Composite monocoque frames are becoming increasingly more popular inperformance cars. Compared to their steel and aluminum counterparts theyprovide additional torsional stiffness at the cost of less weight. This thesiscovers the complex optimization process of a monocoque applied within theregulations of a Formula Student competition. It aims to give the reader a goodunderstanding of the rules and how they affect the optimization process whilegenerating an optimized design used in the competition of Formula StudentGermany -21 by KTH Formula Student. The rules of Formula Student dictate the structural requirements on themonocoque based on a steel space frame. All materials except low carbon steelused in the structure require proof of equivalence through regulated testingmethods. However, this thesis shows that the regulated setup can severelyaffect results through a deep analysis of the testing methodology.The torsional stiffness of the monocoque is analyzed and optimized accordingto the results of a free-size optimization. Both through slight adjustmentsin chassis geometry and the laminate, resulting in a theoretical torsionalstiffness of 9.9 kNm/deg, more than five times as much as the old space frame.Weighing in at 20 kg, a significant weight reduction of about 10 kg, eventhough it was larger, with a surface area of about 4.2 m2. This design will be the first monocoque manufactured within KTH FormulaStudent since 2010. Therefore, a lot of focus was put on analyzing the rulesand lay the ground for future development by conducting tests on optimizedpanels. These results have the potential to further reduce the weight of a futuremonocoque with a different geometry. / Allt fler sportbilar använder självbärande karosser i komposit. Till skillnadfrån deras stål och aluminium motsvarighet så tillåter kompositkonstruktionenen styvare konstruktion för samma vikt. Denna rapport går igenom denkomplicerade optimeringsprocessen för en självbärande kaross i kolfiber appliceratinom tävlingen Formula Student. Målet med rapporten är att läsaren ska fåen bättre förståelse av reglerna och dess påverkan på optimeringsprocessensamtidigt som en optimerad design presenteras för användandet i “FormulaStudent Germany -21” åt KTH Formula Student. Reglerna inom Formula Student ställer strukturella krav på den självbärandekarossen baserat på en standard för stålrörsramar. Alla material förutomlåg kols stål som används i strukturen kräver att ekvivalens bevisas genomspecifika tester. Denna rapport visar att dessa tester kan generera olika resultatgenom en djup analys av metodiken. Torsions styvheten av karossen analyseras och optimeras enligt reglernagenom en så kallad free-size optimization". Genom att variera geometri ochkomposit utvecklades en kaross som var mer än 5 gånger så styv som dentidigare stålrörsramen med en teoretisk torsions styvhet på 9.9kNm/deg. Meden vikt på 20 kg reducerades även vikten 10 kg, även om den var större, ochhade en area på cirka 4.2m2. Denna design kommer att vara den första självbärande komposit karossentillverkad inom KTH Formula Student sedan 2010. Efter den djupa analysen avreglerna, testas då de optimerade panelerna, vilket lägger grunden för framtidautvecklingen. Dessa resultat har potential att reducera vikten ytterligare av enframtida kaross, genom ändringar i geometrin.

I ett samhälle som stävar alltmer mot hållbarhet och minskade utsläpp så är det viktigt att arbeta med nya material som bidrar till detta. Denna studie undersöker om den träfiberbaserade termoplasten Prime från Woodcomposites kan vara ett potentiellt ersättningsmaterial till toppkåpan på Husqvarnas Automower. Prime är en termoplast som innehåller 20% träfiber. Komponenten är idag tillverkad i ASA, vilket är en petroleumbaserad termoplast och nära släkting till ABS. På grund av den ökade tillgängligheten till materialdata för ABS jämfört med ASA och plasternas synnerligen liknande egenskaper så kommer samtliga tester i rapporten att utföras med ABS. Rapporten kommer att ta reda på om det går att minska koldioxidutsläppen vid tillverkning av kåpan, samt om Prime klarar av Husqvarnas hållfasthetskrav och att användas i utomhusmiljö. Förutom att de mekaniska egenskaperna är viktiga så spelar även ett materials utseende stor roll i hur attraktiv en produkt blir. Därför presenterar rapporten två designkoncept som syftar till att ge förslag på hur man kan integrera materialet i Husqvarnas design. Resultaten visar att det går att göra en minskning i CO2-utsläpp vid tillverkning på 34,7% om man byter ut ABS mot Prime. Dessutom, i kontrast till hypotesen så absorberar Prime endast marginellt mer fukt. Det handlar om tiondels procentenheter. Utöver detta så är det mer styvt än ABS och har ett liknande inköpspris vilket tyder på goda möjligheter att kunna använda Prime som alternativ till ASA i denna applikation. / In a society where sustainability and reduced carbon emissions is an increasingly important topic, it’s important to work with materials that contributes to this. This study is investigating if the wood-fibre based thermoplastic Prime from Woodcomposites has the potential to replace the material of the top cover for Husqvarna’s Automower. Prime is a thermoplastic containing 20% wood-fibres. Today the component is made from ASA, which is a petroleum-based thermoplastic that is closely related to ABS. Due to the increased availability of material data for ABS compared to ASA and the fact that they have very similar physical properties, all of the tests in this report will be performed with ABS. The study will find out if it’s possible to reduce the carbon emissions from manufacturing of the cover, but also if Prime is up to the material standards of Husqvarna and is fit to be used in an outdoor environment. Besides the importance of the mechanical properties, the look of the material also plays a big role in determining if it’s applicable to the product. It has to match the current design language and brand image of the company. Therefore, there are two design concepts presented in the report to give an idea of how the material can be implemented in Husqvarna’s design. The results show that it’s possible to reduce the carbon emissions from manufacturing by 34,7% if you change the material from ASA to Prime. Furthermore, in contrast to the hypothesis the absorption of moisture in Prime is only a fraction of a percent larger than ABS. Prime is also stiffer and has a similar price which speaks for the possibility to use it as an alternative to ASA in this application.

Polyamide 6/SiO2 hybrid materials were produced by a coupled polymerization reaction of three monomeric components namely 1,1′,1′′,1′′′-silanetetrayltetrakis-(azepan-2-one) (Si(ε-CL)4), 6-aminocaproic acid (ε-ACA) and ε-caprolactam (ε-CL) within one process. Si(ε-CL)4 together with ε-ACA has been found suitable as a precursor monomer for the silica and PA6 components. The accurate adjustment of the molar ratio of both components, as well as the combination of the overall process for producing the polyamide 6/SiO2 hybrid material with the hydrolytic ring opening polymerization of ε-caprolactam is of great importance to achieve homogeneous products with a low extractable content. Water in comparison with ε-ACA has been found unsuitable as an oxygen source to produce uniformly distributed silica. The procedure was carried out in a commercial laboratory autoclave at 8 bar initial pressure. The molecular structure and morphology of the hybrid materials have been investigated by solid state 29Si and 13C NMR spectroscopy, DSC and FTIR spectroscopy and electron microscopy measurements. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Den här rapporten innehåller en analys av en cykelram tillverkad i träkomposit med hjälp av finita elementmetoden. En grupp studenter, utbildade inom finsnickeri, har utvecklat och tagit fram cykeln men behöver hjälp utifrån med den fortsatta utvecklingen av den.S yftet med det här arbetet är att skapa ett underlag som ligger till grund för förbättringar av cykelns geometri, genom att utvärdera nuvarande konstruktion. Underlaget skall även ligga till grund för att underlätta val av material. Materialdatan som tilldelats innehåller information om tre olika material med två olika tjocklekar, 3 och 4 mm. Då materialdatan inte tar träets fiberriktning i beaktande, har ingen hänsyn kunnat tas till att materialen egentligen är ortotropiska, vilket innebär att värdena är grova uppskattningar och vidare studier behövs för att fastställa noggrannare värden. Då uppdragsgivarna inte hade en fungerande Computer Aided Design-modell (CAD) gjordes en omkonstruktion och anpassning för att fungera med Finita Element Metoden-programmet (FEM). CAD-modellen konstruerades i Creo Parametric 3.0 och FEM-programmet som har använts är Creo Simulate.Då det inte går att simulera alla situationer som en cykel utsätts för, har fyra stycken lastfall valts ut. Lastfallen är tänkta att vara fall som inträffar relativt ofta men som även belastar cykelramen hårt, nämligen stöt i fram- och bakhjul samt cykling uppför sittandes och ståendes. Resultaten som presenteras i den här rapporten visar att nuvarande konstruktion med 3 mm tjocklek klarar de lastfall som har simulerats. Det resulterar i att tjockleken 4 mm, som är ett av alternativen, är onödigt tjock. Vidare utveckling bör instället fokusera på att välja materialstruktur utifrån önskade egenskaper. / This thesis contains an analysis of a bicycle frame made of wood composite using finite element analysis. A group of students, educated in carpentry, have developed and created a bike but needs help from third part to continue the development of it. The intention of this project is to create a basis as a foundation for future improvements on the bicycle geometry, by evaluating current construction. This basis shall also to be used when material is picked to ease the process. The material data which has been received includes information about three different materials with two variants of thickness, 3 and 4 mm. As the material data does not take fiber direction into consideration, no regard has been made to the fact that the materials actually are orthotropic, which mean further studies are required to determine more accurate values. Since the employer did not have a properly working Computer Aided Design-model (CAD), a reconstructed and adapted model to function in the Finite Element Analysis (FEA) environment was created. The CAD-model was constructed using Creo Parametric 3.0 and the FEA software used was Creo Simulate. Since it’s not possible to simulate all situations that a bicycle is exposed to, four load cases have been chosen. The load cases are intended to be situations that occur relatively often but also put the bike structure under a lot of stress, namely a bump in the front and back wheel and also climbing in and out of the saddle. The results presented in this thesis report show that the current construction with 3 mm thickness can endure the load cases without exceeding any limits. This concludes that that 4 mm thickness, which is an option, is unnecessary thick. Further development should instead be focused on choosing the proper material structure based on desired properties.

Die Synthese von neuartigen organisch-anorganischen Polymer-Zeolith-Hybriden wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Die Hybride wurden durch kationische Polymerisation elek-tronenreicher Monomere direkt in den Poren der Zeolithe und zeolithanalogen Materialien hergestellt. Die Vinylether Ethyl-, Isobutyl-, Cyclohexyl- und 2-Chlor-ethylvinylether, 2,3-Dihydrofuran, 2-Methoxypropen sowie N-Vinylcarbazol wurden zur Herstellung der orga-nischen Komponente der Hybride genutzt. Die Polymerisation wurde dabei einerseits durch die Protonen der Zeolithgitter und andererseits durch separate Oberflächeninitiatoren gestar-tet. Die anorganische Basis der Hybride bildeten vorrangig mikroporöser HY-Zeolith und mesoporöses MCM-41. Bei der Synthese entstand neben dem eingeschlossenen Polymer im Zeolith eine vom Hybrid extrahier-bare Polymerfraktion. Beide Fraktionen wurden mittels GPC und einer speziellen Kopplung von GPC und UV/Vis-Spektrometer analysiert. DSC und dielektrische Spektro-skopie wurden zur Glasübergangstemperaturbestimmung herangezogen. Die Strukturuntersuchung der neuartigen Hybridmaterialien erfolgte mit Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie XRD, Transmissionselektronenmikroskopie TEM, Sekun-därelektro-nenmikroskopie SEM, Elektronenstrahlmikroanalyse ESMA, UV/Vis-Spektroskopie und Infrarotspektroskopie FT-IR. Die Porentopologie wurde mit Stick-stoff-sorp-tionsmessungen bestimmt.

Wenn erworbene oder angeborene Knochendefekte aufgrund überkritischer Größe oder krankhafter Störungen nicht durch natürliche Regenerationsprozesse geheilt werden können, ist der Einsatz von Knochenersatzmaterialien notwendig. In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen ein neuartiges Knochenersatzmaterial zu entwickeln und eingehend zu charakterisieren. Dazu wurden die Phasen Silikat und Kollagen in einem biomimetisch inspirierten Prozess zu einem Anorganik/Organik-Komposit verbunden. Calciumphosphatphasen konnten darüber hinaus als dritte Komponente hinzugefügt werden. Dafür wurden Herstellungsstrategien entwickelt, die Silikat in Form von Kieselsäure, Kollagen als hochkonzentrierte Suspension und gegebenenfalls Calciumphosphat als Pulver zu homogenen Mischungen vereinten. Als Zwischenprodukte wurden Komposithydrogele erhalten, deren Überführung in Xerogele in der Literatur als kritischer Schritt gilt, weil die dabei auftretenden Kapillarspannungen die Gelstruktur in der Regel irreversibel zerstören, wodurch das Material als Pulver oder Fragmente erhalten wird. Im vorliegenden Fall aber konnte die Gelfestigkeit in einem definierten Zusammensetzungsbereich durch die Kompositbildung und die kontrollierte Trocknung der Hydrogele so gesteigert werden, dass monolithische Proben von bis zu mehreren Kubikzentimetern Größe erhalten wurden. Diese konnten ohne weitere Verarbeitungsschritte einer Reihe von Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften, Bioaktivität, Degradabilität und Biokompatibilität unterzogen werden.

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Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

Die Synthese von neuartigen organisch-anorganischen Polymer-Zeolith-Hybriden wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Die Hybride wurden durch kationische Polymerisation elek-tronenreicher Monomere direkt in den Poren der Zeolithe und zeolithanalogen Materialien hergestellt. Die Vinylether Ethyl-, Isobutyl-, Cyclohexyl- und 2-Chlor-ethylvinylether, 2,3-Dihydrofuran, 2-Methoxypropen sowie N-Vinylcarbazol wurden zur Herstellung der orga-nischen Komponente der Hybride genutzt. Die Polymerisation wurde dabei einerseits durch die Protonen der Zeolithgitter und andererseits durch separate Oberflächeninitiatoren gestar-tet. Die anorganische Basis der Hybride bildeten vorrangig mikroporöser HY-Zeolith und mesoporöses MCM-41. Bei der Synthese entstand neben dem eingeschlossenen Polymer im Zeolith eine vom Hybrid extrahier-bare Polymerfraktion. Beide Fraktionen wurden mittels GPC und einer speziellen Kopplung von GPC und UV/Vis-Spektrometer analysiert. DSC und dielektrische Spektro-skopie wurden zur Glasübergangstemperaturbestimmung herangezogen. Die Strukturuntersuchung der neuartigen Hybridmaterialien erfolgte mit Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie XRD, Transmissionselektronenmikroskopie TEM, Sekun-därelektro-nenmikroskopie SEM, Elektronenstrahlmikroanalyse ESMA, UV/Vis-Spektroskopie und Infrarotspektroskopie FT-IR. Die Porentopologie wurde mit Stick-stoff-sorp-tionsmessungen bestimmt.