Eco-mechanical characterization of sandwich panels based on an environmentally-friendly honeycomb core with upcycled plastic caps

Medientyp: E-Book

Titel: Eco-mechanical characterization of sandwich panels based on an environmentally-friendly honeycomb core with upcycled plastic caps

Beteiligte: Oliveira, Pablo [Verfasser]; Hiermaier, Stefan [Akademischer Betreuer]; Hiermaier, Stefan [Sonstige]; Balle, Frank [Sonstige]

Körperschaft: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Nachhaltige Technische Systeme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Erschienen: Freiburg: Universität, 2022

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Englisch

DOI: 10.6094/UNIFR/227410

Identifikator:

Schlagwörter: Plates (Engineering) ; Nachhaltigkeit ; Versuchsplanung ; Recycling ; Biorohstoff ; Sandwichbauweise ; Finite-Elemente-Methode ; Schlagprüfung ; Biegung ; Umweltbilanz ; (local)doctoralThesis

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Anmerkungen:

Beschreibung: Abstract: Sandwich panels are a highly efficient solution to achieve high stiffness- and strength-to-weight ratio in structural applications, such as in the automotive and the building sectors. The need of reducing environmental impacts due to governmental regulations and customer demands has stimulated a recent movement towards replacing conventional materials, such as metals and thermoset adhesives, by more eco-friendly alternatives, for instance, bio-based polymers, fibers, and recycled/upcycled components. Bio-based polymers and fibers represent promising alternatives for structural designs due to their moderate to high mechanical performance, low cost, low energy demand, and potential biodegradability. Discarded plastic caps made of high-density polyethylene can be also used as potential eco-friendly, recycled honeycomb core for structural applications, as plastic disposals present good mechanical performance, and represent a significant danger to the environment when incorrectly discarded. <br>In this work, a sandwich structure made with honeycomb-like core based on bundling upcycled plastic caps was investigated by mechanical testing, numerical models, and an environmental assessment. Potentially eco-friendly components (e.g., bio-.based polyurethane adhesive, flax-based laminates, recycled PET skin) were compared with classic components (e.g., epoxy adhesive and aluminum skin) when building a sandwich panel with the bottle caps core. An eco-mechanical efficiency indicator (i.e., the ratio between selected weight-specific mechanical properties and environmental indicators) was proposed to determine the most environmentally efficient designs. <br>Bio-based components presented a significant increment of the eco-mechanical efficiency with the upcycled thermoplastic core. Flax fibers as potential skin reinforcement promoted higher weight-specific bending strength and stiffness than aluminum skins, while a bio-based polymer increased the energy absorption under dynamic loads compared with epoxy adhesive, especially when considering a ductile sandwich skin. The eco-mechanical analysis also indicated a more efficient design when considering the proposed modifications and an upcycled core, achieving up to 3-times higher efficiency than commercial aluminum-based honeycomb panels

Abstract: Sandwich-Platten sind eine hocheffiziente Lösung zur Erzielung eines hohen Steifigkeits- und Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses in strukturellen Anwendungen, z. B. im Automobil- und Bausektor. Die Notwendigkeit, die Umweltauswirkungen aufgrund von staatlichen Vorschriften und Kundenanforderungen zu minimieren, hat in jüngster Zeit dazu geführt, herkömmliche Materialien wie Metalle und duroplastische Klebstoffe durch umweltfreundlichere Alternativen (z. B. biobasierte Polymere, Fasern und recycelte/upcycelte Komponenten) zu ersetzen. Biobasierte Polymere und Fasern sind aufgrund ihrer mäßigen bis hohen mechanischen Leistungsfähigkeit, ihrer geringen Kosten, ihres niedrigen Energiebedarfs und ihrer potenziellen biologischen Abbaubarkeit vielversprechende Alternativen für Strukturbauteile. Ausrangierte Kunststoffdeckel aus hochdichtem Polyethylen können ebenfalls als potenziell umweltfreundliche, recycelte Wabenstruktur verwendet werden, da Kunststoffabfälle eine gute mechanische Leistung aufweisen und bei unsachgemäßer Entsorgung eine erhebliche Gefahr für die Umwelt darstellen. <br>In dieser Arbeit wurde eine Sandwichstruktur mit wabenförmigem Kern, die auf der Bündelung von upcycelten Kunststoffkappen basiert, durch mechanische Tests, numerische Modellierung und eine Ökobilanz untersucht. Die Verwendung von potenziell umweltfreundliche Komponenten (z. B. Biobasierter Polyurethan-Klebstoff, Flachsfaser-verstärkte Verbundwerkstoffe, recycelte PET-Deckschicht) in einer Sandwichplatte, deren Kern aus Flaschendeckeln besteht, wurde untersucht und mit klassischen Komponenten (z. B. Epoxid-Klebstoff und Aluminiumdeckschicht) verglichen. Ein ökomechanischer Effizienzindikator (d. h. das Verhältnis zwischen ausgewählten gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften und Umweltindikatoren) wurde entwickelt, um die ökologisch effizientesten Konstruktionen zu ermitteln. <br>Biobasierte Komponenten zeigten eine ehebliche Steigerung der ökomechanischen Effizienz mit dem upcycelten thermoplastischen Kern. Flachsfasern als potenzielle Hautverstärkung führten zu einer höheren gewichtsspezifischen Biegefestigkeit und Steifigkeit als Aluminiumhäute, während ein biobasiertes Polymer die Energieabsorption bei dynamischen Belastungen im Vergleich zu Epoxidklebstoff erhöhte, insbesondere mit einer verformbaren Sandwichhaut. Die ökomechanische Analyse ergab auch ein effizienteres Design, wenn die vorgeschlagenen Änderungen und ein upcycelter Kern berücksichtigt werden, wodurch eine bis zu dreimal höhere Effizienz als bei handelsüblichen Wabenplatten auf Aluminiumbasis erreicht wird

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Rechte-/Nutzungshinweise: Namensnennung - Keine Bearbeitung (CC BY-ND)

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