The diploma thesis focuses on manufacturing carbon fiber and epoxy composite material using filament winding method. Material properties of manufactured composite are ap-proximated using analytical and numerical homogenization models. Calculated material properties are applied to design and evaluate reserve factor of retaining sleeve for high speed brushless permanent magnet synchronous motor. Margin of safety of designed rotor is evaluated using composite failure criteria. Test stand for both static and dynamic testing is designed, static test stand is manufactured and assembled. Static strength test is carried out.

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

Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger. / Thermally and mechanically highly stressed automotive components require the use of highly resistant materials, with low material costs and efficient processing. Phenolic resin molding compounds represent a class of materials, which can open up new applications for a polymeric material use due to their property profile. In the present work, the fundamentals of a simulation chain of fluid mechanical and structural simulation of phenolic resins with short and long glass fiber reinforcement are developed, with a view to component development using integrative simulation. Based on extensive process investigations the derived flow behavior can be described using the block/ shear flow model. However, the results of microstructure analysis show a dynamic of fiber orientation, which can not be predicted at the present time using the empirical models of classical injection molding simulation. Accordingly, the micromechanical modeling is carried out at the experimentally determined microstructure. That allows the inclusion of fiber bundling and bending in the mechanical structure analysis. The derived elastoplastic material model is extended by a fatigue failure model to predict the fatigue behavior under harmonic and non-harmonic cyclic stress which allows a calculation taking into account the anisotropy, the stress ratio and the temperature. The validation of the static stress and fatigue is performed both on a simple test bar geometry and a structural component, an automotive engine bracket.

Kunststoffgebundene Dauermagnete kommen bereits seit einem dreiviertel Jahrhundert in diversen Anwendungen zum Einsatz. Dabei werden die gängigen Kunststoffverarbeitungsverfahren wie beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren, Pressen und Kalandrieren angewandt. Ähnlich zu der Aufteilung in der Verarbeitung von herkömmlichen Kunststoffen, werden auch für die kunststoffgebundenen Dauermagnete nur selten duroplastische Matrixmaterialien im Spritzgießverfahren eingesetzt. Dabei bringt gerade diese Werkstoffklasse hervorragende Eigenschaften mit sich, die eine Verbesserung der Eigenschaften von kunststoffgebundenen Dauermagneten zur Folge haben können. Neben der Medien- und Temperaturbeständigkeit dieser Werkstoffklasse spielt dabei auch deren Viskosität eine bedeutende Rolle für diese Anwendung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll geprüft werden, ob der Einsatz duroplastischer Matrixmaterialien zu einer Verbesserung der Eigenschaften kunststoffgebundener Dauermagnete führen kann. Hierfür werden anisotrope Magnetpartikel in den Kunststoff eincompoundiert und während der Verarbeitung im Spritzgießverfahren orientiert. Dies geschieht durch ein integriertes Magnetfeld im Spritzgießwerkzeug. Insbesondere sollen der Einfluss des Matrixmaterials, der Partikelgeometrie, der Fließrichtung sowie des Richtfeldes auf die Partikelorientierung untersucht werden. Zusammen mit grundlegenden analytischen Untersuchungen der Ausgangsmaterialien sollen abschließend Richtlinien für eine Bauteilauslegung definiert und erste Ansätze für eine Simulation der magnetischen Bauteileigenschaften erarbeitet werden. / Polymer bonded magnets are used for different applications for over 70 years yet. These materials are produced within known polymer processing procedures as injection molding, extruding, compression molding and calendaring. However, as for standard plastics thermoset materials are seldom used in injection molding even though they show great potential regarding temperature and media resistance as well as in terms of a low viscosity. These properties could be of use in case of polymer bonded magnets. Within this work the use of thermoset matrix materials for polymer bonded magnets should be evaluated and thus their properties shall be improved. Therefore anistotropic magnetic particles will be incorporated in the thermoset matrix and they will be oriented during the injection molding process which requires a magnetic field in the cavity during processing. Especially the influences of the matrix material, the particle geometry, the flow direction and the aligning field on the particle orientation should be investigated and together with fundamental analytical procedures guidelines for engineering of parts should be generated as well as first approaches for a simulation of the part properties shall be given.

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

Överkonsumtionen av engångsartiklar i fossilbaserad plast är ett av dagens stora miljöproblem. Således finns en efterfrågan på strategier för framställning av biobaserade plaster i allmänhet och härdplaster i synnerhet. Tidigare forskning har visat att vanillin-baserade resin, genom UV-härdning och dynamisk iminkemi, kan användas i framställningen av härdplaster som är termiskt bearbetningsbara, kemiskt återvinningsbara och självläkande. Följaktligen är Digital Light Processing (DLP) 3D-utskrivning en möjlig och flexibel friformframställningsmetod med stor noggrannhet för sådana härdplaster.  Mot denna bakgrund framställdes, i detta projekt, tre olika UV-härdbara, biobaserade monomerer, i form av vitrimerresin, genom en tvåstegsreaktion: metakrylering av vanillin följt av iminbildning med tre olika aminer (etylendiamin, EDA; 2,2′-etylendioxi bisetylamin, EDEA och trimetylolpropan trispolypropylenglykol aminterminerad eter, T-403). De tre olika monomererna analyserades för att identifiera den mest lämpade för friformframställning av härdplast med DLP 3D-printning. Monomeren framställd med EDA kunde inte UV-härdas till en härdplast. De två andra monomererna, å andra sidan, härdades framgångsrikt till härdplaster med god termisk stabilitet (upp till ungefär 300 °C) samtidigt som de var termiskt bearbetningsbara. Vidare visade dessa härdplaster lovande resultat vad gäller självläkning och kemisk återvinningsbarhet. Härdningen av monomeren syntetiserad med EDEA krävde minst tidsåtgång. Utöver detta visade denna härdplast god stabilitet i ett flertal vanliga lösningsmedel samtidigt som den, till följd av dess dynamiska iminbindningar, kemiskt kunde återvinnas i hexylamin. Slutligen visades det hur detta resin framgångsrikt kunde användas i DLP 3D-utskrivning av härdplast. / One of the main causes of the petrochemical depletion is the overconsumption of single-use plastic products. New strategies based on the production of plastics (in particular thermosets) starting from bio-based resources are, therefore, demanded. Previous research has shown how vanillin-based vitrimer resins can be photocured into thermally reprocessable, chemically recyclable and self-healable imine thermosets; and the potential of the light-assisted 3D-printing techniques for the photocuring of resins with great accuracy and flexibility.  In this study, three different photocurable biobased vitrimer resins were synthesized through a two-step procedure involving the methacrylation of vanillin and the Schiff-base reaction with two different diamines (ethylenediamine, EDA; 2,2′-(Ethylenedioxy) bis(ethylamine), EDEA) and a triamine (trimethylolpropane tris[poly(propylene glycol), amine terminated] ether, T-403). The resins were analyzed in order to find the most suitable one for DLP 3D-printing. The resin with EDA, as diamine, could not be successfully UV-cured into a thermoset. The other two thermosets showed good thermal stability, up to about 300 °C, while still being thermally reprocessable. In addition, the thermosets were promising in terms of self-healability and chemical recyclability. The thermoset obtained from the Schiff-base resin synthesized with the diamine EDEA provided the shortest curing time. This resin also displayed good solvent resistance against common solvents and potential chemical recyclability in hexylamine through an imine exchange reaction. As a final step, the possibility to obtain tridimensional thermosets by curing this resin with a DLP 3D-printing was successfully demonstrated.

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