Agenda. CAD-unterstützte Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens beim Ultraschalldispergieren
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- Edith Günther
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1 CAD-unterstützte Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens beim Ultraschalldispergieren Carina Gerlach 1, Karsten Berndt 2, Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun 1, Prof. Dr.-Ing. Maik Berger 2 1 Professur Mess- und Sensortechnik, 2 Professur Montage- und Handhabungstechnik Professur Messund Sensortechnik Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun mst@etit.tu-chemnitz.de Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Agenda 1 Agglomeration nanoskaliger Füllpartikel 2 Ultraschalldispergieren mittels Sonotrode 3 Dispergiergleichung 4 Analytische Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens 5 CAD-unterstütze Methode zur Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens 6 Vergleich beider Methoden Professur Montageund Handhabungstechnik Prof. Dr.-Ing. Maik Berger mht@mb.tu-chemnitz.de Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) Referentin Carina Gerlach TU Chemnitz / Professur Mess- und Sensortechnik Reichenhainer Straße 70, Chemnitz carina.gerlach@etit.tu-chemnitz.de
2 1 Agglomeration nanoskaliger Füllpartikel Pigmente Carbon nanotubes TiO 2, SiC, Farbe mech. Verstärkung Sensoren, Nanopartikel agglomerieren Anziehungskraft und Gravitationskraft zwei benachbarter Teilchen Teilchengrößenabhängigkeit der van-der-waals- Kraft F vdw und Gravitationskraft F g von TiO 2 -Partikeln [nach J. Winkler: Dispergieren von Pigmenten und Füllstoffen, S.44, 2010] 2
![Messen, 80 (2013) 1, 9-15] oben: CNT-PDMS-Komposit-Drucksensor (Skala](/docs-images/93/112679393/images/3-5.jpg "in cm) unten: kraftabhängiges Widerstandsverhalten unter Beund")
3 1 Agglomeration nanoskaliger Füllpartikel Sensortechnische Anwendung von Nanopartikeln z.b. CNT-Polymer-Komposit basierter Drucksensor Sensorprinzip eines CNT-PDMS-Komposit-Drucksensors [Gerlach, Kanoun, tm - Technisches Messen, 80 (2013) 1, 9-15] oben: CNT-PDMS-Komposit-Drucksensor (Skala in cm) unten: kraftabhängiges Widerstandsverhalten unter Beund Entlastung [Gerlach, Kanoun, tm - Technisches Messen, 80 (2013) 1, 9-15] 3
4 1 Agglomeration nanoskaliger Füllpartikel [Taherian, R.: ECS Journal of Solid State Science and Technology 3 (6), 2014, M26-M38] Aspektverhältnis beeinflusst el. Leitverhalten Nachteile verbleibender Agglomerate im Komposit geringe Reproduzierbarkeit schlechte Übereinstimmung Modell/Experiment Ziel: keine Restagglomerate 4
![Chemistry] Ultraschall-Homogenisator (Bandelin HD3200) [www.](/docs-images/93/112679393/images/5-5.jpg "bandelin.")
5 2 Ultraschalldispergieren mittels Sonotrode piezoelektrischer Ultraschallwandler HF-Generator Sonotrode Bildung, Wachstum und Implosion von Kavitationsblasen [nach Suslick, 1995, Applications of Ultrasound to Materials Chemistry] Ultraschall-Homogenisator (Bandelin HD3200) [ Implosion: Desagglomeration 5 Implosion: Scherkräfte Desagglomeration
6 3 Dispergiergleichung Berechnung der optimalen Prozessparameter t, E p t und p b unabhängig voneinander optimieren u.a. V eff bestimmen links: zeitabhängiger Dispergiererfolg bei unterschiedlichen Bruchwahrscheinlichkeiten rechts: energiedichteabhängiger Dispergiererfolg bei unterschiedlichen Trefferwahrscheinlichkeiten [nach J. Winkler: Dispergieren von Pigmenten und Füllstoffen, S.133, 2010] 6
7 3 Dispergiergleichung: effektives Dispergiervolumen V eff Volumen, in welchem Agglomerate in Partikel zerteilt werden für Ultraschallsonotrode: Bereich des wirksamen Kavitationsbereichs V eff muss experimentell bestimmt werden Sonotrode Kavitationsbereich bzw. effektives Dispergiervolumen Agglomerate Prinzipdarstellung Kavitationsbereich Analytisch bestimmter Kavitationsbereich in Epoxid [Bittmann et al., Ultrasonics Sonochemistry 16 (2009): ] 7
8 4 Analytische Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens 1. Foto des Kavitationsbereichs 2. Bildbearbeitung in Grafikprogramm, z.b. Inkscape a) Koordinatensystem festlegen b) Grenzbereich mittels Spline abschätzen Bandelin HD3200 Sonotrode: MS73 Amplitude: 15% Vergrößerung des Kavitationsbereichs Foto Ultraschallversuch Kavitationsbereich mit Koordinatensystem 8
9 4 Analytische Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens 3. Funktion ermitteln mittels Tabellenkalkulation, z.b. Excel a) bearbeitetes Foto laden b) Messpunkte abschätzen c) mathematische Funktion ermitteln x y 0 1,2 0,2 0,875 0,4 0,625 0,6 0,475 0,8 0,325 1,0 0,2 1,25 0,05 1,5 0 Kavitationsbereich mit Koordinatensystem und Messpunkten Messpunkte und gefittete e-funktion 9
10 4 Analytische Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens 4. Volumenbestimmung über Rotation der Funktion um y-achse Ausgangsfunktion Umkehrfunktion Rotation um y-achse: Nebenrechnung: 10
11 5 CAD-unterstütze Methode zur Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens Foto des Kavitationsbereichs Beispiel: Creo 1. Part anlegen 2. Ansicht Modelldarstellung Bilder Bild in Creo laden 11
12 5 CAD-unterstütze Methode 3. Hinzufügen und Bezugsebene auswählen Bild wird im Creo auf der gewählten Ebene angezeigt Bild hinzufügen 12
13 5 CAD-unterstütze Methode 4. Funktion: Einpassen : Maßstab festlegen (Element x im Bild hat das Maß y) 5. im Skizzier-Modus eine Spline festlegen Durchmesser Sonotrode: 3 mm Maßstab festlegen Spline definieren 13
14 5 CAD-unterstütze Methode 6. Skizzier-Modus verlassen Drehen -KE mit erstellter Skizze erzeugen 7. Analyse Messen Volumen V eff = 1,54 mm³ Volumen bestimmen 14
15 6 Vergleich beider Methoden CAD-unterstützte Methode ist im Vergleich zur analytischen Methode zur Bestimmung des effektiven Dispergiervolumens vorteilhafter, da schneller weniger fehleranfällig bei gleicher Genauigkeit Analytische Methode V eff = 1,88 mm³ zeitintensiv fehleranfälliger CAD-Methode V eff = 1,54 mm³ schnell weniger fehleranfällig 15
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