The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

The European legislation prohibits the use of lead containing solders in Europe. However, lead free solders have a higher melting point (typical 20%) and their mechanical characteristics are worse. Additional problems are aging and adhesion of the solder on the electronic circuits. Thus, research activities must focus on the optimization of the properties of Sn-Ag-Cu based lead free solders chosen by the industry. Two main objectives are treated in this work. In the center of the first one is the study of curious hysteresis effects of metallic cadmium-antimony alloys after thermal cycles by measuring electronic transport phenomena (thermoelectric power and electrical resistivity). The second objective, within the framework of “cotutelle” between the universities of Metz and of Chemnitz and supported by COST531, is to study more specifically lead free solders. A welding must well conduct electricity and well conduct and dissipate heat. In Metz, we determined the electrical conductivity, the thermoelectric power and the thermal conductivity of various lead free solders (Sn-Ag-Cu, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb) as well in the liquid as well in the solid state. The results have been compared to classical lead-tin (Pb-Sn) solders. In Chemnitz we measured the surface tension, the interfacial tension and the density of lead free solders. We also measured the viscosity of these solders without and with additives, in particular nickel. These properties were related to the industrial problems of wettability and spreadability. Lastly, we solidified alloys under various conditions. We observed undercooling. We developed a technique of mixture of nanocristalline powder with lead free solders "to sow" the liquid bath in order to obtain "different" solids which were examined using optical and electron microscopy. / Die europäische Gesetzgebung verbietet die Benutzung von Lötmitteln, die Blei enthalten. Bleilose Lote haben aber einen höheren Schmelzpunkt (typisch 20%) und ihre mechanischen Eigenschaften sind schlechter. Zusätzliche Probleme sind das Alterungsverhalten und das Haftvermögen des Lots an den Leiterbahnen. Daher müssen sich Forschungsaktivitäten auf die Optimierung der Eigenschaften von bleifreien Sn-Ag-Cu (SAC) Loten konzentrieren, die von der Industrie gewählt wurden. Zwei Hauptgebiete werden in dieser Arbeit bearbeitet. Im Zentrum des Ersten stehen seltsame Hysterese-Effekte von metallischen Kadmium- Antimon Legierungen bei thermischen Zyklen, wobei Transporteigenschaften wie die thermoelektrische Kraft und der elektrische Widerstand untersucht werden. Die zweite Aktivität, die in einer Kooperation der Universitäten Metz und Chemnitz (cotutelle) bearbeitet und die durch COST531 unterstützt wird, besteht in der detaillierten Erforschung des Lötprozesses ohne Blei. Eine Lötverbindung muß den Strom gut führen und die Wärme gut ableiten. In Metz haben wir die elektrische Leitfähigkeit, die thermoelektrische Kraft und das Wärmeleitvermögen bestimmt für verschiedene bleilose Lote (Sn-Ag-Cu, Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Sb), sowohl im flüssigen als auch festen Zustand. Die Ergebnisse wurden mit dem klassischen bleihaltigen Lötzinn (Sn-Pb) verglichen. In Chemnitz haben wir die Oberflächen- und Grenzflächenspannung und die Dichte bleifreier Lote gemessen. Ebenfalls wurde die Viskosität dieser Lote ohne und mit Zusätzen (insbesondere Nickel) gemessen. Diese Eigenschaften wurden in Beziehung gesetzt zu den industriellen Problemen der Benetzbarkeit und des Fließverhaltens. Schließlich haben wir Legierungen unter verschiedenen Bedingungen verfestigt. Wir haben Unterkühlung beobachtet. Wir haben eine Technik entwickelt, basierend auf einer Mischung von Lot mit Pulver. Durch "Einsäen" von Nanokristallen in das flüssige Bad erhielten wir "verschiedene" Festkörper, die mit optischer und Elektronenmikroskopie untersucht wurden.

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.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene duroplastische Formmassen laboranalytisch hinsichtlich der rheologischen und thermischen Eigenschaften untersucht. Es wurde u.a. gezielt die absolute Materialfeuchte gesteigert, um den Einfluss dieser auf das Fließ­ Härtungsverhalten zu charakterisieren. Anschließend wurden die Materialien auf einer hochinstrumentierten Spritzgussmaschine mit einem Fließspiralenwerkzeug untersucht. Dabei konnte ein direkter Zusammenhang zwischen dem Rückfluss und dem Plastifizierdrehmoment in Abhängigkeit der Materialfeuchte und der Prozessparameter detektiert werden . Des Weiteren wurden über die Differenzdruckmessung im Fließspiralenwerkzeug die scheinbaren Viskositäten über den Fließweg ermittelt. Hierbei konnten unterschiedliche Aufschmelzeffekte über die Fließweglänge in Abhängigke it der duroplastischen Formmasse, der absoluten Materialfeuchte und der Prozessparameter detektiert werden . Durch Schererwärmung konnte die Formmassentemperatur teilweise die Werkzeugtemperatur übersteigen. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften (Schlagzähigkeit, Biegefestigkeit) konnten keine signifikanten Einflussgrößen detektiert werden. Hinsichtlich des Tg konnten systematischen Unterschiede detektiert und begründet werden. Die beste Möglichkeit zur Ermittlung des Tg lieferte die TMA. Die thermischen Glasübergänge korrelieren mit den in der DSC ermittelten Aushärtegraden , wobei mit steigender Materialfeuchte ein geringer Aushärtegrad detektiert wird. / Within this paper, the rheologieal and thermie eharaeteristies of different thermosetting molding eompounds were investigated using lab analysis methods. Among others, the absolute moisture eontent was inereased purposefully to investigate its influenee on the flow-euring behavior. Subsequently, the materials were analyzed using a highly instrumented injeetion-molding maehine and a flow spiral tool. A direet link between the baekflow and the plastifieation torque dependent on the moisture eontent and proeess parameters was deteeted . Furthermore, a measurement of the differential pressure was eondueted within the flow spiral to deteet the apparent viseosity over the flow path. Within this proeess, different melting effeets over the flow eurve length depending on the molding eompound, the absolute moisture eontent and proeess parameters were deteeted. The shear heating lead to a material temperature inerease of the molding eompound, whieh was partly higher than the tool temperature . Coneerning the meehanieal eharaeteristies (impaet strength, flexural strength), no signifieant influeneing faetors eould be deteeted. In eontrast, systematie differenees of the glass transition temperature were deteeted and their eause eould be explained. The best way to determine the glass transition is the TMA. The glass transition temperatures eorrelate with the degree of eure determined with the DSC, whereas an inereasing moisture eontent is assoeiated with a lower degree of eure.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Rühr- und Mischungsvorgänge in Flüssigmetallströmungen zu untersuchen, die mittels rotierender und wandernder Magnetfelder bzw. deren Kombination induziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Charakterisierung der dreidimensionalen Strömungsstrukturen innerhalb zylindrischer Geometrien bei der Verwendung überkritischer Magnetfelder. Neben der Untersuchung der Strömungseigenschaften stellen die physikalische Modellierung der angreifenden Kräfte, die geeignete Wahl und Validierung eines effizienten numerischen Lösungsverfahrens und dessen Erweiterung für die Durchführung von Large Eddy Simulationen wesentliche Eckpfeiler dieser Arbeit dar.

zweimal im Jahr erscheinende Zeitschrift über aktuelle Themen der TU Chemnitz, ergänzt von Sonderheft(en)

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