Meine Skulptur aus der Reihe „Hülle“ ist ein sehr filigraner, dünnwandiger Hohlkörper, der mit seinen fast durchscheinenden Wänden eine Leere umschreibt. Er balanciert auf einem einzigen kleinen Punkt, wodurch seine Leichtigkeit noch an Bedeutung gewinnt.

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.:Inhaltverzeichnis Inhaltverzeichnis 2 Danksagung 6 Verzeichnis der Abkürzungen, Symbole und Indizes 7 1. Einführung 11 1.1 Motivation 11 1.2 Neuartigkeit 12 1.3 Anwendungsgebiete 13 1.3.1 Industrielle Anwendung 13 1.3.2. Hi-Tech-Anwendung 18 2. Ziele der Arbeit und Aufgabenstellung 19 3. Literaturauswertung zum Stand der Technik 20 3.1 Fertigungsverfahren zur Herstellung von zellularen Mikrostrukturen 21 3.1.1 Entwicklung der technologischen Prozesse der Metallschaumherstellung 22 3.1.1.1 Offener Metallschaum bzw. metallische Schwämme 22 3.1.1.2 Geschlossener Metallschaum 24 3.1.2 Verfahren zur Hohlkugelherstellung 25 3.1.2.1 Pulvermetallurgische Verfahren 26 3.1.2.2 Sonderverfahren 28 3.1.2.3 Direkte Methode zur Herstellung aus der Schmelze 29 3.1.2.3.1 Mithilfe von amorphen Werkstoffen 29 3.1.2.3.2 Mithilfe von Metallen 30 3.1.2.3.3 Austauschbarkeit der metallischen Schäume durch hohlkugelige Strukturen 31 3.2 Blasengeneratoren 31 4. Theoretische Grundlagen zum Anlagenkonzept 33 4.1 Auftretende Phänomene beim Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls 34 4.1.1 Zusammenhang zwischen der Strahlgeschwindigkeit und Viskosität der Flüssigkeit 36 4.1.2 Reyleigh-Instabilität und Zerwellen 36 4.1.3 Idealisiertes Schema des Prozessablaufs und seine physikalische Beschreibung 38 4.1.3.1 Tropfen (Gleichgewicht, Variante 1) 39 4.1.3.2 Flüssigkeitsstrahl (Zerfall, Variante 2) 40 4.2 Temperaturverteilung und Wärmeaustausch im nicht geschlossenen System 40 4.2.1 Erstarrung des Einkomponentensystems 40 4.2.2 Werkstofferstarrung während des Prozessablaufs 41 4.3 Konstruktions- und steuerungsbezogene Kennwerte des Prozesses 43 4.3.1 Auswahl des Abstandes: Luftrohr-Düsenaustritt 43 4.3.1.1 Anlage bezogen 43 4.3.1.2 Druckluft bezogen 44 4.3.2 Benetzbarkeit und Kippwinkel des T-Stücks 46 5. Physikalische Grundlagen der metallischen Schmelze für die Hohlkugelherstellung 47 5.1 Wahl des Strömungsregimes für das Gasmedium 48 5.2 Rheologisches Verhalten der Werkstoffe 49 5.2.1 Klassifizierung des Werkstoffverhaltens von Flüssigkeiten 49 5.2.2 Charakteristische Kennwerte des flüssigen metallischen Werkstoffs 49 5.2.3 Thixotropes Verhalten 50 5.3 Viskosität und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 51 5.4 Dichte und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 53 5.5 Oberflächenspannung und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.6 Benetzbarkeit und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.7 Prozesssteuerung durch Druckänderung 55 5.7.1 Problembeschreibung 55 5.7.2 Mathematisches Druckmodell für den Tropfenausflussregime 56 5.8 Prozesssteuerung durch Temperaturänderung 59 5.9 Blasenformen während der Gasbewegung durch die Schmelze 60 5.10 Anwendung der dimensionslosen Analyse (Ähnlichkeitstheorie) zur Feststellung des geometrischen und stofflichen Einflusses auf den Hohlkugelbildungsprozess 61 6. Machbarkeitstudie und Wahl der Werkstoffe 64 6.1 Bestimmung der Werkstoffe und das Herstellungsverfahren 64 6.1.1 Amorphe und kristalline Werkstoffe 64 6.1.2 Experimentelle Methoden 64 6.2 Einfluss des Bornitrides auf die Eigenschaften der Schmelze 64 6.3 Vorversuche 66 6.3.1 Untersuchungen zur Filmbildung beim Metall 67 6.3.1.1 Tauchversuch 67 6.3.1.2 Anpassung der Halterung an optimale Randbedingungen 67 6.3.1.3 Auswertung des Tauchversuchs 70 6.3.1.4 Wahl des Düsendurchmessers 70 6.3.2 Bestimmung der Krafteinwirkung der erwärmten Luft auf die Blasenbildung für verschiedene Werkstoffe 71 6.4 Luftausbreitung in der Schmelze 72 6.5 Schlussfolgerungen aus der Machbarkeitsstudie 75 7. Simulation 76 7.1 Simulation mithilfe des CFD-Programms FLUENT 6.3 76 7.2 Vorbereitung zur Simulationsdurchführung 78 7.3 Ergebnisse der Simulation 78 8. Beschreibung der experimentellen Anlage 80 8.1 Teststufen 80 8.2 Umbau der Anlage 81 8.3 Endgültige Modifikation der Anlage 82 8.3.1 Druckluftsteuerung 83 8.3.2 Führungsschienen und Einstellung des Tiegelkippwinkels 84 8.3.3 Luftzufuhr 84 8.3.4 Diagramm des Prozesses 87 8.3.5 Bestimmung der Durchflusswerte 88 8.3.6 Speisungsmöglichkeiten 89 8.3.7 Wasserbehälter 90 8.3.8 Wärmeverluste während der Druckluftzufuhr 90 8.3.9 Auslegung der Heizplatten 93 8.3.9.1 Berechnung der Heizleistung 93 8.3.9.2 Berechnung der Wärmeübertragung 94 8.4 Berechnung der Aufheizdauer der Heizplatten 95 8.4.1 Ermittlung der Temperaturverteilung mithilfe der Simulation 96 8.4.2 Messstellen 96 8.4.3 Ermittlung der Wärmeverteilung mithilfe einer Wärmebildkamera99 8.4.4 Temperaturfeld an der Ausgangsdüse 100 8.4.5 Temperaturfeld in der erstarrenden Schale 101 8.5 Prozessbeobachtung mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera102 9. Diskussion der Ergebnisse 105 9.1 Herstellung der Hohlkugeln und Granulate 105 9.2 Bestimmung des Schalenradiuses aus dem Gitterdurchpustversuch 106 9.3 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Kartuschenlötlampe in einem Atomisierungsregime 107 9.4 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Heizplatten 109 9.4.1 Zusammensetzung des statistischen Versuchsplans 109 9.4.2 Auswertung der Ergebnissen der statistischen Versuchsreih 111 9.4.3 Ergebnisse der statistischen Versuchsreihe 111 9.4.4 Temperaturausbreitung in der Schale und ihr Zusammenhang mit dem Hohlkugeldurchmesser 115 9.4.5 Nebenerzeugnisse 117 9.5 Metallo- und röntgenographische Vorarbeiten 121 9.5.1 Beurteilung des Hohlraums von Hohlkugeln mithilfe Röntgenbildern 121 9.5.2 Beurteilung der Wandstärke von Hohlkugeln mithilfe der lichtmikroskopischen Aufnahmen 122 9.5.3 Mikrostrukturuntersuchungen 123 10. Auswertung der ermittelten Ergebnisse mithilfe des syntaktischen Schaums mit einer Polymermatrix 124 10.1 Syntaktische Schäume 125 10.1.1 Definition und Herstellungsmerkmale 125 10.1.2 Festigkeit der eingebetteten Teilchen und des Schaum 127 10.1.3 Mischungsregel und Kontrolle von Hohlteilchen 128 10.2 Polymer-Wasser Wechselwirkung 129 10.3 Wärmeleitfähigkeit 130 10.4 Elastisch-plastische Eigenschaften 131 10.5 Beurteilung der Gewichtsreduzierung beim Einsatz von Hohlkugeln als Füllgut am Beispiel eines Verbundwerkstoff-Modells mit einer Silikon-Kautschuk-Matrix (SKM) 131 10.6 Probenvorbereitung 132 10.7 Versuchsteil 133 10.7.1. Wasseraufnahme 133 10.7.2. Wärmeleitfähigkeit 135 10.7.3 Elastisch-plastische Eigenschaften 137 10.7.4 Schwimmfähigkeit 140 11. Zusammenfassung und Ausblick 142 Literaturverzeichnis 145 Abbildungsverzeichnis 156 Tabellenverzeichnis 160 Anhang I-LVIII

Das Bauwesen steht in den kommenden Jahren vor der Herausforderung, für eine steigende Weltbevölkerung Habitate und Infrastruktursysteme zu errichten – unter Berücksichtigung abnehmenden Ressourcenvorkommens. Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung neuer, innovativer Leichtbautechnologien für die Baubranche, die auf ein möglichst leichtes Bauen, die Minimierung des Verbrauchs an fossil erzeugter Energie sowie eine recyclinggerechte Bauweise abzielen [1]. Eine Möglichkeit im Bereich des Bauens mit Beton ist die von Werner Sobek entwickelte Technologie des Gradientenbetons. Dieser technologische Ansatz befasst sich erstmalig mit der Optimierung des Bauteilinnenraums und verfolgt das Ziel, die im Bauteil vorherrschenden Spannungsfelder durch die gezielte Platzierung von Hohlräumen zu homogenisieren. Dies ermöglicht die Herstellung von gewichtsminimalen, sortenrein rezyklierbaren und multifunktionalen Bauteilen aus Beton. [Aus: Einführung und Zielsetzung] / For years to come, the construction industry will be faced with the challenge of building habitats and infrastructure systems for an increasing world population – with regard to dwindling resources. This requires the research and development of new, innovative lightweight-construction technologies for the building sector that aim at constructions that are as light as possible, minimize the consumption of fossil-based energy and are designed for recycling [1]. One possibility to meet these requirements in the field of concrete construction is the technology of graded concrete which was invented by Werner Sobek. This technological approach focuses for the first time on the optimisation of the component’s interior and pursues the goal of homogenizing the stress fields prevailing in the component through the targeted placement of cavities. This enables the production of minimal-weight, mono-material and multifunctional components. [Off: Introduction and objectives]

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick