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Infiltration geschlossenporiger pulvermetallurgischer Aluminiumschäume mit Phase-Change-Material und Evaluierung des Potentials des MaterialverbundesSchmerler, Jürgen Rico 19 September 2024 (has links)
Gegenstand dieser Arbeit sind die Erweiterung des Standes der Technik um Verfahren zur Herstellung und die Charakterisierung mit Paraffinen infiltrierter geschlossenporiger Aluminiumschäume.
Die Einzelwerkstoffe werden hinsichtlich ihres strukturellen, mechanischen und thermischen Verhaltens anhand ausgewählter Tests wie der computertomografischen Analyse, dem Druckversuch und dem „Transient-Plane-Source“-Verfahren charakterisiert. Dem schließt sich die Entwicklung von Infiltrationsmethoden zur Herstellung von Werkstoffverbunden aus den Einzelwerkstoffen an. Der Infiltrationsgrad wird als wesentlicher zugehöriger Berechnungs- und Auswertungskennwert analytisch beschrieben. Anhand infiltrationsgerecht gefertigter Aluminiumschaumproben erfolgt die experimentelle Untersuchung verschiedener Infiltrationsverfahren auf Basis statistischer Versuchspläne und deren Gegenüberstellung. Im Anschluss an die Charakterisierung der Verbunde und der Modellierung betrachteter Zielgrößen mittels Regressionsmodellen erfolgt der Vergleich der Verbundeigenschaften mit denen der Einzelwerkstoffe. Nach analytischen Berechnungen zur Auslegung von Latentwärmespeicher-Systemen folgt die Dimensionierung mittels Finite-Elemente-Methode. Die Modellierung auf Basis eines homogenisierten Materialverhaltens wird anhand von Experimenten validiert. Abschließend werden anhand der generierten Werkstoff-Datenbasis Aussagen über das Nutzungspotential für ausgewählte Anwendungen abgeleitet.:Danksagung
Bibliografische Beschreibung
Abbildungsverzeichnis 5
Tabellenverzeichnis 11
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 13
1 Einleitung und Motivation 17
2 Stand der Technik 19
2.1 Aluminiumschaum 19
2.1.1 Einteilung 19
2.1.2 Herstellung 20
2.1.3 Strukturelle Eigenschaften 25
2.1.4 Mechanische Eigenschaften 27
2.1.5 Thermische Eigenschaften 30
2.1.6 Schaummodelle 35
2.1.7 Sandwichstrukturen 36
2.1.8 Anwendungen 39
2.2 Phase-Change-Material 41
2.2.1 Wirkprinzip und Einteilung 41
2.2.2 Herstellung 43
2.2.3 Eigenschaften 44
2.2.4 Konfektionierung 46
2.2.5 Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 48
2.2.6 Anwendungen 53
2.3 Thermische Grundlagen 56
2.3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 56
2.3.2 Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie zur
Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität und Enthalpie 58
2.3.3 Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und
Wärmeleitfähigkeit 58
3 Zielstellung und Präzisierung der Aufgabenstellung 63
4 Infiltrationstechnologie 65
4.1 Grundlagenbetrachtungen zur Infiltration 65
4.1.1 Infiltrierbarkeit geschlossenporiger Aluminiumschäume 65
4.1.2 Verteilung des PCM innerhalb der Probe 65
4.2 Konzeptentwicklung für Infiltrationsverfahren 68
4.2.1 Konzepte PCM-Tauchinfiltration 68
4.2.2 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration ohne Werkzeug 69
4.2.3 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration mit Werkzeug 70
4.3 Fertigung und Modifikation von Aluminiumschaumproben 71
4.3.1 Herstellungsprozess von Aluminiumschaumhalbzeugen 73
4.3.2 Probenabdichtung 73
4.3.3 Infusions- und Injektionsanschlüsse 74
4.4 Berechnung des Infiltrationsgrads 75
4.5 Infiltrationsversuche 77
4.5.1 PCM-Tauchinfiltration 77
4.5.2 PCM-Vakuum-Infiltration ohne Werkzeug 79
4.5.3 PCM Vakuum-Infiltration mit Werkzeug 83
5 Messtechnische Untersuchungen 89
5.1 Strukturelle Charakterisierung 89
5.1.1 Dichte und Porenstruktur 89
5.1.2 Dichteverteilung 92
5.1.3 Ebenheit 95
5.1.4 Permeabilität 96
5.2 Thermische Charakterisierung 98
5.2.1 Wärmeleitung 98
5.2.2 Wärmekapazität 105
5.2.3 Zersetzungstemperaturen 109
5.2.4 Zyklenbeständigkeit 109
5.2.5 Experimente auf Bauteilebene 112
5.3 Mechanische Charakterisierung 116
5.3.1 Druckversuche 116
5.3.2 Kopfzugversuche 120
5.3.3 Schubversuche 123
5.3.4 Intrusionsversuche - Impaktverhalten 124
5.3.5 4-Punkt-Biegeversuche 126
5.3.6 Akustische Charakterisierung 128
6 Berechnung und Simulation 131
6.1 Thermische Dimensionierung und Validierung mittels FEM 131
6.1.1 Auslegung der Latentwärmespeicher-Systeme 131
6.1.2 Berechnung der Verbundeigenschaften 132
6.1.3 Implementierung der Verbundeigenschaften in die
FEM-Umgebung 134
6.1.4 Validierung der thermischen Charakterisierung 137
6.2 Mechanische Dimensionierung und FEM-Validierung 140
6.2.1 Implementierung in die FEM-Umgebung 140
6.2.2 Validierung mechanischer Charakterisierung 142
7 Auswertung und Diskussion 147
7.1 Auswertung der Infiltrationstechnologie 147
7.2 Vergleich der thermischen Eigenschaften mit Literaturdaten 150
7.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit Literaturdaten 154
7.4 Evaluierung des Anwendungspotentials 156
8 Zusammenfassung 166
9 Ausblick 170
10 Literaturverzeichnis 172
Anmerkungen 186
Anhang 188
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Untersuchungen zur Hohlkugel- und Schalenherstellung direkt aus der metallischen Schmelze zu ihrer Anwendung in Leichtbaukonstruktionen / Исследования изготовления полых сфер и оболочек из расплавов металлов и их применение в облегченных конструкциях / Investigation of hollow spheres and shells production from metallic melts and their application in lightweight constructionsPetrov, Michael 22 October 2012 (has links) (PDF)
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.
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Untersuchungen zur Hohlkugel- und Schalenherstellung direkt aus der metallischen Schmelze zu ihrer Anwendung in LeichtbaukonstruktionenPetrov, Michael 08 June 2012 (has links)
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
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Herstellung und Eigenschaften neuartiger, metallischer PolyederzellstrukturenReinfried, Matthias 01 November 2010 (has links) (PDF)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden.
Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS).
Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden.
Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen.
Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden.
In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird.
Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.
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Herstellung und Eigenschaften neuartiger, metallischer PolyederzellstrukturenReinfried, Matthias 11 May 2010 (has links)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden.
Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS).
Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden.
Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen.
Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden.
In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird.
Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.:1 Ziel der Arbeit 1
2 Einführung – zellulare Materialien 3
2.1 Herstellung zellularer metallischer Werkstoffe 4
2.2 Pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Schäumen aus höherschmelzenden Werkstoffen (Stahl, Titan, …) 8
2.2.1 Pressen von Metallpulver-Treibmittel-Mischungen 8
2.2.2 Pressen von Metallpulver-Platzhalter-Mischungen 9
2.2.3 Schaumherstellung mit Metallpulver-Polymer-Mischungen 9
2.2.4 Beschichtung von Trägerstrukturen 10
2.2.5 Technologie zur Herstellung von Hohlkugelstrukturen 11
2.3 Eigenschaften zellularer metallischer Werkstoffe 13
2.4 Die Struktur zellularer metallischer Werkstoffe 14
2.4.1 Mikrostruktur 15
2.4.2 Mesostruktur 16
2.4.3 Makrostruktur 16
2.5 Mechanische Eigenschaften 17
2.5.1 Einleitung 17
2.5.2 Mechanische Prüfung 19
2.5.3 Verformung und Versagen 20
2.5.4 E-Modul und Steifigkeit 22
2.5.4.1 Theoretische Betrachtung 22
2.5.4.2 Praktische Bestimmung der Steifigkeit 24
2.5.5 Einfluss der Strukturebenen auf das mechanische Verhalten 25
2.5.5.1 Makroskopische Parameter 26
2.5.5.2 Einfluss der mikroskopischen Parameter 27
2.5.5.3 Einfluss der mesoskopischen Parameter 28
2.6 Zusammenfassung 31
3 Konzept zur Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs 33
4 Nachweis der Herstellbarkeit einer geschlossenzelligen Struktur 37
4.1 Experimentelle Arbeiten 37
4.1.1 Verwendete Materialien 37
4.1.2 Beschichtung 38
4.1.3 Formgebung - Ausschäumen 38
4.1.4 Wärmebehandlung 39
4.2 Ergebnisse 39
4.3 Zusammenfassung 40
5 Formschäumen 43
5.1 Formteilherstellung aus expandierbarem Polystyrol (EPS) 43
5.2 Überlegungen zum Formschäumen von Grünkugeln 44
5.3 Anforderungen an das Bindersystem beim Formschäumen 44
5.4 Entwicklung des Versuchsstandes 46
5.4.1 Konstruktion des Formwerkzeuges 46
5.4.2 Dampfbereitstellung 48
6 Verfahrensexperimente 49
6.1 Ausgangsmaterialien 49
6.1.1 Metallpulver 49
6.1.2 Expandierbares Polystyrol (EPS) 49
6.1.3 Binder 50
6.2 Grünkugelherstellung 51
6.2.1 Substrataufbereitung 51
6.2.2 Suspensionen 52
6.2.3 Grünkugelherstellung – Beschichtung des EPS 53
6.2.4 Charakterisierung der EPS-Partikel und Grünkugeln 54
6.3 Formschäumen 55
6.3.1 Formschäumen von unbeschichtetem EPS 55
6.3.1.1 Schäumen mit dem Dampfkessel 55
6.3.1.2 Schäumen mit dem Dampferzeuger 56
6.3.1.3 Schäumkraftmessung an EPS- Formkörpern 56
6.3.2 Formkörperherstellung – Formschäumen mit Grünkugeln 57
6.3.2.1 Formschäumen mit Dampfkessel 58
6.3.2.2 Formschäumen mit Dampferzeuger 58
6.4 Untersuchungen an ausgewählten Metallpulver-Binder-Folien 58
6.4.1 Herstellen der Folien durch das Foliengießen 58
6.4.2 Zugversuche an Folien 59
7 Ergebnisse der Formgebung und Grünkörperherstellung 61
7.1 Formschäumen mit EPS-Partikeln 61
7.1.1 Vorgeschäumtes EPS 61
7.1.2 Formkörper aus unbeschichtetem EPS 62
7.1.3 Schäumkraftmessung an EPS-Formkörpern 63
7.1.4 Anzahl der Kontaktflächen geschäumter Partikel 65
7.2 Formschäumen mit Grünkugeln 67
7.2.1 Grünkugelherstellung 67
7.2.2 Formkörperherstellung 71
7.2.2.1 Beurteilung der Metallpulver-Binder-Schichten 74
7.2.2.2 Schäumen mit Dampfkessel 75
7.2.2.3 Schäumen mit Dampferzeuger 76
7.2.2.4 Vergleich der Metallpulver-Binder-Schichten 76
7.2.3 Formkörperherstellung mit Dampferzeuger 77
7.2.3.1 Einfluss des verwendeten Dampfdrucks 78
7.2.3.2 Einfluss von Schäumzeit und Bedampfungszeit 80
7.2.3.3 Schäumkraftmessung bei der Grünkörperherstellung 82
7.3 Metallpulver-Binder-Folien (Grünfolien) 83
7.3.1 Dicke und Dichte der Grünfolien 83
7.3.2 Mechanische Eigenschaften der Folien 83
7.3.2.1 Versuchsergebnisse der „trockenen“ Grünfolien 84
7.3.2.2 Versuchsergebnisse der „nassen“ Grünfolien 84
8 Diskussion der Herstellungsuntersuchungen 87
8.1 Formschäumen 87
8.1.1 Einfluss der Metallpulver-Binder-Schicht auf den Schäumvorgang 87
8.1.2 Modifikation der Binderzusammensetzung 87
8.1.3 Schäumkraftmessungen 88
8.2 Zusammenfassung des Formschäumprozesses 89
8.3 Theoretische Betrachtungen zur Bildung der polyederförmigen Zellen 90
8.3.1 Grundlegende Annahmen 90
8.3.2 Tangentialspannung der Kugelschicht 92
8.3.3 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 92
8.3.4 Geometrische Verhältnisse spezieller Polyeder und ihrer Inkugel 93
8.3.5 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 97
8.4 Zusammenfassung der Herstellungstechnologie von Grünformteilen 98
9 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 103
9.1 Herstellen der Proben 103
9.2 Wärmebehandlung 103
9.2.1 Probenvorbereitung 103
9.2.2 Entbinderung 104
9.2.3 Sintern 104
9.3 Methoden der Charakterisierung 105
9.4 Druckversuche an gesinterten Formkörpern 107
9.4.1 Probenvorbereitung für den Druckversuch 107
9.4.2 Durchführung der Druckversuche 107
9.4.3 Auswertung der Druckversuche 109
9.5 Zugversuche an Folien 110
10 Ergebnisse der mechanischen Prüfungen 111
10.1 Wärmebehandlung 111
10.1.1 Ergebnisse der Sinterung 111
10.1.2 Kohlenstoffgehalte nach der Entbinderung und Sinterung 112
10.2 Metallographie 113
10.3 Ergebnisse der Druckversuche 117
10.3.1 Druckspannung und Stauchung 117
10.3.2 Darstellung der Verformung 118
10.3.3 Probenfestigkeit, Probensteifigkeit und Energieabsorption 119
10.4 Ergebnisse der Folienprüfung 123
10.4.1 Sinterergebnisse (Wärmebehandlung und Metallographie) 123
10.4.2 Ergebnisse der Zugversuche 124
11 Diskussion der mechanischen Prüfungen 125
11.1 Einfluss des Gefüges auf die mechanischen Eigenschaften 126
11.2 Einfluss von Herstellungsparametern auf die mechanischen
Eigenschaften 127
11.2.1 Primäre Herstellungsparameter 127
11.2.2 Sekundäre Herstellungsparameter 129
11.2.3 Einfluss der Zwickelform auf die lokale
Spannungsverteilung im Zwickelbereich 136
11.2.4 Einfluss der Probenfläche 140
11.3 Elastisches und plastisches Deformationsverhalten der Proben im Druckversuch 142
11.3.1 Elastischer Bereich 144
11.3.2 Elastisch-plastischer Übergangsbereich 149
11.3.3 Plateaubereich 151
11.3.4 Lokale Maxima im Plateaubereich der
Druckspannung-Stauchung-Kurve 153
11.4 Zusammenfassung zu den mechanischen Eigenschaften und
Einordnung der Ergebnisse 155
12 Zusammenfassung und Ausblick 161
12.1 Zusammenfassung 161
12.2 Ausblick 166
13 Literaturverzeichnis 171
14 Anhang 185
14.1 Abbildungen und Tabellen 185
14.2 Verzeichnis der Abbildungen 200
14.3 Verzeichnis der Tabellen 208
14.4 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 211
Danksagung 217
Versicherung 219
Lebenslauf 221
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Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von nichtdurchströmten zellularen MetallenSkibina, Valeria 05 February 2013 (has links) (PDF)
Zellulare metallische Strukturen zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und ihre komplexe geometrische Struktur aus. Dadurch ist die Bestimmung ihrer Wärmeleitfähigkeit eine komplizierte und aufwändige Messaufgabe. Für die vorliegende Arbeit wurden Materialien ausgewählt, die sich im Grundmaterial, in der Herstellungsmethode und im strukturellen Aufbau unterscheiden. Dabei wurden Materialien mit unterschiedlicher Porosität und Porengröße untersucht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde mit drei unterschiedlichen Messverfahren bestimmt. Die Messungen wurden bei normalem Druck bei Raumtemperatur und für ausgewählte Materialien bis maximal 800 °C durchgeführt. Dabei wurden die Bedingungen für die optimale Durchführung der Messungen und die Probleme jedes Verfahrens herausgearbeitet. Daraus wurden Empfehlungen für die optimale Messungsdurchführung abgeleitet. Die gewonnenen Messergebnisse wurden miteinander, mit Werten aus der Literatur und mit vorhandenen mathematischen Modellen verglichen.
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Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von nichtdurchströmten zellularen MetallenSkibina, Valeria 30 November 2012 (has links)
Zellulare metallische Strukturen zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und ihre komplexe geometrische Struktur aus. Dadurch ist die Bestimmung ihrer Wärmeleitfähigkeit eine komplizierte und aufwändige Messaufgabe. Für die vorliegende Arbeit wurden Materialien ausgewählt, die sich im Grundmaterial, in der Herstellungsmethode und im strukturellen Aufbau unterscheiden. Dabei wurden Materialien mit unterschiedlicher Porosität und Porengröße untersucht. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wurde mit drei unterschiedlichen Messverfahren bestimmt. Die Messungen wurden bei normalem Druck bei Raumtemperatur und für ausgewählte Materialien bis maximal 800 °C durchgeführt. Dabei wurden die Bedingungen für die optimale Durchführung der Messungen und die Probleme jedes Verfahrens herausgearbeitet. Daraus wurden Empfehlungen für die optimale Messungsdurchführung abgeleitet. Die gewonnenen Messergebnisse wurden miteinander, mit Werten aus der Literatur und mit vorhandenen mathematischen Modellen verglichen.
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