Wie sich die Verarbeitung auf Bio-PP auswirkt

In der aktuellen Pandemiesituation haben Take-away- und Lieferdienste Hochkonjunktur. 83 % der Bundesbürger holen oder lassen sich ihre Getränke und Speisen liefern. Das besagt eine Anfang dieses Jahres veröffentlichte repräsentative Umfrage vom WWF und dem Deutschen Verpackungsinstitut dvi. [1] Knapp 73 % der Befragten sind grundsätzlich bereit auch andere Verpackung als Getränkeflaschen zurückzubringen oder am Pfandautomaten zu entsorgen. Aber auch in anderen Bereichen wie Hygiene und Körperpflegeverpackungen sind alternative Lösungen gefragt. [1]

Die Änderung des Konsumentenverhalten führt zu wachsenden ökologischen Bewusstsein und die Nachfrage nach nachhaltigen Materialien. Biokunststoffe finden daher in diesem Zusammenhang zunehmend Anwendung. Es darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass dieser Begriff eine Gruppe von Kunststoffen mit unterschiedlichen Ausgangsrohstoffen und unterschiedlichem Abbauverhalten beschreibt. Bioabbaubare Kunststoffe können sowohl auf Basis von fossilem als auch auf Basis von nachwachsendem Kohlenstoff hergestellt worden sein. Sie bieten den Vorteil eines alternativen Entsorgungsweges. Biobasierter Kunststoff hingegen ist ein auf nachwachsendem Kohlenstoffen basierter Kunststoff. Durch seine Verwendung anstelle eines konventionellen Kunststoffs kann fossiles CO2 reduziert und die Abhängigkeit von Erdöl verringert werden [2]. Ein Beispiel für biobasierte Kunststoffe sind die so genannten Drop-Ins. Sie besitzen gegenüber dem konventionellen Pendant identische Eigenschaften. [3] Laut dem aktuellen Plastics – the Facts 2020 Bericht von PlasticsEurope war auch im Jahr 2019 Polypropylen (PP) hinsichtlich der Bedarfsmenge in Europa ein dominanter Wertstoff. Daher erscheint es als sehr naheliegend PP durch Bio-PP zu substituieren. Doch obwohl vor allem bei Biokunststoffen viel Wert auf die Betrachtung der ersten Lebensphasen des Materials gelegt wird, soll in dieser Arbeit die Lebensendphase des Materials betrachtet werden. Denn außer der Wahl eines nachhaltigen Werkstoffs sollten zur Befriedung des wachsenden ökologischen Bewusstseins ebenfalls Bestrebungen von einer linearen hin zu einer im Kreis geleiteten Materiallebensführung angegangen werden. Weiterlesen

Hybridbauteil aus Faserverbund- und papierabgeleiteter Keramik für den Einsatz als formstabile Wärmeisolation

Einleitung

Keramische Faser-Verbundwerkstoffe (engl.: Ceramic Matrix Composites – CMC) bilden eine Werkstoffklasse, die die Vorzüge monolithischer Keramiken (z.B. Hochtemperaturstabilität, Oxidationsbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit) mit schadenstolerantem Versagensverhalten kombiniert. Dadurch ist es möglich CMC als Strukturbauteile einzusetzen, die nicht nur auf Druck (monolithische Keramik) sondern auch auf Zug oder Biegung belastet werden können und dabei gleichzeitig eine verbesserte Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Allerdings ist die Verwendung keramischer Fasern sehr kostenintensiv, weshalb es die Vorzüge eines solchen Bauteils gegenüber der Fertigung aus monolithischen Keramiken oder Metallen für die meisten Anwender aus wirtschaftlicher Sicht nicht rechtfertigt. Im Rahmen des AiF-Projekts „ForWerk“ (Formstabile Werkzeugisolation im Kraftfluss mit verbesserten thermischen Kennwerten aufgrund eines hybriden Aufbaus; Vorhaben-Nr. 20646 N) soll nun die Entwicklung eines Hybridbauteils aus CMC und einer neuartigen, porösen Keramik erfolgen, um die Bauteilkosten zu senken und gleichzeitig die Vorteile der verwendeten Materialien für die Anwendung auszunutzen. Für die Herstellung der neuartigen Teilkomponente wird ein mit Keramikpartikeln hochgefülltes Papier verwendet, welches über konventionelle Papiermaschinen gefertigt und zu einer sogenannten papierabgeleiteten Keramik versintert werden kann (vgl. Einschub „Papierabgeleitete Keramik“). Weiterlesen

Untersuchungen zum Übergangsverhalten von Gusseisen mit Kugelgraphit in Abhängigkeit der Dehnrate und des lokalen Spannungszustandes

Abstract

Erhöhte Siliziumgehalte in Gusseisen mit Kugelgraphit führen zu hervorragenden Kombinationen aus statischer Festigkeit und Bruchdehnung. Allerdings ist die Kerbschlagzähigkeit von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit als besonders nachteilig zu beurteilen. Die im Kerbschlagbiegeversuch vielfach verwendete Charpy-V-Probe ist durch einen äußerst spezifischen und komplexen Spannungszustand gekennzeichnet. Das Zähigkeitsverhalten dieser Werkstoffe unter bauteilnaher Beanspruchung kann auf diese Weise nicht abgebildet werden. Dies führt in entsprechenden Auslegungs- und Zertifizierungsprozessen, bei denen eine Werkstoffqualifizierung in der Regel durch den Kerbschlagbiegeversuch erfolgt, häufig zu einer Unterschätzung des Werkstoffpotentials. Eine effiziente und zuverlässige Auslegung von Gussbauteilen wird somit erheblich behindert oder gar unterdrückt. In einem aktuellen Forschungsprojekt an der RWTH Aachen wird daher sowohl die Dehnratensensitivität als auch die Abhängigkeit der gemessenen Zähigkeitswerte vom Spannungszustand systematisch untersucht.

Keywords

Gusseisen mit Kugelgraphit, Schädigungsmechanik, Zähigkeit, Dehnratensensitivität, Kerbschlagbiegeversuch, Schlagzugversuch Weiterlesen

Blitzthermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren zur Materialprüfung am Beispiel von dünnen Schichten

Abbildung 1: Überblick einer Auswahl an ZfP-Verfahren gruppiert nach zugrunde liegendem physikalischem Prinzip.

Abbildung 1: Überblick einer Auswahl an ZfP-Verfahren gruppiert nach zugrunde liegendem physikalischem Prinzip.

Zerstörungsfreie Materialprüfung

Die Verwendung von verschiedenen Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) ist aus der Qualitätssicherung heute nicht mehr wegzudenken. Die Vorteile hierfür liegen klar auf der Hand: Bauteile können während des Betriebs untersucht werden und können auch nach der Untersuchung – im Falle der Bestätigung von guter Qualität und Fehlerfreiheit – noch verwendet werden. Theoretisch ist dadurch auch die Prüfung von bis zu 100% der Bauteile möglich. In der Praxis wird dies aber nur bei hoch sicherheitsrelevanten Teilen (z. B. in Turbinen) aufgrund des Aufwandes durchgeführt. Im Allgemeinen wird eher eine stichprobenartige Prüfung oder die Prozessqualifizierung in der Herstellung genutzt. Weiterlesen

Textile Energiespeicher

Dr. Ramona Langner, Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl

Das Forschungsfeld textiler Energiespeicher ist erst in den letzten zehn Jahren neu entstanden, aber in dieser Zeit bereits enorm gewachsen. Ziel ist es dabei, Garne oder Gewebe mit der Fähigkeit zur Speicherung elektrischer Energie zu versehen. Dies ist für verschiedene Anwendungen interessant, die wichtigste ist jedoch die Nutzung in sogenannten intelligenten Textilien. Dies können etwa Smartshirts sein, die die Vitalparameter ihres Trägers erfassen sowie überwachen (Biomonitoring) und vor allem für Telemedizin und Sport von Interesse sind. Insbesondere könnte hiervon die Versorgung älterer Menschen profitieren: Durch eine permanente Überwachung ihres Gesundheitszustandes mithilfe solcher Smartshirts könnten sie z. B. länger in ihrem eigenen Heim wohnen. Aber auch im Bereich der Unterhaltungselektronik könnten intelligente Textilien neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise indem sich andere tragbare Geräte wie Smartphones über sie steuern und/oder mit Energie versorgen lassen. Weiterlesen

Leichte Wagenkasten für Schienenfahrzeuge durch Integration von deckschichtverschweisster Sandwichpanelen

Bild 1: Detailansicht: Übergang zwischen Rahmenstruktur (links) und Sandwichboden (rechts)

Bild 1: Detailansicht: Übergang zwischen Rahmenstruktur (links) und Sandwichboden (rechts)

Herausforderung Wagenkasten

In Personenzugwagen werden heute viel mehr Komfort- und Informationssysteme eingebaut als früher, die zulässige Achslast ist aber beschränkt. Die Trassenbenutzung wird künftig immer mehr gewichtsabhängig verrechnet, so dass Hersteller von Schienenfahrzeugen insgesamt noch stärker auf das Gewicht achten müssen. Dies erfordert innovative Leichtbaukonzepte, bei denen neben dem Einsatz leichter und hochfester Werkstoffe auch fortschrittliche Bauweisen notwendig sind. Zusammen mit dem Institut für Mechanische Systeme (IMES) an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) haben der Sandwichelemente-Hersteller 3A Composites Mobility und das Fertigungstechnologieunternehmen Rapid Technic ein Forschungsprojekt zur Weiterentwicklung der Integrierten Sandwichtechnologie (ISTech) lanciert, um die Strukturanforderungen einer Zulassung im Eisenbahnbereich zu erfüllen. Weiterlesen

Vom Pulver zum additiv hergestellten Bauteil – Teil 2: Potenziale durch Pulvermischungen

Pulvermetallurgische Verarbeitung von Pulvermischungen

Pulvermischungen werden in der konventionellen Pulvermetallurgie (PM) beim Matrizenpressen von Formteilen standardmäßig eingesetzt. Beim herkömmlichen Pressen und Sintern von Eisen- und Stahlpulvern werden Legierungszuschläge mit einem gut pressbaren Grundpulver gemischt. Die Legierungszuschläge können als Elementarpulver oder sog. „Meisterlegierung“ zugesetzt werden. Meisterlegierungen enthalten die Legierungselemente in den gewünschten Verhältnissen und vermeiden so das Mischen von Vielkomponentenwerkstoffen. Die Partikelgröße der Zusätze ist abhängig von der Legierungsart. Nicht aufschmelzende Elemente werden in Form feiner Pulver zugemischt, um beim Sintern eine homogene Durchmischung mittels Festkörperdiffusion zu erreichen. Aufschmelzende Partikel können in gröberer Form zugemischt werden, da sich die Schmelze vor den Diffusionsprozessen gleichmäßig im Bauteil verteilt. Aus Pulvermischungen verschiedener Korngrößen und Dichten ergeben sich auch stets Entmischungsproblematiken. In der konventionellen Pulvermetallurgie wird daher zum Teil über ein vorgelagertes Diffusionsglühen feines Pulver an das Grundpulver angesintert oder es werden organische Bindemittel verwendet, um feines Pulver an das Grundpulver zu kleben. Organische Hilfsmittel werden nach dem Formgebungsprozess durch Sintern thermisch entfernt. [1] Weiterlesen

Hochpräzise Messung der physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten mit piezoelektrischen MEMS Resonatoren

Abbildung 1: MEMS Sensor mit angepasstem Elektrodendesign, um spezielle mechanische Schwingungsmoden effizient anzuregen

Abbildung 1: MEMS Sensor mit angepasstem Elektrodendesign, um spezielle mechanische Schwingungsmoden effizient anzuregen.

Einleitung und Motivation

Flüssigkeiten spielen eine zentrale Rolle in nahezu jedem Aspekt unseres Lebens von Körperflüssigkeiten über Lebensmittel bis hin zu chemischen Prozessen und technischen Anwendungen. Die Kenntnis über die physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten wie Viskosität und Dichte erlaubt vielfältige Rückschlüsse auf deren aktuellen Zustand. Weiterlesen

Verbesserung der Delaminations-, Impakt- sowie Schadenstolenanzeigenschaften von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen durch eine dreidimensionale Verstärkung mittels z-Pins

Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Abbildung 1 Z-Pins zur 3D-Verstärkung von Faser-Kunststoff-Verbunden: v.l.n.r. mit kreisförmigem Querschnitt mit einem Durchmesser von 0,28 mm und 0,5 mm sowie mit definierter Oberflächen-Mikrostrukturierung (umlaufende Kerben) und mit rechteckförmiger Querschnittsfläche.

Einleitung

Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe, wie sie heute verbreitet in Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt sowie zunehmend auch in Bereichen der Elektromobilität zum Einsatz kommen, bestehen typischerweise aus einer polymeren Matrix in Kombination mit verstärkenden Fasern. Speziell die kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffe (CFK) mit Epoxidharzmatrix werden dort eingesetzt, wo ein hoher Leichtbaugrad zwingend erforderlich ist, um energie- und kosteneffiziente Systeme zu erreichen. Diese Werkstoffe besitzen, abhängig u.a. von der Kombination von Matrix und Faserverstärkung sowie der Anordnung und Ausrichtung der verstärkenden Fasern, hervorragende mechanische Eigenschaften kombiniert mit einem geringen Gewicht. Diese Eigenschaften zeigen sich in der Laminatebene, in der die lasttragenden Fasermaterialien ausgerichtet sind. Weiterlesen

Anwendungsorientierte Materialkennwertermittlung für Zerspansimulationen auf Basis digitaler Bildkorrelationsverfahren

Möglichkeiten der Zerspansimulation

Mit fortschreitender Digitalisierung in der Produktionstechnologie gewinnt auch die Zerspansimulation bei der Entwicklung von Präzisionswerkzeugen zunehmend an Bedeutung. Die überwiegend auf der Finite Elemente Methode (FEM) basierenden Ansätze erlauben es, komplexe Geometrievarianten mit wenig Aufwand im frühen Entwicklungsstadium zu simulieren. Die Ergebnisse ermöglichen eine Beurteilung hinsichtlich der Spanbildung sowie der thermomechanischen Belastungen an der Schneidkante und dem Werkzeugkörper. Der Simulationsein­satz bietet Einsparpotenziale in der Entwicklung, da vielversprechende Designs frühzeitig identifiziert und die Anzahl realer Prototypen und Maschinentests verringert werden können. Abb. 1 stellt exemplarisch die mechanische Belastung eines Kugelfräswerkzeugs durch Zugspannungsanteile am Übergang der Schneide zum Werkzeugkörper bei unterschiedlichen Schnittbedingungen gegenüber.

Abb. 1: Mechanische Belastung (Max. Hauptnormalspannung) eines Werkzeugs bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, berechnet mit dem kommerziellen System AdvantEdge v7.7 (Third Wave Systems, Inc. USA)

Abb. 1: Mechanische Belastung (Max. Hauptnormalspannung) eines Werkzeugs bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, berechnet mit dem kommerziellen System AdvantEdge v7.7 (Third Wave Systems, Inc. USA)

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