Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2017-05-25T11:35:08Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-05-25T11:35:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A tecnologia de nanocompósitos é aplicável a uma vasta gama de polímeros termoplásticos e termofixos. A utilização de subprodutos da cana de açúcar tem sido extensivamente estudada como fonte de reforços para os nanocompósitos. O bagaço da cana é largamente utilizado na cogeração de energia e, como resultado da queima deste material, são produzidas milhões de toneladas de cinzas. Para este trabalho, sílica contida nas cinzas do bagaço da cana de açúcar foi extraída por método químico e método térmico. O método térmico se mostrou mais eficiente levando a uma pureza de mais de 93 % em sílica, enquanto o método químico gerou sílica bastante contaminada com cloro e sódio provenientes dos reagentes da extração. As partículas de sílica obtidas foram avaliadas por espalhamento de luz dinâmico (DSL) e apresentaram tamanho médio de 12 μm. Estas partículas foram submetidas à moagem em moinho de bolas e na sequência a tratamento sonoquímico em meio líquido. As partículas de sílica tratadas no processo sonoquímico a 20 kHz, potência de 500 W e 90 minutos tiveram suas dimensões reduzidas a escala nanométrica da ordem de dezenas de nanômetros. A nanossílica obtida foi então incorporada como reforço em polietileno de alta densidade (HDPE). Ensaios mecânicos e termo-mecânicos mostram ganhos de propriedades mecânicas, com exceção da propriedade de resistência ao impacto. O ensaio de deflexão térmica (HDT) mostrou que a incorporação deste reforço no HDPE levou a um pequeno aumento nesta propriedade relação ao HDPE puro. A cristalinidade dos nanocompósitos gerados foi avaliada por meio de calorimetria exploratória diferencial (DSC) e observou-se um decréscimo de cristalinidade do material quando a incorporação de reforço foi de 3%. O material irradiado a 250 kGy com feixe de elétrons mostra ganhos acentuados na principais propriedades do mesmo, principalmente devido ao alto nível de reticulação do HDPE irradiado. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Das Ultraschall-Punktschweißen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen hat in der letzten Zeit bei Forschern in der Luftfahrt- und Automobilindustrie großes Interesse hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung zum Verbinden großer thermoplastischer Verbundbauteile durch Punktschweißen mit einem hohen Automatisierungsgrad. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschallschwingungsenergie an der gewünschten Fügestelle zwischen zwei Fügepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten untersucht. Bei diesem untersuchten Verfahren waren keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den Fügepartnern erforderlich, um die Vibrationsenergie zu fokussieren. Es wurde festgestellt, dass es durch Schweißen der Laminate zwischen einer Sonotrode und einem Amboss möglich war, eine lokalisierte Wärme durch Reibung zu erzeugen in dem die Sonotrode eine größere Kontaktfläche mit dem Laminat als mit dem Amboss aufwies. In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte Erwärmung abgeschwächt. Folglich zentrierte sich die zyklische Verformung in diesen abgeschwächten Grenzflächen. Die Annahme des Vorhandenseins der Reibung und ihres Einflusses auf die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer FEM-Analyse untersucht. Die mikroskopische Analyse des Schweißpunktes lieferte schließlich den Beweis für die Schmelzauslösung an einem Ring um den Schweißpunkt und das anschließende Punktwachstum. Um die räumliche Verteilung der Temperatur und ihre zeitliche Entwicklung in der Schweißzone während des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, wurde das thermische Problem numerisch modelliert. Zur Verifizierung der mathematischen Modelle wurden die berechneten Zeitverläufe der Temperatur im Schweißpunktzentrum mit den experimentell ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass nach einer bestimmten Schweißzeit die Temperatur im Schweißzentrum plötzlich anstieg und das Polymer an der Schweißstelle überhitzt und die Zersetzung begann. Es wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf der verbrauchten Leistungskurve durch das Schweißgerät einem ähnlichen Muster folgte, wie der Zeitverlauf der Temperatur in der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeitliche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit überwacht. Sobald ein kritischer Wert überschritten wurde, wurde die Ultraschallschwingungsamplitude aktiv durch einen Mikrocontroller eingestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Temperatur im Schweißpunkt indirekt gesteuert, um während der gesamten Schweißdauer in einem optimalen Bereich zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißprozesses wurden mittels Temperaturmessungen und Computertomographie bewertet. Aus der Studie wurde der Schluss gezogen, dass das leistungsgesteuerte Ultraschall-Punktschweißverfahren eine effiziente und stabile Methode zum automatischen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Teilen ist.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix / The ultrasonic spot welding of fibre-reinforced thermoplastic composites has recently received strong interest among researchers mainly in the fields of aerospace and automotive industries. It offers an efficient solution to join large thermoplastic composite parts through the spot welding approach with a high level of automation. In this study, a new technique for focusing the ultrasonic vibration energy at the desired spot between two mating thermoplastic composite laminates was investigated. In this method, no additional energy directing protrusions between the weldments were required to focus the vibration energy. It was found that by welding the laminates amid an ultrasonic sonotrode and an anvil in which the prior had a larger contact surface with the laminate as the latter, it was possible to generate a localised frictional heating. In the initial phase of the welding, the frictional heating softened the interfacial layers and thus caused the focusing of the strain energy in the weld spot centre. The assumption for the presence of the friction and its influence on the heat generation was investigated by means of finite element method analysis. Microscopic analysis of the weld spot delivered the proof for the melt initiation at a ring around the weld spot and subsequent inwards growth of the weld spot. In order to gain a better understanding of the temperature spatial distribution and its temporal development in the weld zone during the ultrasonic welding process, the thermal problem was analysed using the explicit finite difference method. The mathematical model was verified through a comparison between the calculated temperature curves and the experimentally obtained counterparts. It was found that after a certain weld duration the temperature in the weld centre underwent a sudden increase and caused the overheating and decomposition of the polymer in the weld spot. It was observed that the time trace of the consumed power curve by the welder followed a similar pattern as the time trace of the temperature in the weld spot centre. Based on this observation, a control system was developed accordingly. The time derivative of the weld power was monitored in real time and as soon as it exceeded a critical value, the ultrasonic vibration amplitude was actively adjusted through a microcontroller. In this approach, the temperature in the weld spot was indirectly controlled to remain within an adequate range throughout the welding duration. The results of the controlled welding process were evaluated by means of temperature measurements and computed tomography scans. It was concluded from the study that the power-controlled differential ultrasonic spot welding process could be an efficient method to fusion bond the fibre-reinforced thermoplastic parts in an automated manner.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix

Les thermoplastiques et les composites thermoplastiques sont généralement mis en œuvre par thermoformage et sont alors le plus souvent préchauffés en utilisant un chauffage IR. L’avantage du chauffage radiatif est qu'il permet de chauffer les polymères à cœur grâce au caractère semi-transparent des polymères. Néanmoins, dans le cas des polymères semi-cristallins, le chauffage radiatif est affecté par la structure cristalline et cette thèse a donc eu pour objectif d’améliorer la compréhension de l'interaction entre la structure cristalline et les propriétés optiques dans le but de proposer un modèle prédictif de chauffage de thermoplastiques semi-cristallins.Cette étude répond à une problématique industrielle relative au contrôle de la température des thermoplastiques semi-cristallins dans les procédés recourant au chauffage radiatif. L’optimisation de ces procédés requiert un code de calcul suffisamment robuste pour permettre une bonne prédiction du champ de température tout en conservant des temps de calcul acceptables. Une approche combinée expérimentale et numérique a ainsi été proposée dans le but de modéliser la capacité d’absorption du rayonnement thermique de milieux polymères semi-cristallins et le transfert de chaleur par rayonnement avec changement des phases de cristaux/amorphe. Ces travaux se concentrent sur le PEHD, qui présente un intérêt particulier pour l’entreprise Procter&Gamble.Dans cette thèse, après avoir établi une revue bibliographique mettant en avant les couplages existants entre les phénomènes de diffusion optique, la microstructure des polymères semi-cristallins et la température, une caractérisation et une analyse poussées des propriétés radiatives de deux polyéthylènes sont proposées. Les analyses morphologiques et optiques ont été réalisées à température ambiante et dans des conditions de chauffage afin d’identifier les formations cristallines à l’origine de la diffusion optique dans des polymères semi-cristallins et l’évolution de ce couplage au cours du chauffage. A travers ce travail de recherche, un coefficient d’extinction spectral thermo-dépendant a été proposé afin de décrire le caractère optiquement hétérogène du milieu semi-cristallin par un milieu homogène équivalent. Sur la base de la caractérisation de la capacité d'absorption du rayonnement thermique, un modèle thermique conducto-radiatif thermo-dépendant a été développé. Afin d’évaluer la précision de la modélisation, une méthodologie expérimentale spécifique a été proposée pour mesurer la température de surface par thermographie IR dans le cas du PEHD semi-transparent. L’étape finale a consisté à confronter les résultats issus des simulations numériques basées sur cette modélisation à plusieurs campagnes de mesures expérimentales. Les résultats de ces travaux démontrent la forte influence de la structure morphologique des polymères semi-cristallins sur les transferts de chaleur radiatifs. / Thermoplastics and thermoplastic composites are promising candidates for manufacturing highly cost- effective and environmental-friendly components in terms of rapid forming and recyclability. Thermoforming is extensively used for the processing of thermoplastics where IR heating is widely applied. The major advantage of radiative heating is that the significant portion of radiation penetrates into the semi-transparent polymer media.This thesis focuses on understanding of IR heating of semi-crystalline thermoplastics which aims to analyze the driven mechanisms for radiation transport in optically heterogeneous unfilled semi-crystalline polymer media. Considering the relatively narrow thermoforming window of semi-crystalline thermoplastics, accurate temperature control and close monitoring of temperature field is crucially important for successful forming process. It is thus required to build a numerical model robust enough to allow a good prediction of the temperature field while maintaining acceptable calculation times. In this research work, a combined experimental-numerical approach has been proposed which enables both to characterize the radiation absorption capacity of semi-crystalline polymer media and, to model the radiation heat transfer considering the crystalline/amorphous phases change under heating. This research focuses on a particular polymer - highly crystalline HDPE- which is supported by Procter & Gamble.In this thesis, the literature was reviewed at first for highlighting the existing coupled relation between the optical properties and the crystalline structure of semi-crystalline polymers. The role of crystalline morphology on the optical properties and optical scattering of two type of polyethylene, namely HDPE and LLDPE, were addressed. More specifically, the morphological and optical analyses were performed at room temperature and under heating to determine: which crystalline formations are responsible for optical scattering in semi-crystalline polymer media and, how does their coupled relationship evolve under heating conditions? Hence, one of the key contributions of this research is on establishing a temperature-dependent spectral extinction coefficient of HDPE allowing to describe temperature- dependent radiation absorption capacity of its semi-crystalline medium and, to model radiative transfer considering an equivalent homogeneous medium. Based on the characterization of radiation absorption capacity of semi-crystalline media, a temperature-dependent conduction-radiation model was developed. In order to assess the modeling accuracy, an experimental methodology was proposed for non-invasive surface temperature measurements via IR thermography on semi-transparent polymer media. The final step was to compare the results of numerical simulations with the several IR heating experiments to prove the strong influence of the crystalline morphology on heat transfer.

Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

Continuous fibre-reinforced thermoplastics often are offered as impregnated and consolidated semi-finished products which are known as organic sheets. The thermoplastic matrix leads to several advantages including the thermoformability and weldability. Parts made of organic sheets are frequently produced by forming the semi-finished product into half-shells and stiffening those shells in the course of the process e.g. by the injection moulding of ribs. Larger and more complex parts with hollow body structures can be manufactured e.g. by forming the semi-finished products into half-shells and joining the half-shells. However, the currently available manufacturing technologies for parts made of organic sheets have cap profile shaped joints which prevent the use of the reinforcing fibres across the joint plane. Investigations have proven that overlapping weld joints in organic sheets show much higher strengths than cap profile shaped joints which can be explained by the fibre use across the joint plane. Furthermore, the infrared welding technology was verified as an appropriate process for the welding of organic sheets since no need for additional welding material is given, short heating times can be realized and no contact of the infrared emitters to the joining parts is required. Therefore, the present study shall reveal the high potential of the overlapping welding of organic sheets. Influences on the weld strengths of infrared welded organic sheets are described and potential improvements concerning the materials to be welded as well as the welding process are shown.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste werden oftmals als imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge angeboten. Solche thermoplastischen Prepregs werden üblicherweise als Organobleche bezeichnet. Die thermoplastische Matrix ermöglicht unter anderem die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit von Organoblechen. Organobleche sind, durch die ausschließliche Möglichkeit sie mittels Thermoformen umzuformen, in ihrer Formgebung auf halbschalige Strukturen beschränkt, welche begrenzte Torsions-, Verwindungs- und Beulsteifigkeiten aufweisen. Um die Steifigkeiten dieser schalenförmigen, offenen Bauteile zu erhöhen, können z. B. versteifende Rippen oder Verstärkungssegmente eingebracht werden. Aufgrund des Thermoformprozesses sind mit Organoblechen, verglichen mit duroplastischen Systemen, jedoch nur kleine und einfache Bauteilgeometrien realisierbar. Um neben der Steifigkeitserhöhung auch größere und komplexere Bauteile herzustellen, können die schalenförmigen Organobleche während des Umformvorgangs gefügt werden. Auf diese Weise werden Hohlkörper in Doppelhutprofilform gefertigt. So werden, auch ohne Einbringung von Rippen o. ä., hohe Bauteilsteifigkeiten erreicht. Die Doppelhutprofilform hat jedoch eine nicht optimale Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg zur Folge, da die Fasern von der Belastungsrichtung abweichend umgelenkt werden. Im vorliegenden Beitrag wird daher das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen behandelt, was eine Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg ermöglicht. Die Prozess- und Werkstoffeinflüsse auf die Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Möglichkeiten zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften dargestellt. Des Weiteren werden Optimierungskriterien für überlappende Infrarotschweißungen an den untersuchten Organoblechen festgelegt. Die im Verlauf der Forschungsarbeiten umzusetzenden Verfahrensvarianten zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen aus Organblechen werden zudem vorgestellt.

The design of traction mechanisms of continuous conveying units (e. g. plastic chains) is so far based on a purely mechanical dimensioning. However, mechanical limits are only applicable in a limited way to avoid system failure. With higher speeds or pressure, especially the thermal stress increases, which results in system failure based on softening or melting of the materials at a certain temperature. By means of systematic studies, correlations between friction temperature, coefficient of friction, wear and process parameters are examined. On this basis, a model for calculating the friction temperature is developed. / Die Konstruktion von Zugmitteln für kontinuierliche Fördereinheiten (z. B. Kunststoffketten) beruht bisher auf einer rein mechanischen Dimensionierung. Allerdings sind mechanische Grenzwerte zur Vermeidung von Systemausfall nur bedingt anwendbar. Bei größeren Geschwindigkeiten oder Druck erhöht sich insbesondere die thermische Beanspruchung, was bei einer bestimmten Temperatur zum Systemausfall durch Erweichung oder Schmelzen der Werkstoffe führt. In systematischen Untersuchungen wurden die Korrelationen zwischen Reibungstemperatur, Reibungskoeffizient, Verschleiß und den Prozessparametern untersucht. Auf dieser Basis wurde ein Modell zur Berechnung der Reibungstemperatur entwickelt.

Durch die Ergänzung von Organoblechen mit gewebten Strukturen aus Metalldrähten können hochbelastbare Bauteile gleichzeitig mit einer abschirmenden Wirkung versehen werden und ermöglichen so Anwendungen wie beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein polypropylen-basierter Schichtverbund aus thermoplastischen Hochleistungsfaserverbunden und Metalldrahtgewebe hinsichtlich seiner Eignung zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen für Gehäusestrukturen und seiner Verarbeitbarkeit im Spritzgießen näher analysiert. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss von Defekten, wie sie bei der Herstellung realer Bauteile entstehen können, und deren Auswirkung auf die Abschirmwirkung des Bauteils. Darüber hinaus werden mit Vibrations-,Infrarot- und Heißgasschweißen mögliche Fügeverfahren aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Abschirmwirkung bewertet, die auch eine elektrische Kontaktierung über die Fügestelle hinweg ermöglichen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung / By combining endless glass fiber reinforced thermoplastic semifinished products with embedded metal wire meshes it is possible to produce highly stressable parts, which additionally allow shielding of electromagnetic waves. Therefore these party can be used for electric cars. In this study a multi-layer film, consisting of polypropylene-based organosheets, PPGF30 and metal wire meshes, is analyzed regarding its suitability for shielding against electromagnetic waves and its processability in injection molding. The analysis show the influences defects, which accure during the production of housings, and their impact of the shielding effectiveness. Moreover possible joining technologies, such as infraredwelding, vibrationwelding and ultrasonicwelding, are studied and evaluated whether it’s possible to create a electrically conductive joint.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung

Neuartige Hybridgarn-Textil-Thermoplaste (HGTT) ermöglichen die automatisierte Fertigung von Faserverbundbauteilen in serienfähigen Taktzeiten. Im Rahmen des Produktionstechnischen Zentrums der TU Dresden (ProZeD) und mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung wurde ein solcher Fertigungsprozess entwickelt und gestaltet. In diesem wird das Bauteil in zwei wesentlichen Schritten aus textiler Rollenware durch einmaliges Erwärmen und Konsolidieren bei gleichzeitiger Formgebung hergestellt. Im ersten Schritt erfolgt der endkonturnahe Zuschnitt, sowie für dickwandigere Bauteile das Übereinanderlegen mehrerer textiler Preforms und deren Fixierung gegen Verrutschen. Für diesen Prozessschritt wurden das Plasmaschneiden als Trennverfahren von HGTT untersucht und ein Abwicklungsmechanismus für die Rollenware sowie ein Greifersystem für das verzugsfreie Handling der Preform entwickelt. Kernstück der technischen Umsetzung ist dabei eine Parallelkinematik, die a) den Plasmabrenner zum Ausschneiden der Preform führt, b) das Handling der Lagen übernimmt und c) durch optische Überwachung der Faserlage die Qualität sichert. Im zweiten Prozessschritt wird in einem angetriebenen Werkzeug das Material durch Heißpressen konsolidiert. Zur Sicherung einer effektiven Temperierung wird beim Werkzeug auf das MELATO-Prinzip zurückgegriffen und dessen mögliche Einsatzbedingungen untersucht. Ziel von EFFEKT ist es, den Prozess zur Serienreife weiter zu entwickeln, d. h. durch Optimierung der Prozessparameter die Taktzeiten zu minimieren, die gleichbleibende Qualität des Fertigteils sicherzustellen sowie ohne Verschnitt und Ausschuss ressourcenschonend zu fertigen.:1. EFFEKT - Effiziente Fertigungsprozesse für endkonturnahe Thermoplastverbundbauteile; Prof. Dr.-Ing. habil. Knut Großmann, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 2. Beanspruchungsgerechte Faserverbundstrukturen aus Hybridgarn-Textil-Thermoplasten (HGTT); Dipl.-Ing. Michael Krahl, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 3. Automatische Zuschnittgenerierung und Strukturfixierung für textile Verstärkungsstrukturen; Dr.-Ing. Nuoping Zhao, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik 4. Trennen von technischen Textilien mittels Plasma; Dr.-Ing. Katerina Machowa, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 5. Automatisierung des Modellverarbeitungsprozesses; Dipl.-Ing. Christian Friedrich, Dipl.-Ing. Mirko Riedel, Dipl.-Ing. Christer Schenke, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 6. Prozessbegleitende Qualitätssicherungsmaßnahmen für eine automatisierte presstechnische Fertigung; Dipl.-Ing. Sirko Geller, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik 7. Konzept für ein quasiangetriebenes Werkzeug (QAW); Dipl.-Wirt.-Ing. Kanchalika Borriboon, Institut für Formgebende Fertigungstechnik 8. Potenziale von MELATO-Werkzeugen für Heißpressen; Dr.-Ing. Hanno Kötter, Institut für Oberflächen- und Fertigungstechnik 9. Integration betriebswirtschaftlicher Anforderungen in den Forschungsprozess; Dipl.-Kfm. Thomas Niemand, Lehrstuhl für Marketing

L’objectif principal de la thèse est de modéliser et visualiser les phénomènes de plastification des polymères dans le procédé d’injection-moulage. Dans les procédés de transformation des polymères par un système vis-fourreau (extrusion, injection), la plastification est l’étape durant laquelle le polymère originellement à l’état solide est graduellement fondu et homogénéisé par le chauffage externe et l’action mécanique de la friction contre les parois de l’outillage et du cisaillement. Cette étape est capitale dans la maîtrise technique et économique du procédé, en termes d’homogénéité thermique, de mélange des charges et de temps de séjour du polymère. Nous envisageons de visualiser et modéliser l’ensemble du processus de plastification dans les monovis d’injection. Afin de comprendre et de mesurer cette étape, nous avons conçu, validé et réalisé un fourreau à fenêtres. Ce système se compose de trois fenêtres de visualisation, insérées dans un fourreau en acier usiné par électroérosion. Le comportement mécanique de cet assemblage a été analysé par simulation numérique, sous différentes sollicitations thermiques, pressions et contraintes. L’hétérogénéité des matériaux de structure (acier – verre) a fait apparaître des problèmes potentiels de fuites, de fragilité qui ont été pris en compte dans la conception. Ce fourreau à fenêtres nous permet de visualiser et de suivre à l'aide des caméras scientifiques, les différents états du polymère une fois introduit dans l’ensemble vis-fourreau. Les résultats confirment les hypothèses théoriques de la plastification. Certains sont mis en évidence, comme l’existence d’un lit solide adossé à l’arrière du filet de la vis, ainsi que son évolution par rapport à la vitesse de rotation de la vis, ou l’apparition des films fondus entre le filet de la vis et le lit solide, et entre la paroi du fourreau et le lit solide. Certains sont par contre à vérifier par d’autres expériences, comme par exemple : l’apparition de la rupture du lit solide quelle que soit la vitesse de rotation de la vis, la valeur de la vitesse du lit solide par rapport à la vitesse de rotation de la vis. Nous souhaitons aussi, grâce à ce système "fourreau transparent", pouvoir étudier, modéliser et visualiser les aspects de dispersion et de mélange des charges (traceurs, pigments, mélange maître) au sein de la matrice polymère à l’état solide ou fondu. / The main objective of the thesis is modelling and visualization of the phenomena of polymer plastication in the injection-moulding process. In injection moulding or in extrusion, plastication is the step during which polymer pellets are melted by the means of mechanical dissipation provided by a rotating screw and by thermal conduction coming from a heated metallic barrel. This step is crucial for melt thermal homogeneity, charge dispersion and fibre length preservation. Although there have been a large number of theoretical and experimental studies of plastication during the past decades, mostly on extrusion and mostly using the screw extraction technique, extremely few of them have dealt with trying to visualise plastication, let alone measuring the plastication profile in real-time. As a matter of fact, designing such equipment is an arduous task. We designed an industry-sized metallic barrel, featuring 3 optical glass windows; each window possessing 3 plane faces itself to allow for visualisation and record by synchronised cameras and lightening by lasers. The mechanical behaviour of this assembly was analysed by numerical simulation under different thermal stresses, pressures and constraints. The heterogeneity of structural materials (steel - glass) showed potential leakage problems, or fragility problems, that have been taken into account in the design. We named it "transparent barrel" or "barrel with glass windows". This "transparent barrel" allows us to visualize and follow through scientific cameras, the different states of the polymer when introduced into the screw-barrel. The images recorded can be further analysed by digital image processing. Preliminary results confirm the plastication theory and show a compacted solid bed and a melt pool side by side. The total plastication length is a direct function of screw rotation frequency as it is obvious from results on the melt pool width, which increases when the screw rotation frequency decreases. However, some evidence of solid bed breakage has been recorded, whereby the solid bed does not diminish continuously along the screw but is fractured in the compression zone. Some others results need to be checked with others experiments. We also wish, through this system "transparent barrel", to study, modelling and visualize the aspects of dispersion and mixing charges (tracers, pigments, master batch) in the matrix polymer.