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Numerische Untersuchung von Diffusionsprozessen in Mehrschichtsystemen

 
: Mattfeldt, Sina
: Koch, Michael; Schoof, Sönke; Hoffmann, Michael

Hannover, 2020, 140 pp.
Hannover, Hochschule, Bachelor Thesis, 2020
German
Bachelor Thesis
Fraunhofer IFAM ()

Abstract
Die Diffusion von Wasser in organischen Beschichtungen ist ein technisch relevanter Prozess, der zur Alterung von Bauteilkomponenten beitragen kann und damit die Lebensdauer dieser beeinflusst. Technische Beschichtungen bestehen in der Regel aus mehr als einer Polymerlage, sodass der Diffusionsprozess auch durch Effekte an Phasengrenzflächen beeinflusst werden kann. Diffusionsprozesse können mithilfepartieller Differentialgleichungen berechnet werden. Diese sind bisher erst für eine geringe Anzahl von idealisierten Nebenbedingungen analytisch gelöst worden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein numerisches Modell zu bilden, durch welches die Diffusion von Wasser durch Lacksysteme dargestellt werden kann. Darüber hinaus soll die Forschungsfrage beantwortet werden, ob es möglich ist, aus einer gegebenen Massenaufnahmekurve alle Koeffzienten, wie Diffusionskoeffzienten und Massentransferkoeffzienten, des Lacksystems zu bestimmen. Auf Grund der einfachen Geometrie kann das Finite-Differenzen-Verfahren zur Approximation des Diffusionsproblems verwendet werden. Das Vergleichen verschiedener Diskretisierungsverfahren zeigt, dass das Crank-Nicolson-Verfahren am geeignetsten ist. Jedoch können Fehler auftreten, wenn große Konzentrationsgradienten am Rand vorliegen. Das numerische Modell kann durch eine Stützstellentransformation, bei welcher die Stützstellendichte am Rand erhöht wird, optimiert und das Problem behoben werden. Durch Miteinbeziehung der Grenzflächeneffekte kann das Modell auf das Mehrschichtsystem erweitert werden. Für die Beantwortung der Forschungsfrage ist ein Algorithmus entwickelt worden, der erst Annahmen über die Koeffzienten trifft und diese, nach Vergleich der berechneten und der gemessenen Aufnahmekurve, anpasst. In vielen Fällen können die verschiedenen Oberflächenbedingungen zwischen den Grenzflächen, sowie die einzelnen Koeffzienten des Lacksystems herausgefunden werden. In anderen Fällen findet er jedoch andere Werte und Grenzflächeneffekte.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-606003.html