Kontinuierlich verstärkte Faserverbundkunststoffe (FVK) in Form ebener Halbzeuge weisen aufgrund ihrer guten gewichtsspezifischen Eigenschaften, der Möglichkeit zur lastpfadgerechten Auslegung und der Funktionsintegration ein hohes Leichtbaupotential auf. Thermoplastisch basierte Werkstoffsysteme (sog. Organobleche) erlauben wegen der physikalisch basierten Verarbeitung zusätzlich kurze Taktzeiten und tragen dank der Recyclierbarkeit zur Nachhaltigkeit bei. Durch die Integration optischer und/oder ästhetischer Materialeigenschaften können neue Anwendungsfelder für mittlere bis hohe Stückzahlen erschlossen werden, jedoch sind kommerzielle Produkte wegen der textilen Topographie auf der Oberfläche nur bedingt geeignet.
Die Abzeichnung der textilen Topographie (engl.: fiber print through phenomena – FPTP) tritt bei Organoblechen immer auf und bezeichnet die regelmäßige Abbildung der Verstärkungsarchitektur auf der Oberfläche. Dieser Effekt wird durch das ungleichmäßige Schwindungsverhalten der Verbundpartner im Gesamtsystem verursacht. Durch die lokal unterschiedlich vorherrschenden Volumenanteile wird das ursächliche Problem zusätzlich noch verstärkt. Als Folge der thermisch bedingten, hohen Matrixschwindung entstehen bei der Verarbeitung Einfallstellen, welche eine anmutende Oberflächengüte im Sichtbereich verhindern.
Durch Modifikation der thermoplastischen Matrix mit Füllstoffen kann das temperaturabhängige Verhalten der polymerreichen Matrixzone außerhalb der textilen Verstärkung an das Verhalten der imprägnierten Faserbündel angepasst werden. Bei geeigneter Wahl von Faser- und Partikelgröße kann ein Filtereffekt des Textils genutzt und damit das Verhalten der Matrixzone lokal angeglichen werden. Wird die Menge des Polymer-Füllstoff-Gemischs optimal abgestimmt, können im entstehenden Drei-Phasen-Verbund die Schwindungseigenschaften homogenisiert und das viskose Verhalten des Compounds reduziert werden. Im Ergebnis verbessert sich die Güte der Verbundoberfläche und das Kriechverhalten unter wechselnden Temperaturbedingungen nimmt ab.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Das Spritzgießen ist ein etabliertes und wirtschaftliches Verfahren, in dem durch Overmolding hybride Bauteile, bestehend aus Metallen und faserverstärkten Kunststoffen (FVK), prozessintegriert hergestellt werden können. Eine wesentliche Herausforderung stellt der Materialübergang zwischen Metall und spritzgegeossenem Kunststoff dar, der im Rahmen dieser Arbeit durch die Prozessintegration von Endlosfaserschlaufen gezielt verstärkt werden soll. Die Arbeit liefert dazu wesentliche Erkenntnisse zur Prozessintegrierbarkeit von Glasfasern in den Spritzgießprozess sowie zur Festigkeitssteigerung in integral gefertigten hybriden Materialübergängen von Metall zu FVK.
Aktualisiert: 2022-12-05
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Trotz des vielversprechenden Potenzials von Kohlenstofffasern für die Verstärkung von Aluminium aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften, ihrer Hochtemperaturstabilität sowie der geringen Herstellungskosten im Vergleich zu keramischen Fasern stellt insbesondere die Verträglichkeit an der Grenzfläche Kohlenstoff/Aluminium immer noch eine technische Herausforderung dar. Zum einen können sich Aluminiumkarbide als Reaktionsprodukte während der Herstellung an der Faser-Matrix-Grenzfläche bilden und ausscheiden, die die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen und Risiken hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gegenüber wässrigen Medien schaffen. Zum anderen ist die Benetzung unbehandelter Kohlenstofffasern durch die Aluminiumschmelze sehr begrenzt, was negative Auswirkungen auf die Infiltration der textilen Strukturen und Faserstränge beim Herstellungsprozess hat.
In der vorliegenden Arbeit wird vor diesem Hintergrund die Entwicklung von kosteneffizienten Faserbeschichtungen mit keramischen Dünnschichten über Flüssigphasenprozesse sowie die Optimierung des Verdichtungsvorgangs bei der MMC-Herstellung von AlSi-Legierungen im teilflüssigen Zustand betrachtet. Die im Bereich der Fertigung von modernen Massivkeramiken bereits nachgewiesene Eignung des Spark-Plasma-Sinter-Verfahrens (SPS) wird hier erstmals zur Konsolidierung endlosfaserverstärkter Leichtmetalle eingesetzt und untersucht. Die Studie beinhaltet die Werkstoff- und Verfahrensentwicklung über die gesamte Fertigungsprozesskette, die Herstellung und Charakterisierung von faserverstärkten Leichtmetallen mit erhöhten spezifischen mechanischen Eigenschaften und die Untersuchung von schadenstoleranten Versagensmechanismen mit Blick auf unterschiedliche neue Anwendungen.
Aktualisiert: 2020-07-23
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