Forschungsberichte ohne Pflichtabgabe (DFG, IGF…)

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    Compliant and breathable magnetoelectronics: towards electronic proprioception
    (2025-11-12) Makarov, Denys; Ionov, Leonid
    Augmented reality gadgets, e.g. Microsoft HoloLens or Oculus Rift devices are becoming common for our information intensive society assisting us to acquire and process the data. Although impressive in the realization and demonstrations, the obvious drawback of state-of-the-art augmented reality gadgets, which typically rely on optical detection systems, is their bulkiness, heaviness and the stringent requirement for an operator to be at the line of sight of the device. We envision that prospective augmented reality systems will rely on compliant on-skin interactive electronics, which is yet to be developed. In this project, we will develop haptically imperceptible on-skin gadgets, which replicate our natural proprioceptive sensory ability of detecting the motion. These novel magnetosensitive smart skins should be realized in a way not to disturb our everyday activities while worn on skin. This statement necessarily means that the prospective shapeable magnetoelectronics should become not only mechanically compliant but also breathable, e.g. enabling water evaporation and transport of oxygen. In this respect, polymeric foils, which are typically used in the field of compliant electronics, should be replaced with ultrathin textile-like materials. Those, in turn, should support the realization of high-performance magnetic field sensors. We propose that fibrous materials are the most suitable substrates to achieve this goal and realize breathable and highly compliant magnetic field sensors. Therefore, as the key objective of this project, we will explore the possibility to realize high-performance magnetic field sensors on fibrous materials. Furthermore, there is no data on the realization of breathable compliant permanent magnets, which are needed for on-skin applications involving compliant magnetic field sensors. Hence, ultimately, we aim at the development of the entire system containing breathable compliant magnetic field sensors, which will work in conjunction with breathable compliant magnets. In particular, 1/ We aim to fundamentally understand the correlation between chemical nature of polymers, structure of electrospun mats and their mechanical properties; 2/ We explore the possibility to realize high-performance magnetic field sensors on electrospun mats possessing porous structure with high local curvatures at the location of individual fibers; 3/ We aim on the fabrication of compliant and breathable permanent magnets and will address the interplay of the mechanical properties (stability, cyclic performance) of laminated magnetic composites and their magnetic performance (not only strength but also spatial symmetry of the magnetic stray fields).
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    Untersuchung des Injektionsbox-Designs zur Steigerung der Produktivität, Produktqualität und Ressourceneffizienz des Pultrusionsverfahrens
    (Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2023-01-05)
    Um Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) zu fertigen, werden in vielen kontinuierlichen Verfahren, wie beispielsweise der Pultrusion und dem Wickeln, die verstärkenden Fasern kontinuierlich mit der duroplastischen Kunststoffmatrix imprägniert. Die Imprägnierung wird derzeit überwiegend in offenen Tränkbädern durchgeführt, da diese Systeme technisch einfach und leicht zu überwachen sind. Hochreaktive und somit hochproduktive Matrixsysteme können in offenen Tränkbädern infolge der langen Verweilzeiten nicht verwendet werden. Der unkontrollierte Harzauftrag führt im offenen Harzbad teils zu hohen Abfallmengen an Harzsystem, geringen Imprägnierqualitäten sowie hohen Emissionen flüchtiger Mischungsbestandteile. Somit bleiben sowohl die Bauteilqualität als auch die Produktivität des Verfahrens hinter dem Potenzial zurück. Als alternative Injektionsmethode werden Injektionsboxen verwendet, die die Fasern in einer geschlossenen Kavität imprägnieren. Am IKV wurde ein Prüfstand für Injektionsboxgeometrien entwickelt. Für die Herstellung von rechteckigen Profilen wurde eine transparente Sichtinjektionsbox aus Polymethylmethacrylat (PMMA) gefertigt. So können die Strömungsvorgänge in der Injektionsbox direkt betrachtet und analysiert werden. Dazu werden in der Sichtinjektionsbox nicht-reaktive Prüffluide, wie Sacheroselösungen und Mesamoll, verwendet. Deren Viskosität liegt im Bereich von pultrusionstypischen Harzsystemen, zwischen 10 mPas und 300 mPas. Des Weiteren wurde eine Beschreibung der Strömungsfelder in der Injektionsbox entwickelt. Bei der Betrachtung von Einzelfaserrovings und der daraus resultierenden Strömung zwischen zwei Rovings, können drei verschiedene Bereiche in der Injektionsbox unterschieden werden. Die Region I, die dem finalen Querschnitt am nächsten liegt, ist an kleinen Harzbereichen zwischen den Fasersträngen zu erkennen. In dieser Region ist die Imprägnierung durch den geometrisch bedingten Druckaufbau und die hohe Filamentdichte geprägt. Im Gegensatz dazu kann die Region II als eindimensionale Strömung in einem konvergierenden Spalt mit beweglichen Wänden interpretiert werden. Der Spalt wird durch sich überlagernde Rovings gebildet. Region III bezeichnet den Bereich in dem Lücken zu den benachbarten Rovings entstehen. Dies ist vor allem für Injektionsboxen mit großen horizontalen Öffnungswinkeln zu beobachten. In den Regionen II und III sind Kapillarkräfte der für die Imprägnierung entscheidende Mechanismus. Unter Verwendung der Sichtinjektionsboxen wurde das Strömungsfeld in der Injektionsbox, hinsichtlich der Abzugskraft, des Füllgrades und der durchschnittlichen Harzverweilzeit, untersucht. Dabei wurde der Einfluss der zentralen Prozessparameter Faservolumengehalt, Matrixviskosität und Abzugsgeschwindigkeit betrachtet. Die Beobachtungen des Strömungsprofils in der Injektionsbox zeigen, dass die Imprägnierung allein auf Grund von Kapillarkräften nicht zu einer vollständigen Imprägnierung führt, da Luft in den Filamenten und der Flüssigkeit eingeschlossen wird. Diese Luft wird durch den zunehmenden Druck in der Nähe des endgültigen Querschnitts verdrängt, was die Qualität der Imprägnierung verbessert. Um systematisch das Verständnis über das Strömungsfeld und der daraus resultierenden Imprägnierqualität zu erweitern, wurde zunächst eine Variation des horizontalen und vertikalen Öffnungswinkels der Injektionsbox untersucht. Zusammenfassend ist zu erkennen, dass größere Öffnungswinkel zu einem geringerem Druckaufbau führen. Der Druckaufbau ist nicht nur in seinem Betrag geringer sondern findet auch näher am finalen Profilquerschnitt statt. Kleinere Öffnungswinkel verkürzen insbesondere für geringe Abzugsgeschwindigkeiten die Harzverweilzeit. Bei zu geringen Öffnungswinkeln ≤1° konnte die vollständige Imprägnierung jedoch nicht sichergestellt werden. Anschließend wurden Injektionsboxen auf Basis der ermittelten Zusammenhänge konstruiert. Für das Design einer neuen Injektionsbox, wird basierend auf der finalen Profilgeometrie und den gewählten Öffnungswinkeln der Öffnungsquerschnitt der Injektionsbox bestimmt. Zur Verifizierung der Sichtinjektionsboxen wurden Pultrusionsversuche mit reaktivem Matrixmaterial an den gleichen Geometrien durchgeführt. Durch die Analyse der Versuche mit reaktivem Matrixmaterial konnte gezeigt werden, dass eine Untersuchung von Strömungszuständen in der Injektionsbox mit Hilfe von Sichtinjektionsboxen möglich ist. Somit ist davon auszugehen, dass die Untersuchungen zu den Geometrieparametern der Injektionsbox auf reaktive Systeme übertragbar sind. Die Erkenntnisse zum Injektionsboxdesign können somit direkt von kmU zur optimierten Auslegung neuer Injektionsboxen hinsichtlich des Druckaufbaus und des Strömungsfeldes angewandt werden. Datei-Upload durch TIB
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    Analyse des Aushärteverhaltens hochreaktiver Harzsysteme unter prozessnahen Bedingungen zur besseren Auslegung von Fertigungsprozessen
    (Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2022-12-12)
    Bei der Verarbeitung reaktiver Kunststoffe, wie Polyurethanen oder Epoxidharzen, in diskontinuierlichen Verfahren nehmen die Werkzeugfüll- und Aushärtephasen einen signifikanten Teil der Gesamtzykluszeit ein. Industrielle Entwicklungen tendieren daher zum Einsatz schnell härtender Systeme mit Reaktionszeiten von unter einer Minute, die hohe Anforderungen an die Prozessauslegung und Materialmodellierung stellen. Dabei hängt die Modellgenauigkeit stark von den experimentell ermittelten Reaktionsdaten ab. Es muss sichergestellt werden, dass die exotherme Aushärtungsreaktion der betrachteten Materialien mittels Thermoanalyse präzise erfasst werden kann. Die Charakterisierung des Reaktionsprozesses ist insbesondere bei schnell härtenden Systemen herausfordernd. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen weisen schnell härtende Harze keine signifikante Inhibierungszeit auf oder reagieren bereits weit unter Raumtemperatur. Die Zeitdifferenz zwischen Probenpräparation und Messstart ist mit dem Beginn der Vernetzungsreaktion überlagert, sodass der Reaktionsverlauf nicht vollständig erfasst werden kann. Dadurch ist die Qualität der Messdaten reduziert. Vor diesem Hintergrund wurde am IKV eine Messzelle zur ganzheitlichen Charakterisierung des Reaktionsverhaltens schnell härtender Harz-Systeme unter isothermen sowie nicht-isothermen Bedingungen entwickelt. Die Messzelle beruht auf dem Prinzip der Dynamischen Differenzkalorimetrie (eng.: Differential Scanning Kalorimetrie (DSC)). Anders als bei den konventionellen Methoden erfolgt eine direkte Dosierung des reaktiven Materials in die auf bis zu 200 °C vorgeheizte Messkammer, sodass die Reaktionsenthalpie maximal 10 Sekunden nach der Vermischung erfasst wird. Über mechanische Stempel kann ein Messdruck von bis zu 100 bar aufgebracht werden, um das Reaktionsverhalten unter prozessnahen Bedingungen zu charakterisieren. Zusätzlich zum Einfluss variierender Prozessparameter können durch eine Niederdruck-Kolbendosieraggregat der Einfluss variierender Materialbedingungen, wie z. B. Lagerzeit, Materialtemperatur, Prozessgase, sowie die Zugabe von Additiven auf das Reaktionsverhalten hochreaktiver Materialien analysiert werden. Die gewonnenen Messergebnisse der Messzelle zeigen bei einem langsam reagierenden Epoxidharz eine gute Übereinstimmung verglichen mit einer konventionellen DSC. Darauf aufbauend konnten zwei beispielhafte schnell härtende PUR Systeme mit Reaktionszeiten von unter zwei Minuten erstmals vollständig unter isothermen und nicht-isothermen Bedingungen charakterisiert und die Daten zur Modellierung des Reaktionsfortschritts mittels Isokonversionsmethoden genutzt werden. Aufbauend auf den erzielten Erkenntnissen und mittels der entwickelten Messzelle sollen die generierten Materialdaten in einem Nachfolgeprojekt zur verbesserten Prozesskontrolle anhand der Modellierung des Reaktionsfortschritts genutzt werden. Mittels dieser Modelle soll anschließend eine Systematik zur robusten Qualitätssicherung anhand der Beschreibung der Reaktionskinetik im PUR-RIMProzess aufgebaut werden. Wesentliche Untersuchungsaspekte sind die Signifikanz der relevanten Messgrößen zur Erfassung von Chargenschwankungen sowie die Identifizierung und Kontrolle optimaler Prozessfenster. Zu diesem Zweck sollen offline Daten zum thermorheologischen Materialverhalten mit den Prozessdaten während der Bauteilherstellung korreliert werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB
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    Analyse und integrative Berechnung der Schwingungsfestigkeit kurzglasfaserverstärkter Thermoplastbauteile
    (Hannover : Technische Informationsbibliothek, 2022-06-27)
    In diesem Forschungsvorhaben wurden die viskoelastischen Eigenschaften zweier kurzglasfaserverstärkte Kunststoffe mit unterschiedlichen Fasermassengehalten anhand der Dynamisch Mechanischen Analyse charakterisiert. Des Weiteren wurde das Ermüdungsverhalten bei jeweils drei unterschiedlichen Frequenzen bis 90 Hz in konventionellen Wöhlerversuchen bestimmt. Aufgrund der durch die hohe Prüffrequenzen induzierten starken Eigenerwärmung der geprüften Werkstoffe wurde ein neues adaptives Kühlsystem entwickelt und validiert, das erstmalig quasi-isotherme Wöhlerversuche ermöglicht. Folglich konnten Wöhlerversuche durchgeführt werden, um den Frequenzeinfluss bei konstanter Werkstofftemperatur zu untersuchen. Höhere Prüffrequenzen führen zunächst zu einer höheren zyklischen Lebensdauer, weshalb für eine konservative Ermüdungsabschätzung Wöhlerdaten bei niedrigen Frequenzen (beispielsweise 5 Hz) verwendet werden können. Der primäre zu berücksichtigende Werkstoffeffekt ist die Reduktion der Lebensdauer durch die Temperaturerhöhung. Gleichzeitig wurde eine integrative Simulationskette für die numerische Berechnung des Schwingverhaltens aufgebaut, das einen Lösungsalgorithmus im Frequenzbereich verwendet. Die Kalibrierung des frequenzabhängigen Werkstoffverhaltens erfolgte im Reverse-Engineering Verfahren. Die entwickelte Methodik wurde anhand von Resonanzverweilprüfungen an einem neuentwickelten Schwingprobekörper überprüft. Es konnte festgestellt werden, dass bei kritischen Beanspruchungszuständen trotz einer Biegebeanspruchung ebenfalls eine Werkstofferwärmung während der Resonanzverweilprüfungen auftritt und so das Ermüdungsverhalten nachteilig verändert wird. Mit der entwickelten Methodik ist es möglich die Schwingfestigkeit komplexer geometrischer Strukturen aus kurzglasfaserverstärkten Thermoplasten numerisch abzuschätzen, sobald für die Evaluierung der resultierenden Beanspruchung temperaturabhängige Ermüdungsdaten verwendet werden. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht. Datei-Upload über TIB