiten und des erzeugten Materialdatenblattes durchgeführt. / To simulate the injection molding process, it is necessary to set material data. The material data for an injection molding process must include a viscosity model and its fitted coefficients, heat capacity coefficients, thermal conductivity coefficients, a PVT model and its coefficients, a curing model and its coefficients (only for reactive injection molding). With thermoplastics injection molding simulation, the material data is generally available from simulation tools. Users could easily choose thermoplastics material data that was already embedded in the material data bank of simulation tools to simulate the entire phases of thermoplastics injection molding process. However, with thermosets injection molding simulation, the material data is found in limited sources and seldom available from data bank of simulation tools because of complication not only in rheological and thermal properties measurement but also in modeling rheological and cure kinetics mathematical models. Therefore, with thermoset injection molding compounds that its material data bank has not been found in data bank of simulation tools, before setting material data, it is necessary to create its own material data that simulation packages do not supply a tool. Therefore, to solve this problem, it requires an extensive knowledge base in measurements of material properties as well as optimization algorithm. In addition, to simulate exactly the thermosets injection molding compound process, it requires a profound knowledge in the mold filling characteristics of thermoset injection molding compounds. However, investigation of flow behavior of thermosets injection molding compounds inside the mold has not been adequately described. Up to now, there has not been any article that shows a complete way to create thermoset material data from measured experimental data (thermal data and rheological data) for the reactive injection molding simulation process. These problems are leading to the users ‘dependency on the material data bank of simulation tools, leading to restriction in application of computer simulation in the thermoset injection molding simulation and comparison between experimental and simulation results. Furthermore, there is still a big question related to whether there is or no slip phenomenon between thermosets melt and the wall surface during filling the cavity, for which has not yet been found an exact answer. Because of this the effect of wall slip on the cavity surface is still ignored during thermoset injection molding simulation process. This thesis focused on three key scientific goals. The first one is innovation of a new technical method to explain the mold filling behavior of thermoset injection molding compounds physically. The second key goal is developing numerical method to create thermoset material data sheet for simulation of mold filling characterizations of thermoset injection molding compounds. Finally, creating a simulation tool base on the physical technique and generated material data sheet.

In response to serious environmental and economic concerns, the design and production of aircrafts have been changing profoundly over the past decades with the nose-to-tail switch from metallic materials to lightweight composite materials such as carbon fibre reinforced plastic (CFRP). In this context, the present doctoral research work aimed to contribute to the development of a CFRP booster casing, a real innovation in the field initiated and conducted by Safran Aero Boosters. More specifically, this thesis addresses the matter of joining metal/CFRP hybrid structures, which are prone to possibly detrimental residual stresses.The issue is treated with an approach combining experimental characterisation and finite element (FE) simulations. The multi-layered system’s state of damage was systematically examined on hundreds of micrographs, and the outcome of this study is presented under the form of a statistical analysis. Further, the defects’ 3D morphology is investigated by incremental polishing. A number of thermal and mechanical properties are measured by diverse physical tests on part of the constituent materials, i.e. the aerospace grade RTM6 epoxy resin, the structural Redux 322 epoxy film adhesive, and AISI 316L stainless steel. They are used as input data in a FE model of the multilayer that is developed and progressively refined to obtain detailed residual stress fields after thermal loading. These results are compared to experimental data acquired by X-ray diffraction stress analysis and with the curvature-based Stoney formula. Cohesive elements are placed at specific locations within the FE model to allow simulating progressive damage. Peel tests, mode I, mode II and mixed mode I/II fracture tests are thus performed in view of measuring the joint toughness. The results of these tests are discussed and the presence of residual stress in the fracture specimens is highlighted. Key information for the calibration of the cohesive law is finally identified via inverse FE analysis of the mode I test, this being a significant step in the process of building a damage predictive FE model of the multi-layered system. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Mikrosiebe über das Float Casting Verfahren hergestellt und durch Ink Jet Druck stabilisiert werden. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt Mikrosiebe großflächig auf einem Langmuirtrog herzustellen und noch schwimmend auf der Wasseroberfläche zu bedrucken, so dass stabilisierte Mikrosiebe von der Wasseroberfläche abgehoben werden können. Zur Herstellung der Mikrosiebe wird das Prinzip der Partikel-assistierten Benetzung verwendet, bei dem eine Dispersion aus Silikapartikeln, Monomer und Initiator auf einer Wasseroberfläche gespreitet wird. Die Partikel ordnen sich dabei von selbst in einer hexagonal dichtesten Packung an und dienen sowohl als Spreithilfe als auch als Porenbildner. Nach dem Entfernen der Partikel entsteht ein poröses Mikrosieb mit einheitlichen, dicht gepackten Poren. Durch das Aufdrucken einer Wabenstruktur als Stützstruktur wird eine ausreichende Stabilisierung erreicht, so dass die Siebe in Filtrationsversuchen eingesetzt werden können. Das entstehende Gefüge, bestehend aus einem Mikrosieb mit einer Dicke im Nanometerbereich wird von einer Stützstruktur, welche eine Dicke im Mikrometerbereich besitzt, stabilisiert. Außerdem wird gezeigt, wie eine Wasseroberfläche Schritt für Schritt modifiziert wird, so dass es möglich ist grazile Strukturen auf eine Wasseroberfläche zu drucken. Diese Strukturen können anschließend von der Wasseroberfläche abgehoben werden und stehen nach dem Trocknen als freistehende Strukturen zur Verfügung.

Mit der Entwicklung und Einführung ökologischer Bauweise im Neubau sowie neuen Baustoffsystemen in Sandwichbauweise wird es zunehmend erforderlich, neue effektive Befestigungsvarianten zu entwickeln, die eine dauerhafte Fixierung auch unter sicherheitstechnischen Bestimmungen sowie aus Garantie- bzw. haftungsrechtlichen Gründen ermöglichen. Die aus der Praxis bisher bekannten chemischen Befestigungssysteme (Zweikomponentenverbundmörtel, Verbundankerpatronen) weisen hinsichtlich der Applikation unter bautechnischen Bedingungen noch einige Nachteile auf. Dazu gehören vor allem längere Aushärtungszeiten zur Realisierung der abschließenden Verbundfestigkeit, Inhomogenitäten im Verbund, der Einsatz toxischer Verbindungen und eine Limitierung der Applikationsmöglichkeiten in horizontalen und Überkopf-Einsatzbereichen sowie Hohlkammersystemen. Alle zuvor genannten Punkte haben bis jetzt die Nutzung solcher Verbundwerkstoffe als universale Anwendungsmöglichkeit verhindert. Ein neues chemisches Befestigungssystem, welches aus Novolak gehärteten mit Hexamethylentetramin (Hexa) und anorganischen Füllstoff besteht, wurde für Applikationen in Beton entwickelt. Das Bindemittel härtet bei der Temperaturzuführung aus. Die unkatalysierte Befestigungsmasse zeigt bei einer Temperatur zwischen 150-300 °C eine hohe Reaktivität. Die Vorteile dieses Systems sind die unbegrenzte Lagerfähigkeit der vorgemischten härtbaren Masse sowie die Gewährleistung einer homogenen Netzwerkstruktur im gesamten Verbund und sie ist frei von giftigen und flüchtigen Substanzen. Auf den Einsatz toxischer Substanzen wurde verzichtet. In dieser Arbeit wurde die Gesamtkinetik der Reaktion während des Aushärtungsprozesses dieser Polymerkomposite untersucht. Die DSC- (nicht-isothermen, isothermen) und MDSC-Untersuchungen haben sich als ein sicheres Verfahren zur Qualitätskontrolle des Aushärtezustands der Befestigungssysteme herausgestellt. Parallel zur nicht-isothermischen und isothermischen DSC wurden Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt, um den Endpunkt der Aushärtungsreaktion zu bestimmen. / The development and introduction of ecological construction methods and the use of sandwich materials make it necessary to develop new fixing systems and technologies. Dealing with the application in concrete and other substrates commercial chemical fixing systems show some disadvantages up to date. Especially the rather long curing time in order to realize the final bond strength, inhomogenities in the composite, the partial use of toxic substances and application limits of such systems in horizontal direction as well as hollow section materials has so far prevented the use of such composites for all-purpose applications. A new chemical fixing system, which consists of hexamethylene tetramine (hexa) cured novolac and inorganic filler, was developed for application in concrete. It is applied by a thermo-curing procedure. The uncatalyzed curable mixture has a high reactivity at temperature between 150-300 °C. Compared with commercial chemical fixing systems, the premixed curable mass has many benefits. First it has a unique storage stability and second, it is free of toxic and volatile substances. Another important aspect is, it is self-foaming. In this study was investigated the overall kinetics of the reaction during the curing process of these polymer composites. An appropriate method for this experiment proved to be the DSC in isothermal and non-isothermal mode and MDSC. This turned out to be a safe quality control technique for these systems. Parallel to the non-isothermal and isothermal DSC conductivity measurements have been performed to determine the end point of the curing reaction.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Reduction of the polymerization shrinkage stress inherent of dimethacrylate-based resin composites has been a work in progress since the phenomenon was first described by Dr. Rafael L. Bowen in 1967. Contemporary efforts to modify the composites or the curing protocols for polymerization have proven a challenging task with controversial results. Influenced by existing mathematical models relating exposure, curing time and depth of cure of resin composites, a novel method for the reduction of polymerization shrinkage stress is proposed. By polymerizing through a single aperture mask, a dental light curing unit is transformed from a planar light source to a point light source, and a fully cured, three-dimensional “bullet” shaped curing front is predicted for the cured resin below. So long as the edges of the bullet do not touch the cavity walls or floor, the shrinkage stress of the bullet is not transferred. Follow-up with an unmasked curing unit then fully polymerizes the restoration. By reducing the volume of uncured composite in contact with the cavity walls and floor, shrinkage stress of the restoration is also reduced. The objective of the present study was to demonstrate this curing phenomenon with a model resin composite using masks with aperture diameters of 0.5, 0.4, and 0.25 mm and curing times of 10, 20, 30, and 40 seconds. The resulting curing front was evaluated quantitatively and qualitatively. From this, mathematical models of the curing front were derived. Selected combinations of aperture mask and curing time were then investigated to evaluate the influence of this phenomenon on the degree of conversion, Knoop hardness, and polymerization shrinkage stress of the same model resin composite. Group differences were analyzed using a one-way ANOVA at 5% significance.

Zur Untersuchung der Faser-Matrix-Haftung in Faser-Kunststoff-Verbunden werden neben makromechanischen Methoden wie dem Querzug und der Drei-Punkt-Biegung mikromechanische Methoden an Einzelfaser-Modellverbunden eingesetzt. Zu letzteren Methoden zählen bspw. der Tropfenabscherversuch, der Einzelfaserauszugversuch (engl. single-fibre pull-out test, SFPO) und der Einzelfaserfragmentierungsversuch (engl. single fibre fragmentation test, SFFT). Bei ihrem Einsatz ist zu beachten, dass sich unterschiedliche Einflussgrößen auf ihre Ergebnisse auswirken können. In der vorliegenden Arbeit wird eine ausführliche Literaturübersicht mit einem detaillierten Überblick zu einer größeren Anzahl verschiedener Einflussgrößen durchgeführt. Daraus werden die Einflussgrößen Härtungsdauer, Feuchtigkeit, freie Faserlänge und Abzugsgeschwindigkeit als Untersuchungsgegenstände dieser Arbeit erarbeitet. Wesentliche aus dieser Arbeit resultierende Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind nachstehend zusammengefasst. Härtungsdauer: Bei SFFT-Untersuchungen an Keramikfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern wird ein degressiver Anstieg der Faser-Matrix-Haftung über der Härtungsdauer beobachtet. Die Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass sich die Härtungsdauer beim SFFT und SFPO prinzipbedingt unterschiedlich auswirkt (aufgrund destruktiver bzw. konstruktiver Überlagerungen von Eigenspannungen und Prüfkraft-induzierten Spannungen). Feuchtigkeit: SFPO-Untersuchungen an Kohlenstoffaser/Epoxidharz-Prüfkörpern nach einmonatiger Konditionierung in feuchtem (50 %rF, 23 °C) bzw. trockenem Klima (0 %rF, 23 °C) belegen eine feuchtebedingt verringerte Haftung. Daraus wird geschlussfolgert, dass eine schwankende Luftfeuchtigkeit auch in diesem eingegrenzten klimatischen Spektrum (bspw. in teilklimatisierten Laboren) als wichtiger potentieller Störfaktor zu beachten ist. Prüfparameter: Auf Basis des Hooke’schen Gesetzes kann für den SFPO gezeigt werden, dass die freie Faserlänge die Maximalkraft beeinflusst und die Einflüsse der freien Faserlänge und der Abzugsgeschwindigkeit auf die Maximalkraft in Zusammenhang stehen. Beides wird anhand von SFPO-Untersuchungen an Glasfaser/Epoxidharz-Prüfkörpern bestätigt. Ferner wird aus den Untersuchungen geschlussfolgert, dass eine Geschwindigkeitserhöhung von 0,01 µm/s auf 0,1 µm/s zur Reduzierung der Versuchsdauer – im vorliegenden Fall von 30 45 min auf 6 8 min – vertretbar ist. Darüber hinaus werden anhand von Fehlerverstärkungsfaktoren differenzierte Aussagen zum Einfluss fehlerhaft bestimmter Eingangsdaten auf die Berechnung der lokalen Grenzflächenscherfestigkeit generiert. / For investigating fibre-matrix adhesion in fibre-polymer composites, macromechanical methods such as transverse tensile and three-point bending tests can be applied as well as micromechanical methods for which single-fibre model composites are used. The latter category of methods includes microbond, single-fibre pull-out (SFPO) and single-fibre fragmentation tests (SFFT). When applying these methods, it needs to be considered that their results can be affected by different influencing factors. In the present thesis, an extensive literature survey with a detailed overview of a larger number of influencing factors is conducted. Based on this overview, the factors curing time, moisture, free fibre length and test speed are acquired as objects of investigation of this thesis. Main results and conclusions of this work are summarised below. Curing time: Results from SFFT investigations on ceramic fibre/epoxy-specimens exhibit a degressive increase of fibre-matrix adhesion with curing time. This indicates that curing time affects SFFT and SFPO results differently due to different underlying principles (based on destructive and, respectively, constructive superposition of internal stresses and load-induced stresses). Moisture: SFPO specimens (carbon fibre/epoxy) are conditioned in humid (50 %rH, 23 °C) and dry climate (0 %rH, 23 °C) for one month prior to testing. The results show lower adhesion due to moisture. It is concluded that uncontrolled humidity, even in this limited climatic spectrum, needs to be considered as an important potential factor of influence (e.g. in partially climatised laboratories). Test parameters: Based on Hooke’s law, it is demonstrated for the SFPO that a) the free fibre length affects the maximum force and b) the effects of the free fibre length and the test speed on the maximum force are interrelated. Both is confirmed with results from SFPO investigations on glass fibre/epoxy-specimens. Furthermore, it is deduced from the above investigations that an increase in test speed from 0.01 µm/s to 0.1 µm/s is legitimate for reducing test duration – in the present case from 30 45 min to 6 8 min. In addition, the effect of erroneously determined input data on the calculation of the local interfacial shear strength is studied using conditions numbers (a measure for the propagation of error). With this, differentiated statements are generated.

Spritzgießbare Duroplaste zeichnen sich durch hohe thermo-mechanische Beständigkeit, geringe Schwindung und niedrige Materialkosten aus. Damit können die Anforderungen an spritzgegossene Präzisionsbauteile für den Automobilbau erreicht werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Novolak-Phenolformmassen hinsichtlich ihres hygroskopischen Verhaltens und dessen Auswirkung auf die Spritzgießverarbeitung und die Bauteilqualität untersucht. Das Absorptionsverhalten kann mithilfe der Fick’schen Diffusionsgesetzte näherungsweise beschrieben werden. Auf Basis von mechanischen Untersuchungen sowie der Beurteilung der Maßhaltigkeit eines Präzisionsdemonstrators hinsichtlich Schwindung und Verzug wird zudem der Einfluss der Prozessparameter beim Spritzgießen bestimmt. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen die Grenzen der Verarbeitung und der realisierbaren Bauteilqualität auf, die auf die großserientaugliche Verarbeitung von duroplastischen Bauteilen übertragen werden können. / Injection moldable thermosetting materials show excellent material properties, e.g. high thermo-mechanical resistance and reduced shrinkage in combination with low material cost. Thus, technical requirements for high performance parts for automotive applications can be achieved. In the scope of this work different phenolic novolac compounds were investigated regarding their hygroscopic behavior with its influence for injection molding and product quality. The absorption can be approximately described by Fick’s-Diffusion-Model. The interrelationship of injection molding parameters and the thermo-mechanical behavior is examined on the basis of mechanical testing and the assessment of the dimensional accuracy for a thermoset high precision part. The presented investigations point to the limit of processing and realizable part quality which can be transferred for high performance parts molded in mass production.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der kontinuumsmechanischen Formulierung des Aushärteverhaltens polymerer Werkstoffe sowie der Implementierung und Simulation von Aushärtestoffgesetzen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode. Auf Basis eines allgemeinen Modellierungsrahmens wird ein konkretisiertes Stoffgesetz für die Nachbildung von Aushärteprozessen eines acrylischen Knochenzements entwickelt. Darüber hinaus werden verschiedene Finite-Elemente-Simulationen zum klinischen Verfahren der Vertebroplastie präsentiert. / This work deals with the continuum mechanical formulation of curing phenomena in polymers as well as the implementation and simulation of curing models within the finite element method. Based on a general modelling framework, a specified material model for the simulation of curing processes in an acrylic bone cement is developed. Moreover, different finite element simulations regarding the clinical procedure of vertebroplasty are presented.

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