Development of optimized rib geometries for the application of expanded long-fiber reinforced thermoplastics
| datacite.contributor.RelatedPerson | Dassios, Konstantinos | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Daskalakis, Vangelis | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Kouzoudis, Dimitris | |
| datacite.contributor.Supervisor | Wolters , Jan | |
| datacite.contributor.Supervisor | Hopmann, Christian | |
| datacite.contributor.Supervisor | Dimakopoulos, Yiannis | |
| dc.contributor.author | Τσιλιάκου, Ευδοκία | |
| dc.contributor.other | Tsiliakou, Evdokia | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-05T10:32:00Z | |
| dc.date.available | 2024-07-05T10:32:00Z | |
| dc.date.issued | 2024-07-04 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Long fiber reinforced thermoplastic (LFT) materials are extensively used in automotive applications as a substitute for metal materials, because of their higher strength and impact properties. One of the main challenges in the automotive industry is the development of lightweight components reducing energy consumption and emissions during production. To achieve these goals, improvement of certain composite material groups and optimization of the production process must be undertaken. Among those materials, polypropylene reinforced with long glass fibers (LGF- PP) is often used due to its improved tensile strength, impact resistance, and thermal stability. Furthermore, utilizing LFTs like LGF- PP for high-speed production of complex parts is commonly done by injection molding process. During this process, the orientation of the fibers is affected, and the fiber length decreases considerably. This results in low stiffness and mechanical performance of LFTs. To minimize the reduction of fiber length, a low-shear process must be used like foam injection molding (FIM). FIM is a high potential process which improves fiber length and allows higher design freedom and dimensional accuracy. Foaming leads to the development of cell nuclei into the core of the part reducing the density of the component. This indicates minimizing material usage, and plausible energy saving throughout this method. To eliminate the need for constructing thick-walled areas, parts are subdivided into ribbed sections. Additionally, this results in better stiffness and stability, contributing to lightweight industrial applications. The current thesis investigates the development and optimization of rib geometries in polypropylene (PP) reinforced with long glass fibers (LGF) for lightweight, in high-performance applications such as in the automotive industry. The main focus is the comparison of conventional injection molding with FIM process for LFTs and investigating the advantages of FIM. The ProFoam process is tested, which is a physical FIM process in which nitrogen, as blowing agent, is introduced during melting in the plasticizing unit. Various parameters in the injection molding process - in particular injection speed, melt temperature- and rib thickness, rib height, and rib orientation are analyzed in a full factorial experimental design. The fiber orientation and length are investigated as well as the foam structure through microscopic analysis. The mechanical properties are also determined on each case by using 4- point bending tests. Through those results the influences of the process parameters and the rib geometry are presented for both methods. The results for the foamed parts are obtained by setting 10 % weight reduction during FIM process. It is found that cell formation is significantly affected by melt temperature and injection speed. Opti-mum cell diameter and cell distribution are observed at higher melt temperatures and injection speeds. Moreover, fiber orientation is mainly influenced by the angle between the rib and the melt flow direction, which in combination with the fiber length will influence the mechanical properties. The weight-specific failure load of the foam parts is comparable and even higher than the compact parts. Overall, the results provide an insight into the impact of foaming on the mechanical characteristics and rib geometry, as well as useful information in the development of high-performance thermoplastic materials. | |
| dc.description.sponsorship | The research is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action (BMWK) as part of the Project “Digitale Auslegung einer Leightbaukomponente – DIGILaugBeh” (grant number 03LB3044E) | |
| dc.description.translatedabstract | Τα τελευταία χρόνια, τα θερμοπλαστικά ενισχυμένα με μακριές ίνες (LFT) χρησιμοποιούνται ευρέως σε εφαρμογές αυτοκινήτων ως υποκατάστατο μεταλλικών υλικών, λόγω της υψηλότερης αντοχής και των ιδιοτήτων κρούσης τους. Μία από τις κύριες προκλήσεις στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι η ανάπτυξη ελαφρών εξαρτημάτων που μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας και τις εκπομπές ρύπων κατά την παραγωγή. Για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι, πρέπει να πραγματοποιηθεί βελτίωση ορισμένων ομάδων σύνθετων υλικών και βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας. Μεταξύ αυτών των υλικών, το πολυπροπυλένιο ενισχυμένο με μακριές ίνες γυαλιού (LGF-PP) χρησιμοποιείται συχνά λόγω της βελτιωμένης αντοχής σε εφελκυσμό, της αντοχής σε κρούση και της θερμικής σταθερότητάς του. Επιπλέον, η χρήση LFT όπως το LGF-PP για την παραγωγή σύνθετων εξαρτημάτων υψηλής ταχύτητας γίνεται συνήθως με τη διαδικασία χύτευσης με έγχυση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο προσανατολισμός των ινών επηρεάζεται και το μήκος της ίνας μειώνεται σημαντικά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη χαμηλή ακαμψία και τη μηχανική απόδοση των LFT. Για να ελαχιστοποιηθεί η μείωση του μήκους των ινών, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια διαδικασία χαμηλής διάτμησης όπως η χύτευση με έγχυση αφρού (FIM). Το FIM είναι μια διαδικασία υψηλών δυνατοτήτων που βελτιώνει το μήκος της ίνας και επιτρέπει μεγαλύτερη ελευθερία σχεδιασμού και ακρίβεια διαστάσεων. Ο αφρισμός οδηγεί στην ανάπτυξη κυτταρικών πυρήνων στον πυρήνα του τμήματος μειώνοντας την πυκνότητα του συστατικού. Αυτό υποδηλώνει ελαχιστοποίηση της χρήσης υλικού και εύλογη εξοικονόμηση ενέργειας σε όλη αυτή τη μέθοδο. Για να εξαλειφθεί η ανάγκη κατασκευής περιοχών με παχύ τοίχωμα, τα μέρη υποδιαιρούνται σε ραβδωτά τμήματα. Επιπλέον, αυτό έχει ως αποτέλεσμα καλύτερη ακαμψία και σταθερότητα, συμβάλλοντας σε ελαφριές βιομηχανικές εφαρμογές. Η παρούσα διατριβή διερευνά την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση γεωμετριών ραδβώσεων σε πολυπροπυλένιο (PP) ενισχυμένο με μακριές ίνες υάλου (LGF) για ελαφρύ βάρος, σε εφαρμογές υψηλής απόδοσης όπως στην αυτοκινητοβιομηχανία. Η κύρια εστίαση είναι η σύγκριση της συμβατικής χύτευσης με έγχυση με τη διαδικασία FIM για LFT και η διερεύνηση των πλεονεκτημάτων του FIM. Δοκιμάζεται η διαδικασία ProFoam, η οποία είναι μια φυσική διαδικασία FIM κατά την οποία το άζωτο, ως παράγοντας φουσκώματος, εισάγεται κατά την τήξη στη μονάδα πλαστικοποίησης. Διάφορες παράμετροι στη διαδικασία χύτευσης με έγχυση - ειδικότερα η ταχύτητα έγχυσης, η θερμοκρασία τήγματος- και το πάχος, το ύψος της και ο προσανατολισμός της νεύρωσης αναλύονται σε ένα πλήρες παραγοντικό πειραματικό σχέδιο. Ο προσανατολισμός και το μήκος της ίνας διερευνώνται καθώς και η δομή του αφρού μέσω μικροσκοπικής ανάλυσης. Οι μηχανικές ιδιότητες προσδιορίζονται επίσης σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιώντας δοκιμές κάμψης 4 σημείων. Μέσα από αυτά τα αποτελέσματα παρουσιάζονται οι επιρροές των παραμέτρων της διεργασίας και των γεωμετριών των ραβδώσεων για τις δύο μεθόδους. Τα αποτελέσματα για τα αφρισμένα μέρη λαμβάνονται με ρύθμιση 10 % μείωσης βάρους κατά τη διαδικασία FIM. Διαπιστώθηκε ότι ο σχηματισμός των κυττάρων επηρεάζεται σημαντικά από τη θερμοκρασία τήξης και την ταχύτητα έγχυσης. Η βέλτιστη διάμετρος κυψέλης και η κατανομή των στοιχείων παρατηρούνται σε υψηλότερες θερμοκρασίες τήξης και ταχύτητες έγχυσης. Επιπλέον, ο προσανατολισμός της ίνας επηρεάζεται κυρίως από τη γωνία μεταξύ της νεύρωσης και της κατεύθυνσης ροής τήγματος, η οποία σε συνδυασμό με το μήκος της ίνας θα επηρεάσει τις μηχανικές ιδιότητες. Το ειδικό για το βάρος φορτίο αστοχίας των εξαρτημάτων αφρού είναι συγκρίσιμο ακόμα και υψηλότερο από τα συμπαγή μέρη. Συνολικά, τα αποτελέσματα παρέχουν μια εικόνα για την επίδραση του αφρισμού στα μηχανικά χαρακτηριστικά και τη γεωμετρία των ραβδώσεων, καθώς και χρήσιμες πληροφορίες για την ανάπτυξη θερμοπλαστικών υλικών υψηλής απόδοσης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/27414 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 United States | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/us/ | |
| dc.subject | Long liber reinforced thermoplastic (LFT) | |
| dc.subject | Thermoplastic foam injection molding | |
| dc.subject | Rib geometry | |
| dc.subject | Glass fibers | |
| dc.subject | Foam structure | |
| dc.subject.alternative | Θερμοπλαστικό ενισχυμένο με μακρές ίνες (LFT) | |
| dc.subject.alternative | Χύτευση με έγχυση θερμοπλαστικού αφρού | |
| dc.subject.alternative | Γεωμετρία ραβδώσεων | |
| dc.subject.alternative | Υάλινες ίνες | |
| dc.subject.alternative | Δομή αφρού | |
| dc.title | Development of optimized rib geometries for the application of expanded long-fiber reinforced thermoplastics | |
| dc.title.alternative | Ανάπτυξη βελτιστοποιημένων γεωμετριών ραβδώσεων για την εφαρμογή διογκωμένων θερμοπλαστικών ενισχυμένων με μακριές ίνες |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- Development of optimized rib geometries for the application of expanded long-fiber reinforced thermoplastics.pdf
- Size:
- 3.58 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
License bundle
1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
- Name:
- license.txt
- Size:
- 5.02 KB
- Format:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Description: