Fiber-dependent injection molding simulation of discontinuous reinforced polymers

Diese Arbeit präsentiert neuartige Simulationstechniken für Spritzgusssimulationen mit faserverstärkten Polymeren (FRPs). Spritzguss ist einer der meistverbreiteten Prozesse zur Massenproduktion von diskontinuierlich faserverstärkten Polymerbauteilen. Die Prozessparameter (Füllrate, Temperatur, etc.) beeinflussen die Bauteileigenschaften signifikant. Für eine adäquate Vorhersage der finalen Bauteileigenschaften muss eine Simulation alle Prozessschritte (Formfüllung, Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase, Abkühlung außerhalb des Werkzeuges) beinhalten. Während der Formfüllung hat die Strömungsmodellierung oberste Priorität. Das komplexe Matrixverhalten muss unter Beachtung von Scherrate, Temperatur und, falls vorhanden, chemischer Reaktion modelliert werden. Die sich ausprägende Faserorientierung, die von Strömungsfeld, Faserlänge und Volumengehalt abhängt, sollte aus zwei Gründen berechnet werden. Einer ist das Ausprägen von anisotropen Material- und somit auch Bauteileigenschaften aufgrund der Fasern. Zudem rufen die Fasern auch während der Formfüllung anisotropes Verhalten im flüssigen Material hervor. Auch die Faserlänge beeinflusst das mechanische und Fließverhalten des Materials und wird im Umkehrschluss durch das Strömungsfeld während der Formfüllung beeinflusst. Die Faserlänge hat großen Einfluss auf die Schlagzähigkeit des Bauteils, aber auch auf die effektive Viskosität in Faserrichtung im flüssigen Material. Umgekehrt erzeugt das Strömungsfeld aber auch Kräfte auf die Fasern, die diese zum Brechen bringen können. Stand der Technik Simulationen beachten den Einfluss der Faserorientierung und -länge auf das Strömungsfeld nicht. Diese Arbeit präsentiert einen neuartigen Ansatz, in welchem Viskosität, Faserorientierung, Faserlänge und Geschwindigkeit gekoppelt sind. Zur Berücksichtigung der Fasereigenschaften in der Viskositätsmodellierung und somit auch in der Geschwindigkeit wird die Viskosität als Tensor vierter Stufe, der als Funktion von Matrixviskosität, Faserorientierung, -länge und -volumengehalt definiert ist, modelliert. Der Viskositätstensor wird für eine homogenisierte Matrix-Faser-Suspension auf Basis von mikromechanischen Modellen berechnet. Für die Modellierung des Faserbruchs werden die hydrodynamischen Schlepp- und Auftriebskräfte beachtet. Zusätzlich werden makroskopische Ansätze zur Berechnung der Faser-Faser Interaktionskräfte (Schmier- und Reibkraft) gezeigt und verifiziert. Neben der Formfüllung beeinflussen die weiteren Prozessschritte Nachdruck, Abkühl-/Aushärtungsphase und Abkühlung außerhalb des Werkzeuges ebenfalls die Bauteileigenschaften. Durch das anisotrop visko-elastische Verhalten können Verzug und Eigenspannungen aufkommen. Stand der Technik Software simuliert diese Phänomene in der Regel anisotrop mit linear elastischen Modellen. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen für FRPs mit duromerer Matrix und thermo-visko-elastischen Modellen. Relevante Prozessdaten wie Faserorientierung, Temperatur und Aushärtungsgrad werden übertragen um diese in der Verzugssimulation mit zu betrachten. Faser- und Matrixeigenschaften werden zur Homogenisierung verwendet und unter Beachtung der Faserorientierung wird ein orthotropes Material definiert. Das Matrixverhalten wird als Funktion von Aushärtungsgrad und der Temperatur modelliert. Zusätzlich werden thermische und chemische Schwindung beachtet. Die vorgestellten Methoden sind für Formfüllsimulationen in der open-source, finite Volumen basierten Software OpenFOAM und für die Verzugsanalyse in die kommerziellen finiten Elemente basierten Software Simulia Abaqus implementiert. Numerische Studien verifizieren die Implementierung und Methoden. Die Formfüllsimulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen, was die neu entwickelten Ansätze validiert

Fiber-dependent injection molding simulation of discontinuous reinforced polymers

This work presents novel simulation techniques for injection molding of fiber reinforced polymers. These include approaches for anisotropic flow modeling, hydrodynamic forces from fluid on fibers, contact forces between fibers, a novel fiber breakage modeling approach and anisotropic warpage analysis. Due to the coupling of fiber breakage and anisotropic flow modeling, the fiber breakage directly influences the modeled cavity pressure, which is validated with experimental data

Assembly of Nanoparticles into “Colloidal Molecules”: Toward Complex and yet Defined Colloids with Exciting Perspectives

In line with atoms being the elementary units of molecules and crystals, colloidal particles can be used as building blocks for organized materials. A major benefit in doing so is that joining colloids in a defined manner comes along with structuring. In view of opening avenues to more complex structural motifs, significant efforts must be geared to colloids with specific shapes and symmetries. A straightforward strategy is joining equal‐sized spherical particles into stable clusters. Such clusters are called “colloidal molecules” because they may exhibit configurations resembling pretty much those of molecules. Their preparation can be based on the agglomeration of particles dispersed in an emulsion. The particles adsorb on the emulsion droplets and coagulate in a defined way during the evaporation of the droplet phase. Using this method originally applied to microscale particles, one can produce clusters with submicron‐sized global dimensions. Variable parameters such as radii and concentration of cluster constituents provide the framework needed to obtain “colloidal molecules” that differ in size, shape, and physical properties. This opens up exciting perspectives for tailor‐made colloids as building units for hierarchically organized materials. Moreover, new physical properties such as plasmonic “hotspots” may emerge from packing particles into assemblies of specific configurations

Influence of fiber breakage on flow behavior in fiber length- and orientation-dependent injection molding simulations

Injection molding is one of the most important processes for manufacturing discontinuous fiber reinforced polymers (FRPs). The matrix of FRPs shows a transient chemo-thermomechanical behavior and the fibers create anisotropy influencing physical properties. Hence, FRPs are complex materials, but also likely used in volume production. In this work, the fiber-induced anisotropic behavior during mold filling is modelled with an anisotropic fourth order viscosity tensor. The viscosity tensor takes second and fourth order fiber orientation tensor, fiber length and non-Newtonian matrix viscosity into account. In this way, the macroscopic simulation captures the influence of the flow field on the fiber re-orientation and vice versa. The fiber orientation tensor is used to determine reference fibers in every element for calculation of hydrodynamic forces. This information is used in a novel fiber breakage model, based on buckling of fibers in Jeffery’s orbit. The result is a macroscopic molding simulation with not only transient fiber orientation distribution, but also fiber length distribution. Due to the anisotropic viscosity tensor, the predicted fiber breakage influences the material’s viscosity and flow behavior, which is also visible in the simulated cavity pressure. The results are validated with injection molding experiments, performed with a glass fiber reinforced phenolic compound, showing good agreement

Risikofaktoren der Alzheimer Demenz: eine Geschwisterstudie

Thema: Das Ziel der Studie ist es, epidemiologische und medizinische Risikofaktoren der Alzheimer Demenz (AD) anhand von diskordanten Geschwisterpaaren zu identifizieren. Dem genetischen „discordant sib-pair“ (DSP) Ansatz folgend vermuten wir, dass die Geschwister zumindest bis zur frühen Adoleszenz im selben sozialen Umfeld und in derselben Region aufgewachsen sind. Dies minimiert Umwelteffekte, welche oft bei Querschnittsstudien auftreten. Die Daten wurden retrospektiv über medizinische Fragbögen bei von AD Betroffenen (Indexpatienten) und ihren kognitiv gesunden Geschwistern erhoben. Methode: An mehreren Gedächtniskliniken in Bayern wurden diskordante Geschwister (N=955) ambulant untersucht. Alle Patienten und kognitiv gesunden Probanden wurden einer ausführlichen psychiatrischen, neurologischen und neuropsychologischen Evaluation unterzogen und bis dato bekannte Risikofaktoren mittels eines Fragebogens erhoben. Die Identifizierung von Risikofaktoren erfolgte durch Anwendung der konditionell logistischen Regression. Ergebnisse: Fortgeschrittenes Alter, APOE ε4-Genotyp, lifetime Depression (generelle Erkrankung an einer Depression) und Rauchen erwiesen sich als robuste Risikofaktoren für das Auftreten einer sporadischen AD. Das Risiko für die Entwicklung einer AD erhöhte sich um 12% pro Lebensjahr. Betroffene mit mindestens einem APOE ε4-Allel hatten ein zweifach erhöhtes AD-Risiko. Das Risiko, an einer AD zu erkranken, war bei Geschwistern mit einer lifetime Depression erhöht (OR=2.52). Rauchen erhöhte das AD-Risiko um 96%. Keiner der anderen erhobenen Risikofaktoren zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, an AD zu erkranken. Alkoholkonsum zeigte sich hingegen als potentiell protektiver Faktor. Schlussfolgerung: Die vorliegende Studie bestätigten fortgeschrittenes Alter und, das Tragen mindestens eines APOE ε4-Allels als robuste Risikofaktoren. Des Weiteren konnten die lifetime Diagnose einer Depression sowie Nikotinkonsum als zusätzliche Risikofaktoren für AD identifiziert werden, während Alkoholkonsum das -Risiko an AD zu erkranken zu senken scheint.Objective: The aim of the study was to identify epidemiological and medical risk factors for the development of Alzheimer’s disease (AD) using discordant sib-pairs (DSP). Likewise to the genetic DSP approach, we assumed that each DSP grew up in the same social environment and the same region, at least until adolescence. This minimizes effects of different environmental factors which have often been observed in cross-sectional studies. Data were collected retrospectively through a medical questionnaire sent to the affected and their siblings. Methods: Siblings (N=955) were recruited by several outpatient memory clinics in Bavaria. All patients and controls underwent thorough psychiatric, neurological, and neuropsychological evaluation. Conditional logistic regression was used to identify possible risk factors. Results: Among several discussed risk factors we identified advanced age, APOE ε4, lifetime depression and smoking as significant risk factors for sporadic AD. Regarding age, the risk of developing AD increased by 12% per year. Individuals with at least on APOE ɛ4-allele show a risk duplication of AD. Siblings with a history of depression showed an increased likelihood of developing AD (OR=2.52). The risk for AD was increased by 96% in patients with a history of smoking. None of the other variables in our study were significant risk factors. The consumption of alcohol was identified as a significant protective factor. Conclusions: Advanced age and APOE ɛ4-Allele proved to be risk factors for AD. A lifetime diagnosis of depression as well as smoking increases the risk for AD. Alcohol consumption reduces the risk for AD

Investigations on the design of a cost-optimized reference regime for recharging of battery electric multiple units (BEMU)

Diesel Multiple Units (DMU) will be little by little switched for less pollutant alternatives. Battery Electric Multiple Units (BEMU) is the alternative that will be thoroughly studied in this master thesis, focusing in optimizing the costs of the project, comparing its performance with an Electric Multiple Unit (EMU). After analysing the catenary system, charging stations, battery type and price of electricity, the costs of those elements will be extracted to build an optimization model. For the treatment of the data and model construction Excel has been used.The objective is to make a costs comparison between an BEMU and an EMU project and observer under which circumstances one outperforms the other. Pointing special focus on how a variation of the elements that conforms the BEMU costs effect the final expenses of the project in order to achieve a better understanding and a costs optimization. <br /