A novel method to compute capillary forces between directly resolved rough interfaces is presented. In particular, the free energy of the considered system is numerically minimized constrained to a predefined volume and given solid boundary. A good agreement between the novel algorithm and well known solutions for smooth interfaces is demonstrated. The investigation of rough interfaces requires a statistical approach since the integral root mean square roughness (RMS) exhibits an infinite number of realizations. It turns out that the accuracy of the mean capillary force is sufficiently good, whereas the statistical uncertainty of the standard deviation is dissatisfying. The application of the novel method to capillary bridges between a rough sphere and a smooth plate reveals complex and highly non-linear dependencies between the force distribution and the classical parameters, i.e., volume, gap distance and contact angle. In contrast, the relation between the standard deviation and the RMS is observed to be linear which is also pointed out for sphere-sphere systems, provided that one interface is smooth or both interfaces exhibit the same roughness. Finally, the results are discussed with respect to their application within a multi-scale DEM.

Melanie Gräßer

Steffen Jesinghausen

Helge Klippstein

Christina Kummert

Dennis Menge

Polymer Laser Sintering (LS) is one of the most used Additive Manufacturing (AM) technologies for the tool-less production of polymer parts. The raw material is a polymer powder which is melted layerwise by the use of laser energy. Especially for the production of single parts, small series, individualized and complex structures, the technology is yet established in few branches. However, inhomogeneous and hardly controllable thermal effects during manufacturing limit the build reproducibility. The present work focuses on temperatures within so-called part cakes, their time dependency and their influence on process quality. Therefore, a temperature measurement system is implemented into a commercial laser sintering machine. Based on the experimental data a model to simulate heat transfer within part cakes is set up. Individual thermal histories during processing are successfully correlated with position dependent powder ageing effects. Another focus is on the analysis of a recycling optimized material. First results of correlations between thermal histories and part properties are shown in order to provide an outlook to further research. The data and knowledge gained through this work can be used to understand thermal effects in greater depth and to increase the process quality via optimizations.

Stefan Josupeit

Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die "Prozessqualifizierung zur verlässlichen Herstellung von Produkten im Polymer Lasersinterverfahren". Über eine definierte Qualitätsprozesskette werden sämtliche, auf die Produktqualität relevanten Einflussparameter, bestimmt und berücksichtigt. Unterschiedliche Methoden zur Materialcharakterisierung des pulverförmigen Ausgangsmaterials werden analysiert und bewertet. Rheologische sowie chemische Eigenschaften, aber auch die Partikelgrößenverteilung oder die Schüttdichte werden hinsichtlich Relevanz, Einfluss und Anwenderfreundlichkeit untersucht. Das Ziel ist eine sinnvolle Bestimmung des Ausgangszustandes des Pulvers anhand definierter, relevanter Materialeigenschaften, um reproduzierbare technische Bauteileigenschaften zu gewährleisten. Dazu werden mechanische, dynamisch-mechanische, physikalische, elektrische, thermische sowie chemische Untersuchungen durchgeführt und hinsichtlich wichtiger Einflussparameter evaluiert. Die Bestimmung erfolgt über entwickelte Referenzjobs, in denen die hauptsächlichen Einflussfaktoren auf das Polymer-Lasersinterverfahren entlang der Qualitätsprozesskette berücksichtigt werden. Die charakterisierten Daten dienen zur Auslegung eines fiktiven Produktes aus der Luftfahrtindustrie. Mit Hilfe dieser Methoden lassen sich Materialkennwerte für diverse Simulationstools eindeutig bestimmen um eine realitätsnahe Berechnung zu gewährleisten.

Stefan Rüsenberg

Auch wenn Beton bereits seit vielen Jahrtausenden verwendet wird, sind seine absoluten rheologischen Eigenschaften bis heute nur wenig erforscht. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass kommerzielle Rheometer aufgrund ihrer Messspaltgröße nicht für Beton geeignet sind. Da die Kenntnis der Betonrheologie für die Bewältigung zukünftiger Herausforderungen jedoch notwendig ist, lag der Hauptfokus dieser Arbeit auf der Entwicklung eines adaptiven koaxialen Be tonrheometers, kurz ACCR, zur Bestimmung rheologischer Absolutwerte. Mit dem entwickelten Rheometer konnte, nach erfolgreicher Validierung der Funkti onsweise, Beton mit hoher Reproduzierbarkeit rheologisch charakterisiert werden. Dies wurde vor allem durch die baulichen Besonderheiten (rotierende Bodenplatte; adaptive, temperierte Messoberflächen) des ACCR ermöglicht. Aufgrund des ver gleichsweise großen Messspalts konnte weiterhin eine neuartige, auf PIV-basie rende Methode zur Fließgrenzbestimmung implementiert werden, welche vielver sprechende Ergebnisse gezeigt hat. Ein weiterer Fokus der Arbeit lag auf der si mulativen Bestimmung von Korrekturwerten für verschiedene, strukturierte Koa xialsysteme, welche für die meisten wandgleitenden Fluide erforderlich sind. Da der simulative Ansatz nur minimale Abweichungen zu aufwändig bestimmten La borwerten zeigte, konnte abschließend das Fließfeld innerhalb der Strukturen nä her charakterisiert werden.

Sebastian Josch

Die Überführung nanoskaliger Magnetitpartikeln aus einer wässrigen in eine unmischbare organische Phase wird klassisch über einen zwischengeschalteten Trocknungsschritt sowie eine Funktionalisierung der Partikeloberfläche realisiert. Durch den Trocknungsschritt können jedoch die gewünschten Partikeleigenschaften (Magnetismus oder Agglomeratgröße) negativ beeinflusst werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht daher ein neuer Ansatz der Extraktion nanoskaliger Magnetitpartikeln direkt durch die flüssig-flüssig Phasengrenze. Um die komplexen Vorgänge während der Extraktion definiert untersuchen zu können, ist die Betrachtung der gesamten Prozesskette notwendig. Diese umfasst neben der Partikelsynthese, die Einstellung der Suspensionseigenschaften (Konditionierung) sowie den Transfer der Partikeln über die Grenzfläche. Jeder der Prozessschritte wurde experimentell näher untersucht, um ein vertieftes Verständnis der relevanten Elementarprozesse zu erlangen. Für den Prozessschritt der Suspensionskonditionierung wurden zudem tiefergehende theoretische Untersuchungen durchgeführt und ein vollständiges dimensionsloses Kennfeld exemplarisch für einen Kapillardialysator bestimmt. Diese Arbeit legt den Grundstein dafür, zukünftig die Gesamtprozesskette in Form einer kontinuierlich arbeitenden Technikumsanlage (Mini-Plant) abzubilden.

Philipp Grimm

Anwendungen von Laser-Sinter Bauteilen als Sichtteile sind aufgrund der vergleichsweise schlechten Oberflächenqualität sehr begrenzt. In dieser Arbeit werden dreidimensionale Kennwerte benutzt, um die Oberflächenqualität von Laser-Sinter Bauteiloberflächen und die Einflüsse aus unterschiedlichen Bereichen der gesamten Prozesskette zu evaluieren. Beispielsweise wurden objektive Kennwerte, mit deren Hilfe Orangenhaut zu identifizieren ist, und Prozessparameter, die diese deutlich vermindern, gefunden. Mittels Durchführung von haptischen Versuchen wurde das subjektive Empfinden ermittelt und konnten zu objektiven Kennwerten korreliert werden. Eine mikroskopische Betrachtung des flachen Oberflächenwinkels mit verschieden farbigen Pulvern zeigt neue Erkenntnisse zum Anschmelzvorgang von Partikeln an die Schmelze. Zur nachträglichen Glättung von Oberflächen wurden mechanische, chemische und optische Nachbehandlungsmethoden verwendet und deren Potential aufgezeigt. Eine abschließende neuartige Simulation der dreidimensionalen Topografie bildet die Grundlage für ein Programm zur automatischen und funktionsgerechten Orientierung von Bauteilen, welche am Beispiel eines realen Bauteils erfolgreich validiert wurde. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass die richtige Wahl von Bauorientierung und Prozessparametern entscheidend für die Bauteilqualität ist und selbst eine aufwendige Nachbearbeitung eine ungeschickte Wahl derer nur schwerlich ausgleichen kann.

Patrick Delfs

Kapillarbrücken sind sehr wichtig bei der Betrachtung der Wechselwirkungen zwischen Partikeln, da sie starke Haftkräfte ausüben. Die Bestimmung der genauen Kapillarkräfte ist jedoch komplex, weshalb in der Regel Näherungen verwendet werden. So gibt es bisher keine umfassende Untersuchung der Kapillarkräfte bei nanoskaligen Partikeln. Weiterhin ist zu beachten, dass bei kleineren Partikeln die Rauheit einen größeren Einfluss erhält.
In dieser Arbeit werden Kapillarbrücken zwischen Partikeln durch eine numerische, kontinuumsmechanische Berechnung der Meniskusform untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf nanoskaligen Partikeln. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die entstehenden Kräfte wird ermittelt und die Zusammensetzung der Kapillarkraft betrachtet. Es wird unter anderem eine Kontaktsteifigkeit für Kapillarbrücken hergeleitet und gezeigt, dass die kontinuumsmechanische Bestimmung von Kapillarbrücken auch bei Partikeln mit sehr geringen Durchmessern möglich ist.
Zur Betrachtung rauer Partikeln wird eine Modellierungsmöglichkeit vorgestellt, mit der Partikeln mit zufälligen Rauheiten modelliert werden können. Durch die Anpassung der Parameter ist es möglich, verschiedene Partikelformen zu modellieren. Außerdem werden Ansätze für eine Methode zur Bestimmung dreidimensionaler Kapillarbrücken gezeigt, wie sie zwischen rauen Partikeln auftreten.

Michael Dörmann

The formation of a particle depleted and a structured particle layer adjacent to a confining surface is a well known effect in suspension rheology. This thesis aimed to provide insight into specific properties of these layers. Firstly, the influence of pressure on the depleted layer, which is the cause of apparent wall slip, should be quantified. A slit die was fitted with pressure transducers and an outlet restrictor. By performing experimental work as well as simulations, it was demonstrated that the pressure's influence is negligible. Secondly, a setup should be provided, which allows for the characterization of both depleted and structured layers with regard to various, independently variable, parameters. To this end, a parallel plate rheometer was modified for optical accessibility. Optical velocimetric and concentration determination methods were implemented. After carefully mapping the modification induced distortion of the velocity field, concentration profiles were obtained and analyzed. Especially the demonstrated vertical concentration gradient poses a new challenge for rheology.

Sven Pieper

Die Aufdeckung von Prozess-Struktur-Korrelationen bei Nanokompositen ist eine not-
wendige Voraussetzung zur Optimierung der Produkteigenschaften. Aufgrund der Po-
lydispersität wird eine schnelle Methodik benötigt, um eine statistisch ausreichende
Signifikanz zu gewährleisten.
Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die Weiterentwicklung der Statischen Licht-
streuung zur in-situ Charakterisierung hoch anisotroper Nanopartikel in Polymerma-
trix. Als Modellsystem werden Suspensionen aus MWNT verwendet, die mit zwei
unterschiedlichen theoretischen Ansätzen charakterisiert werden. Der dazu nötige
breite Streuvektorbereich wird durch Kalibrierung zweier kommerzieller Messsysteme
mittels eines angepassten Nanopartikel-Standards hergestellt. Die Möglichkeiten und
Grenzen dieses Ansatzes werden ausführlich diskutiert und eingegrenzt.
Um die bei der Compoundierung übliche Verkürzung der MWNT mit negativen
Auswirkungen auf die Produkteigenschaften zu minimieren, werden zwei alternative
Dispergiermethoden untersucht: die Ultraschalldispergierung und die Einschnecken-
extrusion.
Die wirkenden Ultraschallfelder werden mittels eines Hydrophons bei variierten Schall-
parametern vermessen. Die so prozessierte Suspension wird mit o.g. Methode charak-
terisiert und Korrelationen hergestellt.
Die Einschneckenextrusion wird als wirksame Dispergiermethodik verifiziert, und ei-
nige Korrelationen aufgedeckt. Die direkte Anwendbarkeit der Statischen Lichtstreu-
ung auf Nanokomposite wird untersucht und diskutiert.

Stefan Gerkens

Die Abscheidungen von feinsten Stäuben, welche aus Biomassefeuerungsanlagen emit-tiert werden, stellt seit der Novellierung der ersten Bundesimmissionsschutzverordnung in 2010 für viele Feuerungsanlagenbetreiber eine Herausforderung dar, da viele der betriebenen Kessel die vorgeschriebenen Grenzwerte nicht einhalten.
In dieser Arbeit soll ein völlig neuer Ansatz zur dauerhaft stabilen Abscheidung von Feinstäuben aus Holzfeuerungsanlagen präsentiert werden, welcher durch die Verwendung eines precoatierten Schlauchfilters Abscheidegrade von mehr als 99 % erreicht. Da hierbei die Gefahr einer Verstopfung des Filtermediums durch das Precoatmaterial oder den Feinstaub besteht, wird die Auswahl der richtigen Filtermedium-Precoat-Kombination in dieser Arbeit näher beleuchtet. Die Einführung einer Kennzahl - der Precoateffizienz - erlaubt es, Filtrationsprozesse, bei denen Precoatmaterialien genutzt werden, hinsichtlich ihres Precoatverbrauchs zu bewerten.
Damit wird die Möglichkeit geschaffen, die betrachteten Prozesse anhand aussagekräftiger Parameter zu optimieren und dabei Ressourcen zu sparen. Das durch die Anlagenfahrweise entstehende inhomogene Druckverlustverhalten eines Filters ist Gegenstand theoretischer Untersuchungen. Mit dem hierfür entwickelten Modell können charakteristische Filterzustände beschrieben werden.
Neben der Charakterisierung eines kompakten Laborschlauchfilters wird zudem auch ein Scale-up auf eine realistische Pilotanlage vorgenommen.

Sascha Schiller

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die numerische und experimentelle Untersuchung der Aerosolbildung aus einem binären Dampfgemisch.
Für die numerische Untersuchung mit Hilfe der kommerziellen Software Parsival erfolgt die Aufstellung eines 1D Modelles. Damit kann die Partikelgrößeverteilung analysiert werden, aber die Verteilung der Stoffzusammensetzung der Partikeln ist nicht zu ermitteln. Deshalb wird ein 2D Modell mit der Monte-Carlo Simulation entwickelt.Um das MC-Modell effizient auszuführen, werden zwei Maßnahmen durchgeführt. Eine ist die Entwicklung einer Klassenmethode für die Koagulation. Die zweite Maßnahme ist, dass die Keimbildung und Koagulation als Ereignisse und das Wachstum als kontinuierlicher Prozess betrachtet werden. Beide Maßnahmen und die Anwendung der „Stepwise Constant Volume“ Methode gestalten die Simulation effizient und ohne Genauigkeitsverlust.
Bei den experimentellen Untersuchungen wird ein „Heated Capillary Aerosol Generator“ verwendet. Die Bestimmung der Partikeleigenschaft wird mittels Lichtstreuungsmessung mit zwei Messgeräten Goniometer und Weißlichtspektrometer durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse und die Resultate der Simulation werden verglichen.

Xinze Zhen

Wandgleiten im Allgemeinen und in Suspensionen ist ein bekanntes Phänomen, welches bis heute aufgrund seiner Komplexität nicht gänzlich verstanden ist. Fortschritte in der Messtechnik ermöglichen indes tiefere Einblicke und ein grundlegenderes Verständnis.
In dieser Arbeit wurde eine neue optische Methode entwickelt, um Strömungen von Suspensionen in mikroskaligen Bereichen sichtbar zu machen. Zu diesem Zweck wurden Mittel der Particle Image Velocimetry mit den Methoden der Speckle Velocimetry kombiniert. Durch die Einbringung einer lokalen Beleuchtung wurde das Signal-Rauschverhältnis bei der Strömungsmessung deutlich verbessert und bisher nicht mögliche Auflösungen erreicht. Um solch optische Strömungsmessungen durchführen zu können, war zunächst eine umfangreiche Untersuchung der optischen Eigenschaften der Ausgangsstoffe notwendig.
Mit der entwickelten Methode wurde die Strömung in einer rheometrischen Schlitzdüse mit hochgefüllten Suspensionen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Wandgleitgeschwindigkeit nicht, wie bisher zumeist beschrieben, linear von der Schubspannung abhängt. Vielmehr treten zwei Bereiche auf, in welchen unterschiedliche Abhängigkeiten dominieren. Darüber hinaus wurde deutlich, dass Wandgleiten über den optischen Weg wesentlich zuverlässiger untersucht werden kann, als mit klassischen Methoden. Abschließend wird eine komplett neuartige Methode vorgestellt, um die Konzentrationsverteilung aus der lokalen Viskositätsverteilung zu ermitteln.

Steffen Jesinghausen

Für eine Etablierung des Polymer Lasersinterns im industriellen Markt sind eine effizientere Gestaltung des Gesamtprozesses mit Blick auf eine Serienfertigung sowie eine Erweiterung der Materialvielfalt und damit Steigerung der Anwendbarkeit notwendig. Dabei stellen die thermischen und thermisch-oxidativen Bedingungen des Bau- und Abkühlprozesses eine Herausforderung für die Bauteilqualität dar. Insgesamt leistet diese Arbeit einen signifikanten Beitrag, um homogenere Bauteileigenschaften (Farbe und Mechanik) zu erzeugen,

Alterungserscheinungen der drei Kunststoffe PA12, TPE und PA613 bereits im Lasersinter-Prozess zu vermeiden, die Serienfertigung durch alternative Abkühlstrategien zu vereinfachen und verschiedene Zusammenhänge zwischen Prozessbedingungen und den resultierende Bauteileigenschaften besser zu verstehen.

Auf Basis experimenteller Analysen der vorherrschenden thermischen und thermisch-oxidativen Vorgänge im Prozess und deren Auswirkungen auf die resultierenden Materialeigenschaften, konnten mathematische Modelle aufgestellt werden, welche mit praxistauglichen Daten validiert wurden. Darüber hinaus wurde für das neuartige Polymer PA613 die thermische Beständigkeit auch im Gebrauch erstmalig untersucht und die experimentellen Daten wurden für eine Lebensdauervorhersage genutzt.

Christina Kummert