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In den letzten Jahren hat das Recycling von technischen Thermoplasten aus industriellen Anwendungen, wie z. B. aus der Automobilbranche, stetig zugenommen. Die Technologien zum Recycling sind dabei Stand der Technik, problematisch hingegen ist die Charakterisierung der Eigenschaften der Recyclate, die oft einer erneuten Anwendung im technischen Bereich entgegensteht. Aufgrund des unbekannten Belastungsbildes des Recyclates sind Eigenschafts- und Lebensdauervorhersagen schwierig, die aber dringend benötigt werden, um die Recyclate auf dem Markt als Werkstoffanbieten zu können. Oftmals fehlt ein Datenblatt für diese Werkstoffe, was wiederum die Voraussetzung für den Einsatz und die Qualitätssicherung bei den Bauteilen ist. Die Arbeit setzt an dieser Stelle mit Polyamid-6-Recyclaten an, deren Eigenschaftsänderungen infolge von Alterungsprozessen, auch im Vergleich zu Frischmaterial, zu untersuchen sind. Die Zielstellung besteht in der Erstellung eines Datenblattes und der Erfassung der Werkstoffkennwerte. Zur Erfüllung der Zielstellung tragen die Konzipierung von Untersuchungsmethoden und Ausführung von Versuchen zur gezielten Alterung sowie die Bestimmung der resultierenden Eigenschaften der PA-Recyclingwerkstoffe bei, ergänzt durch tribologische Untersuchungen an Recyclaten. Das Ergebnis soll in eine Abschätzung von Nutzungsmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen einfließen.:Ziel und Motivation Eigenschaften von PA 6 und PA 6-GF-15-Recyclaten Tribologische Untersuchungen Mehrfachverarbeitung Langzeitverhalten Fazit Danksagung

Es wird die Bauteilentwicklung für ein Rad aus WPC (Wood Polymer Composite) vorgestellt. Das Rad ist der Demonstrator für eine WPC-Radbauweise zur Anwendung in der Intralogistik. Das Rad hat eine Lastgrenze von 150kg. Es werden statisch-mechanische Untersuchungen zu verschiedenen Materialrezepturen und Radkonstruktionen vorgestellt. Ergänzend werden tribologische Versuche von ausgewählten Rädern dargestellt, um die Praxistauglichkeit des Demonstrators und der Bauweise abzuschätzen. A component- and material development for a wheel made from WPC (Wood Polymer Composite) is presented. The wheel is the demonstrator for a WPC-wheel design for the use in the intralogistics. The wheel has a load limit of 150kg. Staticmechanical investigations of different material compositions and wheel designs are presented. Tribological investigations of selected wheels are shown, to give an estimation of the prototype’s usability and the effectiveness of the general wheel design.

Das Forschungsvorhaben liefert einen Beitrag zum Schweißen von Gleich- und Mischmaterialverbindungen aus Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) sowie deren Verarbeitung im Compoundieren und Spritzguss. Es wurde holzfasergefülltes (WPC) und flachsfasergefülltes (FFC) Polypropylen (PP) mit unterschiedlichen Füllgraden verwendet. Der Einsatz synthetisch-organsicher Fasern (PET-Fasern) im Compound zielte darauf ab, besonders die Schlagzähigkeit zu verbessern. Im Bereich des Urformens wurden Aussagen zur Verarbeitbarkeit, zu rezepturabhängigen Kurz- und Langzeiteigenschaften sowie Aussagen zur Dauergebrauchsfähigkeit erarbeitet. Die Anwendbarkeit der Fügeverfahren Heizelement- (HE-Schweißen) und Vibrationsschweißen (VIB-Schweißen) konnte für Gleich- und Mischmaterialverbindungen sowohl ohne als auch mit angepasster Energieeinbringung nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang können Aussagen zur Rezepturabhängigkeit, Verfahrensführung, Parameterauswahl, Prüfkriterien sowie den technischen Grenzen der Schweißverbindung unter kurzzeitmechanischer Beanspruchung getroffen werden. Weiterhin wird ein Beitrag zur Dauergebrauchsfähigkeit unter UV-Globalbewitterung und thermischer Alterung sowie zu langzeitmechanischen Eigenschaften von NFK-Schweißverbindungen geliefert.

Aufbauend auf Forschungsarbeiten mit einer Hybridstruktur aus Aluminium und WPC (Wood Polymer Composite) werden die wichtigsten Entwicklungsschritte zur Synthese eines kompletten Tragprofils aus WPC vorgestellt. Dieses Tragprofil ist für den Einsatz in Hängefördersystemen vorgesehen. Based on research with an sectional beam in hybrid design made from aluminium and WPC (Wood Polymer Composite), the important steps for developing a fully implemented sectional WPC-beam are presented. This sectional beam is intended for the use in an overhead conveying system.

Das Schweißen von WPC stellt zunächst aufgrund der thermoplastischen Matrix eine effektive Fügetechnologie dar. Der Beitrag behandelt das Heizelementschweißen von WPC und liefert Aussagen zur Wirkung der Prozessparameter auf die mechanischen und geometrischen Nahteigenschaften, dem Rezeptureinfluss und der thermischen Instabilität der Holzfaser. An den WPC-Rezepturen auf Basis von Polypropylen mit 40 Gew.-% und 50 Gew.-% Holzfasern sowie des Einsatzes von PET-Fasern im Compound, werden die Zusammenhänge untersucht und die Versagensmechanismen aufgezeigt.

Ziel der Untersuchungen war es, Grundlagen für den Einsatz von hochgefüllten WPC in tribologisch funktionalen Maschinenelementen, wie z. B. Gleitschienen in Stückgutförderern zu schaffen. Aufbauend auf einem Kurzzeitversuch verschiedener hoch gefüllter WPC mit Polypropylenmatrix (PP- Matrix), wurde untersucht, wie sich ein steigender Holzanteil, eine Wasserlagerung sowie die Matrix selbst durch Ersatz der PP durch eine Polyethylenmatrix (PE-Matrix) auf das tribologische Langzeitverhalten des Werkstoffes auswirken. The aim of the research was to create basic knowledge for the use of highly filled WPC in tribological functional machine elements, e. g. sliding rails in conveyors. Based on a short-term test of several highly filled WPCs with polypropylene matrix (PP matrix), the impact of several parameters on the long-term performance of WPC was investigated. These parameters were: a rising proportion of wood, an immersion in water over 700 hours and the matrix itself. In that case the PP matrix was replaced by a polyethylene matrix (PE matrix).

Es werden die tribologische Eigenschaften von extrudierten WPC, gefüllt mit 70 mass.% ver-schiedener Holzarten, welche in einer PP-Matrix verarbeitet wurden charakterisiert. Weiterhin werden Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Lager- und Umgebungsmedien auf die mechanischen Eigenschaften von WPC mit PP- und PE-Matrix bei einem Füllgrad von 30 bis 50 mass% vorgestellt. Auf Basis beider Untersuchungen wird eine Einschätzung der Dauergebrauchsfähigkeit von WPC für den Einsatz als Maschinenbaukomponente vorgenommen. The tribological properties of extruded WPC are destined. The WPC was filled with 70 mass.% of various types of wood, which were processed in aPP matrix. Furthermore the influences of the environmental andvarious storage conditions with focus on the mechanical properties of WPC are examined. These specimens were made with a filling ratio of 30-50 mass % wood in a PP- and PE -Matrix. Based on this both studies, the serviceability and long term usability of WPC for the use as a functional machine element is investigated.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.

Ziel der Untersuchung war es, eine Charakterisierung des Dauerlaufverhaltens dynamisch und tribologisch belasteter Maschinenteile aus Wood Polymer Composite (WPC) in tragenden Anwendungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Hybridprofil aus Aluminium und WPC (70% PP, 30 % Weichholz) zu dem bestehenden Profil aus Aluminium in ein Hängefördersystem eingebaut und die dynamische Belastung (Vertikalbeschleunigung) auf das Fördergut während des Anlagenbetriebes gemessen. Im Testbetrieb wurde das System mit Ersatzlasten beladen und die Amplituden der Vertikalbeschleunigung zu Versuchsbeginn und deren Veränderung nach 1000h Laufzeit hinsichtlich beider Profilarten bewertet und das Hybridprofil auf sichtbare Schäden überprüft. Zu Beginn und nach 1000h Versuchszeit waren keine relevanten Veränderungen des charakteristischen Beschleunigungsbildes bezüglich beider Profilaufbauten feststellbar. Trotz Verschleiß am Antrieb des Fördersystems blieb das Hybridprofil voll funktionsfähig (kein sichtbarer Verschleiß, keine merkliche Schädigung). Darauf aufbauend wird der Versuch mit höherer Belastung fortgesetzt und die Entwicklung eines Profils, welches nur aus WPC besteht, vorangetrieben. Aim of the study was to analyze the characteristics of dynamic and tribological stressed wood polymer machine elements. For this purpose an endurance test with an overhead conveyor was executed. A sectional beam in hybrid design (Aluminum & WPC [70 % PP / 30 % softwood]) was implemented in this aluminum beam overhead conveyor. During the conveying process the vertical acceleration of the transported material (dummy loads) was measured. At the beginning of the endurance test the acceleration patterns of the aluminum and the hybrid beams did not differ. Despite of mechanical wear of the drive system after 1000 operating hours, alterations of the acceleration patterns still could not be detected in the different beams. The hybrid beam remained fully functional with no visible wear or damage after 1000 operating hours. Based on these encouraging results the endurance test is continued with enhanced dummy loads and the development of a beam completely composed of WPC is aspired.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

Zielstellung des Forschungsprojekts ist es, halm- und stengelförmige biogene Brennstoffe so zu einer handlings- und verkaufsfähigen Form mit hoher Energiedichte aufzubereiten, die für Verbrennungsanlagen kleinerer Leistung geeignet ist und gegenüber bisher verwendeten Brennstofformen, z.B. Häcksel, eine wesentliche Verbesserung des Abbrand-, Emissions- und Ascheverhaltens erreicht wird. Ein Funktionsmuster zur kontinuierlichen Aufbereitung von hochverdichteten, abriebfesten und formstabilen Briketts ist zu erstellen. In Kopplung mit Verbrennungsuntersuchungen werden die spezifischen Anforderungen an die Briketts abgeleitet und der Verfahrensablauf für die Aufbereitung optimiert. Bei der Erstellung eines Konzeptes für ein Demonstrationsobjekt für die zukünftige Verwertung von Biomassebriketts bildet die Wirtschaftlichkeit einen besonderen Schwerpunkt. Die Arbeiten zur Entwicklung des Brikettierverfahrens zeigen, daß eine Herstellung von stabilen Briketts aus Stroh oder Heu ohne zusätzliche Bindemittel möglich ist. Mit Hilfe experimenteller Untersuchungen konnten die erforderlichen Verfahrensparameter ermittelt werden. Um dauerhaft haltbare Briketts gleichbleibender Qualität herzustellen, muß das zu verarbeitende Halmgut unzerkleinert und mit einem Feuchtegehalt von 12 bis 15 % vorliegen. In der Verformung der unzerkleinerten Halme sowohl in Längsrichtung als auch in der Ebene des Stengelquerschnitts ist die Ursache für den Bindemechanismus in den Briketts zu finden. Unter Einwirkung von Preßdrücken von 100 bis 160 MPa liegt die Dichte der hergestellten Briketts je nach Gutart, bei 0,8 bis 1,2 g/cm3. Der Abriebanteil der Briketts, ermittelt nach ASAE S.269.4, liegt bei max. 5%. Ein Funktionsmuster zur Brikettierung (Brikettpresse mit vorgeschalteter Strangformungsstufe) für 25-mm - Briketts wurde konstruiert, gebaut und getestet. Mittels Elementar-, Immediat-, Chlor- und Schwermetallanalyse wurden die Eigenschaften für zehn verschiedene biogene Brennstoffe, vorwiegend Halmgüter (Getreide- und Rapsstroh, Wiesenheu, Miscanthus) charakterisiert. Die Abbranduntersuchungen der Briketts im Vergleich zum Häcksel zeigen, daß die Reaktionsphasen der Flüchtigenverbrennung und des Restkoksabbrandes gleichzeitig ablaufen. Eine wesentliche Verlängerung der Abbrandzeit ist zu verzeichnen, die mit zunehmender Brikettgröße und -dichte noch steigt. Während der gesamten Brennzeit werden die Schadstoffe gleichmäßig freigesetzt. Durch längere Verweilzeiten der Briketts im Reaktor wird der Kohlenstoffanteil des Brennstoffs vollständiger oxidiert, was sich in den wesentlich geringeren CO-Emissionen im Vergleich zum Häcksel widerspiegelt. Im Vergleich mit der TA Luft liegen die CO- und SO2-Emissionen der Biomassebriketts durchgängig unter den Grenzwerten. Durch eine luftgestufte Verfahrensführung (60% Primärluft, 40% Sekundärluft) ist es möglich, die NOx-Werte ebenfalls unter den Grenzwert der TA Luft abzusenken. Fallstudien zu möglichen Demonstrationsvorhaben belegen, daß eine wirtschaftliche Lösung für das Brikettieren in Verbindung mit einer energetischen Nutzung in kleinen Anlagen erreichbar ist. Die Leistung der Brikettieranlage bestimmt deutlich deren Wirtschaftlichkeit. Dabei muß eine Tagesproduktion von 8 bis 10 t erreicht werden (250 Betriebstage im Jahr). Gegenüber dem Funktionsmuster muß jedoch eine Vergrößerung des Brikettdurchmessers erfolgen.

In der Arbeit wird das Verdichtungsverhalten von halm- und stengelförmiger Biomasse (Getreidestroh, Heu, Leinstroh) im Hochdruckbereich beschrieben mit dem Ziel der Herstellung eines Festbrennstoffes in Schüttgutform. Als Versuchseinrichtung wird eine Stempelpresse mit kreisförmigem Werkzeugquerschnitt genutzt. Das Halmgut wird unzerkleinert mit einem Feuchtegehalt von 12…16% unter Einwirkung von Drücken bis zu 250 MPa ohne Zugabe von Bindemitteln verpreßt. Es wird, abgeleitet aus den Versuchsergebnissen, eine neue Verdichtungsgleichung erstellt, die für das Verdichten von unzerkleinertem Halmgut (Feuchte bis 16%) im Hochdruckbereich gültig ist. Der Einfluß der jeweiligen Gutart wird in entsprechenden Konstanten berücksichtigt. Die Eigenschaften der hergestellten Briketts, wie u. a. Bindungsverhalten und Festigkeit, wurden untersucht. Zur Bestimmung der Abrieb- und Scherfestigkeit werden Testmethoden und -geräte angepaßt bzw. neu entwickelt. Die Ergebnisse der theoretischen und experimentellen Betrachtungen fließen in die Konzeption eines Brikettierverfahrens ein. Der Funktionsnachweis des Verfahrens wird durch den Bau und Test eines Prototypen erbracht.