Steigendes Umweltbewusstsein machen Naturfasern wie Jutefasern als Verstärkung in Faserverbunden zunehmend attraktiv. Aufgrund der schlechten Fließfähigkeit im Fließpressprozess werden sie bisher nur selten als Faserverstärkung in Sheet oder Bulk Molding Compound eingesetzt. Der Fokus der Arbeit lag daher auf der verbesserten Integration von Jutefasern im SMC- und BMC-Prozess durch Optimierung der Pastenformulierung und dem Verarbeitungsprozess.
Aktualisiert: 2023-06-01
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In diesem Abschlussbericht werden die Ergebnisse des Verbundvorhabens PulForm dargestellt. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer ressourcen- und energieeffizienten sowie wirtschaftlichen Herstellungstechnologie zur Fertigung von Hochleistungsfaserverbundbauteilen komplexer Geometrie für Serienanwendungen mittlerer und hoher Stückzahl.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Hochleistungsfaserverbundstrukturen erfahren derzeit in der Luftfahrt einen weltweiten Aufschwung. Im Hinblick auf die kommerzielle Luftfahrt ist hier insbesondere carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) zu nennen. Zum jetzigen Zeitpunkt stützt die Entwicklung der ausgelieferten Flugzeuge im kommerziellen Luftfahrtmarkt der letzten 20 Jahre die Annahme, dass der Trend eines zunehmenden Einsatzes von Faserverbundstrukturen langfristig Bestand hat. Der wachsende Faserverbundstrukturanteil und zunehmende monatliche Fertigungsraten bei ``single-aisle'' Flugzeugen fühen dazu, dass für die wirtschaftliche Fertigung von Faserverbundkomponenten in hochbelasteten Bauteilen neue Anforderungen entstehen. Die Kernverbundbauweise in Kombination mit modernen Fertigungsverfahren wie z.B. der Harzinfusionstechnologie bietet Ansätze um diesen neuen Anforderungen zu begegnen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt das Entwickeln neuer Fertigungsansätze für die Kernverbundbauweise in Harzinfusionstechnologie am Beispiel eines Seitenleitwerkmittelkastens. Es werden fertigungstechnische Untersuchungen durchgeführt und ein industrielles Konzept entwickelt. Abschließend wird das vorgeschlagene Konzept im Hinblick auf seine Industrialisierungspotentiale in der kommerziellen Luftfahrtumgebung bewertet.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Im Rahmen dieser Dissertation wird der miniaturisierte Pultrusionsprozess unter der Verwendung reaktiver thermoplastischer Matrixmaterialien untersucht. Mit einer neu entwickelten Anlagentechnik konnte nachgewiesen werden, dass Mikroprofile aus kohlenstoff- sowie glasfaserverstärktem Polyamid 6 mit Faservolumengehalten von über 70 % hergestellt werden können. Darüber hinaus konnte die Umformung zu komplexen Profilen wie z. B. Federelementen für den Einsatz in der Medizintechnik gezeigt werden.
Aktualisiert: 2023-05-10
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Das übergeordnete Ziel dieser Studie ist es, eine systematische und umfassende Übersicht über die in den verschiedenen Industriebranchen anfallenden Abfallmengen auf der einen Seite und die aktuell, kurz-, mittel- und langfristig verfügbaren kommerziell umsetzbaren Lösungen zum hochwertigen Recycling von diversen Composites bzw. Faserverbundkunststoffen, insbesondere glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) auf der anderen Seite zu erstellen. Schwerpunkte dieser Studie sind eine ausführliche Marktübersicht zu den verschiedenen Composites einschließlich der jeweiligen Hauptanwendungen, resultierende Abfallmengen, existierende Recyclingtechnologien für die unter-schiedlichen Composites-Produkte und -Materialien, einschließlich deren technologischem Reifegrad, Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren, Bewertung der Technologien und des jeweiligen Outputs, Einschätzungen zu Anlagenkapazitäten, sowie eine Darstellung von für das Composites-Recycling relevanten gesetzlichen Vorgaben und Normen.
Die vielfältigen möglichen Kombinationen von Verstärkungsfasern und Kunststoffmatrices in Composites, welche eine breite Palette an Materialeigenschaften und eine hohe Funktionsintegration für verschiedenste Anwendungen ermöglichen und dadurch den Markterfolg von Composites sicherstellen, stellen jedoch eine große Herausforderung für das Recycling dar. Gleichzeitig gibt es noch wenige Ansätze für ein umfassendes industrielles Recycling von Verbundwerkstoffen.
Aktualisiert: 2023-02-11
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Bei der Herstellung von Faserverbundstrukturen mittels flächiger Faserhalbzeuge wird im Rahmen des Preformings ein Umformschritt durchlaufen, um die dreidimensionale Zielgeometrie abzubilden. Eine lastpfadgerechte Anordnung der Verstärkungsfasern ist hierbei essentiell, um effizienten Leichtbau zu ermöglichen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Drapieren im Stempelprozess, welches zu den etablierten textilen Umformverfahren gehört, exemplarisch untersucht. Zur Analyse der Umformqualität wird eine in-situ Messung der Faserhalbzeugdeformation im geschlossenen Drapierwerkzeug umgesetzt. Dies geschieht durch Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung von gedruckten resistiven Dehnungssensoren. Ein methodisches Vorgehen ermöglicht deren Anwendung auf verschiedenen Faserhalbzeugen. Neben den Prozessrandbedingungen des Stempelverfahrens ist im Besonderen zu beachten, dass Faserhalbzeug und Sensorik einen wechselseitigen Einfluss aufeinander ausüben. Dies hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Qualität der Deformationsmessung im Drapierprozess, wie Umformversuche mit verschiedenen Faserhalbzeugen zeigen.
Anhand eines Gewebehalbzeugs werden lokal gemessene Deformationsgrößen mithilfe eines segmentierten Niederhaltersystems gezielt beeinflusst. Durch aktive Einbringung lokaler Membranspannungen auf der Grundlage von in-situ gemessenen Faserhalbzeugdeformationen kann eine Qualitätsoptimierung des Drapierprozesses demonstriert werden. Diese Ergebnisse stellen die Grundlagen für die Entwicklung selbstgeregelter Prozesse für das qualitätsoptimierte Drapieren im Stempelverfahren dar.
Aktualisiert: 2022-12-30
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In der Konzeptphase der Bauteilentwicklung ist eine frühe und effiziente Abschätzung des Leichtbaupotenzials einer Werkstoffklasse zielführend, insbesondere für einzelne Bauteile einer komplexen Baugruppe. Die Anwendung bekannter numerischer Methoden ist hierfür mit hohem Aufwand verbunden. Sowohl die Bewertung des Leichtbaupotenzials eines Bauteils für die Umsetzung in Faserverbundbauweisen als auch die Bewertung der Fertigbarkeit sind von Bedeutung. Das Leichtbaupotenzial anisotroper Faserverbundwerkstoffe ist von der Beanspruchung des Bauteils abhängig, die Fertigbarkeit von der Bauteilgeometrie. Für die Quantifizierung dieser zwei Zusammenhänge werden in der vorliegenden Arbeit zwei Bewertungsmethoden vorgestellt. Basierend auf den Hauptnormalspannungsvektoren wird eine Methode entwickelt, die Lastpfade detektiert und demnach das Umsetzungspotenzial unterschiedlicher Faserverbundbauweisen bewertet. Die Quantifizierung der Fertigbarkeit aufgrund von Bauteilgeometrien erfordert eine Korrelationsfunktion zwischen den Auswirkungen der Geometrie und dem Fertigungsergebnis. Grundlegend gilt, dass für ähnliche Bauteilgeometrien bei gleichbleibendem Herstellungsprozess und Material ähnliche Fertigungsergebnisse zu erwarten sind. Die Ähnlichkeit wird durch Methoden der Künstlichen Intelligenz als Skalar und auch lokalisiert auf der Bauteilgeometrie angegeben. Die bewertete geometrische Ähnlichkeit der Bauteile soll mit der Ähnlichkeit der Fertigungsergebnisse korrelieren. In Konsequenz werden die vorgestellten Methoden der Ähnlichkeitsbewertung durch Simulationsergebnisse eines Herstellungsprozesses von Faserkunststoffverbunden kalibriert.
Aktualisiert: 2022-12-30
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Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (FKV) in Form von Organoblechen oder Tapes mit angespritzten Funktionselementen wie Rippen, Schraubdomen oder Führungselementen aus Thermoplasten haben sich in den letzten Jahren gerade im Automobilbereich etabliert. Die Verbindungsfestigkeit zwischen der Spritzgießstruktur und dem Faserverbund ist dabei von entscheidender Bedeutung für die Tragfähigkeit von hochbelasteten Hybridbauteilen. Bisher fehlte jedoch den Konstrukteuren die Kenntnis, wie sich geometrische, werkstoffliche und prozesstechnische Einflüsse auf die Verbindungsfestigkeit auswirken.
Ziel des Forschungsvorhabens war daher die systematische Analyse der Verbundhaftung in der Grenzschicht zwischen den angespritzten Rippenstrukturen zur Verstärkung und den textilverstärkten Halbzeugen. Mit einer neuentwickelten Prüftechnik ließen sich dabei die geometrie-, material- und prozessabhängigen Verbindungsfestigkeiten für verschiedene Lastfälle (Kopf-Zugbelastung; Schubbelastung längs und quer zur Rippe) ermitteln. So konnten im Rahmen der Untersuchungen die prozesstechnischen Haupteinflussfaktoren identifiziert und Empfehlungen für passende Prozessfenster abgeleitet werden. Weiterhin zeigten sich deutliche Einflüsse der Rippenfußgeometrie auf die Verbindungsfestigkeit. Aus den Ergebnissen ließen sich zwei besonders belastbare Rippenfüße identifizieren. Ergebnisse aus begleitenden numerischen Studien zeigen zudem, welche Eigenschaften aus der Formfüllsimulation in die Struktursimulation übertragen werden müssen und ab welcher Modellierungstiefe kein zusätzlicher Effekt mehr zu beobachten ist.
Das EVHy-Projekt legte somit den Grundstein für das Verständnis zur Interaktion der prozesstechnischen und bauteilspezifischen Einflussgrößen und der Verbindungsfestigkeit.
Aktualisiert: 2022-05-26
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Als ein neuer Ansatz zur Sensorintegration in Produkte wurde ein technologisch etablierter Crashsensor für Automobile in eine Faserverbundstruktur integriert. Der Sensor wird konventionell an die metallische Fahrzeugstruktur angeschraubt. Die Qualität der sensorintegrierten Struktur erfüllt die Anforderungen an den gängigen Einbau des Sensors beim Fahrzeug. Die Sensierung der integrierten Struktur ist unter den geforderten Betriebsbedingungen grundlegend fehlerfrei. Sie zeigt auch das crashtypische Funktionsverhalten bei einer Kollision. Als zusätzlicher Mehrwert wurde eine Methode entwickelt, die den Sensor durch seine Integration zur Zustandsdetektion der umgebenden Struktur einsetzt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des Sensors zum Prozess-Monitoring während der Herstellung der integrierten Struktur. Damit erfüllt der Sensor neue zusätzliche Funktionen. Der Integrationsansatz zeigt somit, dass das Sensierspektrum etablierter Sensoren durch die Produktintegration erweitert werden kann. Der Ansatz ist auf unterschiedliche Produkte im Kontext von IoT, Industrie 4.0, Smart Home oder Alltagsmanagement übertragbar.
Aktualisiert: 2022-04-29
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In dieser Dissertation wird ein industrielles Verfahren zur Beschichtung von E-Glasfilamenten im Herstellungsprozess entwickelt. Die Beschichtung weist dabei thermoplastisches Verhalten auf. Damit ist eine Nutzung in der Herstellung von Organoblechen möglich. Die Untersuchungen durchlaufen dabei die Skalen von der Grundlagenbildung über Labor- und Pilotversuche bis hin zur industriellen Umsetzung. Zunächst wird diskutiert, welche Anforderungen an eine thermoplastische Beschichtung gestellt werden, um einen stabilen Spinnprozess zu gewährleisten. Als Beschichtungswerkstoff wird Polypropylen gewählt. Das Polypropylen wird dabei modifiziert, um im Herstellungsprozess der Glasfilamente möglichst wenig Reibung zu verursachen. Die Glasfilamente weisen einen Durchmesser zwischen 10 und 17 µm auf. Die thermoplastische Beschichtung ummantelt jedes Glasfilament separat mit Schichtdicken von 0,5 - 3,5 µm. Die Glasfilamente werden zu einem Roving zusammengefasst und im Anschluss zu einem Organoblech konsolidiert. Mit dem neuen Herstellungsverfahren werden Faservolumengehalte von bis zu 81 Vol. % erreicht. Am Markt erhältli-che Organobleche weisen lediglich einen maximalen Anteil von 55 Vol. % auf.
Für die Analyse einer wirtschaftlichen Verwertung wird eine Marktübersicht erstellt. Zudem wird eine Prozesskostenrechnung durchgeführt. Des Weiteren wird die Patentstrategie vorgestellt. Kern der wirtschaftlichen Analyse ist die Diskussion um die Verwertung. Es werden verschiedene Szenarien der Vermarktung betrachtet.
Aktualisiert: 2022-09-01
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In dieser Arbeit wird ein Optimierungswerkzeug für die Konzeptphase entwickelt, dass die Optimierung des Laminats mit der Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen für die Multiaxialgelegemaschine mit Kettfadenversatzeinheit ermöglicht. Das Verfahren erlaubt eine hohe Ablagerate bei lokaler Faserorientierung und ist damit prädestiniert für die automobile Großserie. Als Startentwurf für die Optimierung des Laminats werden die Lastpfade der Struktur berechnet und über ein Auswahlverfahren auf die gewünschte Anzahl eingestellt. Dies geschieht durch eine Kombination von Gestaltungsregeln und Fertigungsrestriktionen. Das Verfahren wird analysiert und daraus werden die relevanten Restriktionen extrahiert. Die Herstellbarkeit des Ablagemusters wird über ein separates Optimierungswerkzeug gewährleistet. Die Kopplung des Ablagemusters und der Optimierung des Laminats erfolgt über den Linienschwerpunkt und die Bestrafung der Sensitivitäten. Die Optimierung des Laminats basiert auf der Topologieoptimierung nach der Dichtemethode. Die Zielfunktion entspricht den Laminatkosten. Als Restriktionen stehen die Steifigkeit und Festigkeit zur Verfügung. Entwurfsvariablen sind die Lagendicken, die Faserwinkel und die Faservolumenanteile.
Die Lastpfadmethode wird abschließend der Topologieoptimierung gegenübergestellt und die Auswirkung von Parametern, wie den Faserkosten, wird diskutiert. Das Verfahren wird genutzt, um ein Laminat eines Leichtbausitzes zu optimieren, dabei wird eine deutliche Kosten- und Massenreduktion erzielt.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Gesetzliche Rahmenbedingungen zum Klimaschutz führen im Automobilsektor zu einer immer wichtiger werdenden Rolle des Leichtbaus. Um die Ziele der Ressourceneffizienz auch unter wirtschaftlichen Aspekten erreichen zu können, werden moderne Fahrzeugkarosserien in der sogenannten Mischbauweise ausgeführt. Hierbei geht die höchste Gewichtsersparnis mit endlosfaserverstärkten Bauteilen einher, welche in der Großserie bevorzugt im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren) hergestellt werden. Dem Fügen der Karosseriebauteile kommt eine besondere Rolle zu, wobei das Widerstandspunktschweißen aufgrund des hohen Automatisierungsgrads und den geringen Kosten pro Fügepunkt bevorzugt wird. Eine vielversprechende Möglichkeit das Widerstandspunktschweißen auch für FVK/Metall-Verbindungen zu befähigen stellen punktschweißbare Inserts dar. Mit dem Ziel der Erweiterung des RTM-Verfahrens zur Herstellung punktschweißbarer FVK/Metall-Bauteile und deren schädigungsfreie Anbindung an metallische Tragstrukturen erfolgt im Rahmen dieser Arbeit zunächst eine Bewertung von Prozessgrößen auf Temperaturmaxima. Anschließend wird das RTM-Verfahren zur Herstellung punktschweißbarer FVK/Metall-Bauteile befähigt und praxisnah erprobt. Im letzten Schritt wird eine Methodik zur schädigungsfreien Gestaltung der Fügestelle entwickelt und validiert, wobei ein Finite-Elemente Modell eine Temperaturvorhersage während des Punktschweißens auf Basis einer analytischen Faserverlaufsbeschreibung ermöglicht. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit lässt sich das Widerstandspunktschweißen innerhalb der FVK/Metall Mischbauweise einsetzen, wobei der Konstrukteur auf bereits etablierte Methoden zur Auslegung der Fügestelle zurückgreifen kann.
Aktualisiert: 2022-04-14
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Bei der Herstellung textiler Flächen führen Reibung und Verschleiß zum Bruch von Einzelfilamenten. Um die Filamentbruchrate gering zu halten, wird die Prozessgeschwindigkeit reduziert. Eine zentrale Herausforderung bei der Verarbeitung von querspröden Fasern, ist die hohe Belastung der Filamente an den Fadenleitelementen in Textilmaschinen.
Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt den tribologischen Kontakt zwischen einem schwingenden Faden und einem Fadenleitelement. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis der Wirkung von Fadenschwingungen auf die Reibung im Kontakt zwischen Faden und Fadenleitelement zu erlangen. Die so gewonnenen Erkenntnisse können beispielsweise zur Steigerung von Prozessgeschwindigkeiten eingesetzt werden und dienen der Ableitung prozessverbessernder Maßnahmen.
In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz entwickelt, um die Reibung zwischen Fäden und Fadenleitelementen zu reduzieren. Durch die gezielte Anregung von Fäden zum Schwingen soll die Reibung beeinflusst werden. Es wird gezeigt, dass diese Reibung durch schwingende Fäden im Mittel um 30 % reduziert werden kann. Es wird dargestellt, wie sich die Fadenschwingung auf die Filamentbrüche durch die Verarbeitung auswirkt. Zunächst wird das Tribosystem theoretisch analysiert und im Labor untersucht. Die Ergebnisse werden im Technikum und im Feldversuch in der Industrie validiert.
Die Technologie der Reibungsreduktion in textilen, tribologischen Kontakten durch Schwingungsanregung ist für viele textile Prozesse und Materialien vielversprechend. Im Ausblick werden einige Beispiele für potentielle Anwendungen vorgestellt. Insgesamt liefert die vorliegende Dissertation die Grundlage für die Übertragung der schwingungsbasierten Reibungsreduktion auf beliebige textile Tribosysteme.
Aktualisiert: 2021-11-04
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Das Tailored Fibre Placement (TFP) ist ein Verfahren mit, dem Textilien für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) lastgerecht und endkonturnah hergestellt werden können. Aufgrund der komplexen Bauteilauslegung und des fehlenden Wissensmanagements findet die TFP-Technologie trotz ausgereifter Maschinentechnologie wenig Einsatz für FVK-Bauteile. Derzeit gibt es kein einheitliches, systematisches Vorgehen, mit dem Prozessketten zur TFP-Bauteilherstellung gestaltet werden können.
In dieser Arbeit wird die ganzheitliche Gestaltung von Technologieketten durch Berücksichtigung der Prozessschritte Imprägnierung und Konsolidierung zum finalen FVK-Bauteil entwickelt, um Faserverschnitt und damit Halbzeugkosten zu reduzieren. Dafür wird eine sechsstufige Methodik zur Gestaltung der Technologiekette für TFP-Bauteile entwickelt, welche die gesamte Prozesskette von der Faser bis zum fertigen FVK-Bauteil betrachtet und auf der integrierten und operativen Technologieplanung basiert. Dabei wird ein systematisches Vorgehen für die effiziente und übersichtliche Prozessplanung entwickelt.
Die entwickelte Methodik wird an drei industrienahen Bauteilen (Sitzteiler, Radlauf und Cabriodach) angewendet. Dadurch werden neue, innovative und ganzheitliche Technologieketten für TFP-Bauteile gestaltet und mit Bauteilen aus Referenzmaterialien verglichen. Dabei zeigen die Ergebnisse des technisch-wirtschaftlichen Vergleichs eine Steigerung der Performance bzw. Funktionalisierung der Bauteile bei einhergehenden Kostenvorteilen. Der Faserverschnitt wird durch den Einsatz der TFP-Technologie bis zu 30 % reduziert. Gegenüber der konventionellen Technologiekettengestaltung entfallen Iterationen bei der Auslegung und Preforming, sodass der Prozessplanungsaufwand um bis zu 30 % reduziert werden kann.
Aktualisiert: 2021-05-20
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Bei der Auslegung von Hochdruckspeichern kommen, auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, vermehrt Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Durch eine hohe Streuung von Material- und Produktionsparametern sowie unterschiedlichster Belastungsszenarien in der Anwendung gestaltet sich jedoch eine Aussage über die Lebensdauer als auch eine Festlegung sinnvoller Prüffristen als schwierig. Die angefertigte Arbeit soll dazu beitragen, künftig genauere Aussagen über das Alterungs- und Beanspruchungsverhalten tätigen zu können. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Behälterdesign, bestehend aus einem metallischen Liner und einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbund (Typ III), wobei die Lebensdauer maßgeblich durch die Lastwechselfestigkeit des metallischen Liners und dem darin vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt wird. Durch eine alterungsbegleitende Eigenspannungsanalyse wird angestrebt, unter Einsatz eines Betriebsfestigkeitsmodells, verbesserte Aussagen zur Lebensdauerabschätzung von Typ III-Behältern geben zu können.Kernstück der Untersuchungen bildete ein Prüfprogramm zur künstlichen Alterung von Typ III Atemluftbehältern, worin Änderungen des Eigenspannungszustandes kontinuierlich erfasst und analysiert wurden. Im Rahmen von Vorversuchen und Simulationen konnten mechanische Lastspitzen ermittelt sowie das beanspruchungsbedingte Bauteilverhalten untersucht werden. Weiterhin wurden die einer Eigenspannungsmessung zu Grunde liegenden Messgrößen definiert, entsprechende Messverfahren abgeleitet und getestet. Schwerpunkt lag dabei auf der Entwicklung eines zerstörungsfreien Messverfahrens auf Grundlage einer experimentellen Modalanalyse.Bei der Analyse von Behältern im Neuzustand wurde zunächst die Höhe des initialen Eigenspannungszustandes und die fertigungsbedingte Streuung erfasst. Weiterhin wurden real gealterte Behälter untersucht, wobei im Vergleich eine deutlich geringere Eigenspannung nachgewiesen wurde. Prüfbegleitend zum Programm der künstlichen Alterung wurde das Eigenspannungs-, Material- und Verformungsverhalten einer Vielzahl von Prüfmustern untersucht. Eine Auswertung der Daten führt zu dem Schluss, dass bei den künstlich gealterten Behältern ein Anstieg der Eigenspannung zu verzeichnen ist.Das erfasste Eigenspannungsverhalten wurde im Folgenden in ein erarbeitetes Betriebsfestigkeitsmodell implementiert. Durch einen Abgleich mit experimentell ermittelten Lastwechselfestigkeiten wurde die Genauigkeit des Modells verifiziert. Die Nachstellung verschiedener Belastungsszenarien zeigt, dass durch die Berücksichtigung einer über der Lebensdauer veränderlichen Eigenspannung die Anzahl ertragbarer Lastwechsel bis zum Versagen sowie damit verbundene Überlebenswahrscheinlichkeiten mit einer erhöhten Genauigkeit abgeschätzt werden können.
Aktualisiert: 2022-09-30
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Vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung wird mit dem Fügewickeln ein neuartiges Verfahren zum Verbinden von Hohlprofilen aus Verbundwerkstoffen betrachtet. Aufbauend auf den Ergebnisse in (Schädel 2014) ist das Ziel der Arbeit die Modellierung des Fügewickelverfahrens mittels eines modularen Lösungsansatz. Zunächst werden die für die Modellierung relevanten Einflussgrößen identifiziert und die Varianz an möglichen Wickelmustern durch manuelle Wickelversuche ermittelt. Die Reibung der Fasern beim Ablegen auf der Profiloberfläche wird als wichtiger Parameter bei der Modellbildung detaillierter untersucht. Die Modellierung der Wicklungen zur Erzeugung der Fügeverbindung erfordert zunächst die mathematische Beschreibung der Oberflächen beider Profile. Auf dieser Grundlage werden die Wickelpfade auf dem flanschförmigen Bereich des Längsprofils mittels eines schrittweisen Algorithmus zur Generierung nicht-geodätischer Kurven erzeugt. Diese Kurven werden im Übergangsbereich zwischen beiden Profilen tangential weitergeführt und auf dem Längsprofil mit Hilfe einer kubischen Ansatzfunktion modelliert. Ein iterativer Algorithmus optimiert dabei den Kurvenverlauf hinsichtlich der maximalen Rutschneigung. Darüber hinaus ermöglicht die Methodik zum Aufbau der FEM-Simulation, qualitative Aussagen über die Tragfähigkeit der modellierten Fügeverbindung zu treffen. Die Modellierung der Bewegungen während des Prozesses basiert auf einer geometrischen Betrachtung des Vertikal-Knickarm-Roboters sowie des Wickelrings. Zusammen mit den diskreten Punkten des modellierten Wickelmusters sowie den Geometrieparametern der Profile können die einzelnen Gelenkstellungen sowie die Rotorposition des Wickelrings mittels inverser Kinematik für jeden Bewegungsschritt kollisionsfrei ermittelt werden.
Aktualisiert: 2020-11-05
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Das Stempel-Preforming in der Binder-Umformtechnik bietet ein großes Potential zur Fertigung komplexer, schalenförmiger Preforms, was ein Schlüsselprozess in der Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen darstellt. Ein innovativer Ansatz zur Verbesserung der Preformqualität stellen segmentierte Werkzeugsysteme dar.
Diese Arbeit beschreibt eine systematische Vorgehensweise, die ausgehend von einem Materialsystem und einer Bauteilgeometrie die Prozessstrategie für das Preforming mit einem segmentierten Werkzeugsystem definiert. Die Prozessstrategie umfasst die Werkzeugsegmentierung und -sequenz sowie die Aktivierungszeit und -temperatur. Zur Definition der Prozessstrategie werden unterschiedliche Modelle entwickelt und validiert, die abschließend zu einem systematischen Vorgehen kombiniert werden. Ein vereinfachtes Temperaturmodell ermöglicht in Abhängigkeit der Material- und Kontaktparameter die Berechnung der Start- und End-Umformtemperatur für unterschiedliche Werkzeugsegmentierungen und -sequenzen. Die Stabilität des Preforms erfordert eine ausgeglichene Aufteilung der inter- und intra-laminaren Binderanteile, für deren Bestimmung ein Tränkungsmodell vorgestellt wird. Es lassen sich somit eine minimale Umform- und Aktivierungstemperatur sowie kurze Aktivierungszeit identifizieren. Die Definition der Werkzeugsegmentierung basiert auf einer geometrischen Analyse der Bauteilgeometrie. Die Optimierung der Werkzeugsequenz erfolgt durch eine Kopplung eines FE-basierten Umformmodells mit einem genetischen Algorithmus, der die Faltenbildung im Preform minimiert. Es wird gezeigt, dass komplexere Bauteilgeometrien durch die Definition einer Prozessstrategie für ein segmentiertes Werkzeugsystem im Vergleich zu einem globalen Umformwerkzeug möglich sind.
Aktualisiert: 2020-11-12
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Abbildung von textilen Preform-Verfahren an den Beispielen des Umflecht- und des Drapierprozesses. Das Ziel ist es, fadenbasierte Modellierungen aufzubauen und auf ihre Tauglichkeit zu überprüfen. Fadenbasierte Modelle stellen die einzelnen Faserbündel dar und bieten den Vorteil, dass mesoskopische Effekte direkt durch die Modellierung abgebildet werden können. Eine Erhöhung des Detaillierungsgrades und der Vorhersagegüte ist dabei das Ziel. Unterschiedliche Modellierungsarten sind Teil dieser Arbeit und ein Vergleich zeigt die unterschiedlichen Möglichkeiten auf. Mögliche Modellierungen unterscheiden sich dabei entweder in den verwendeten Elementtypen in der Finiten Elemente Simulation oder in der geometrischen Abbildung des Faserbündels. Für den Vergleich werden sowohl die Repräsentationen der physikalischen Größen als auch die notwendigen Rechenzeiten herangezogen, da jedes Fadenmodell auch für die Verwendung in der Prozesssimulation der Preform-Herstellung tauglich sein soll.
Es wird eine Bewertung der Modelle durch einen Vergleich mit realen Ergebnissen durchgeführt und eine geeignete Modellierung für die Herstellprozesssimulation gewählt. Der Mehrwert dieser Modellierungsart kann durch die Integration in die so genannte virtuelle Prozesskette aufgezeigt werden.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Immer mehr Produkte werden aus Faserverbundkunststoffen hergestellt. Dies ist einerseits in ihren einzigartigen Leichtbaueigenschaften begründet, aber auch in der Möglichkeit, gerichtete Eigenschaften im Produkt zu implementieren und dessen Funktionalität zu steigern. Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungen der Ausgangsprodukte existiert eine weite Brandbreite etablierter Prozessketten. Dies impliziert dezidierte Produktionstechnologien, um komplex geformte FVK-Bauteile qualitätsgesichert und wirtschaftlich herstellen zu können. Ein zentraler Schlüssel stellt das textile Preforming mit seinen verknüpfenden Handhabungsschritten dar, welche in dieser Arbeit thematisiert werden. Auch hier kommen Handhabungslösungen eine wichtige Bedeutung zu deren Umsetzungen aus dem textiltechnischen Blickpunkt unzureichend sind, da die Eigenschaften textiler Strukturen nicht berücksichtigt werden. Es bedarf Methoden die den automatisierungstechnischen Ansatz um den textiltechnischen Aspekt der Handhabung im textilen Preforming erweitern. Dies erfolgt durch die Bereitstellung von Methoden, mit denen eine beschädigungsfreie Handhabung textiler Verstärkungsstrukturen möglich ist. Zentraler Aspekt der Methode ist die Einführung eines standardisierten Prüfverfahrens, welches den quantifizierten Vergleich von Greifern über Technologiegrenzen hinaus (Formschluss, Kraftschluss, etc.) ermöglicht. Dieses Vorgehen wird mit wechselseitigen Technologieentwicklungen von Simulationsansätzen und Greifern. Insbesondere für den Nadelgreifer wird ein hohes wirtschaftliches und technologisches Potential aufgezeigt und somit eine hohe industrielle Relevanz bestätigt. Diese Arbeit leistet damit einen Beitrag zur Neueinordnung des Nadelgreifers gegenüber dem Stand der Technik im textilen Preforming.
Aktualisiert: 2020-01-28
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Die Forderung nach Energie- und Ressourcenschonung führte in den vergangenen Jahren zu einer Zunahme des Einsatzes von Faserverbundwerkstoffen v.a. im Transportsektor. Während beim grundlegenden Design immer mehr die Charakteristika von Composite-Werkstoffen Berücksichtigung finden, trifft dies auf die verwendeten Fügeverfahren oftmals nur mit Einschränkungen zu, was dazu führt, dass ein nicht unwesentlicher Teil des Leichtbaupotentials dieses innovativen Materials nicht genutzt wird.
Im Fokus der nachfolgenden Arbeit steht eine Verstärkungsmethode für Klebungen von Faserverbundkomponenten. Diese wird durch die Implementierung von intrinsischen metallischen Elementen in die Klebung erreicht, welche durch Stanzen und Biegen aus dünnen Metallblechen, also einem automatisierbaren und kosteneffizienten Herstellungsprozess, gefertigt werden. Durch die Integration dieser in eine Verbindung von Faserverbundkomponenten wird ein zusätzlicher Formschluss auf Mikroebene generiert, durch welchen eine Verbesserung der strukturmechanischen Eigenschaften erreicht werden kann, ohne den Kraftfluss durch die Fasern großflächig zu unterbrechen.
Die Zielsetzung der folgenden Ausführungen liegt in der Analyse der strukturmechanischen Eigenschaften der Verstärkungsmethode mittels der Finiten-Elemente-Methode.
Zusammenfassend zeigte sich durch die durchgeführten Analysen, dass durch die dargestellte Verstärkungsmethode für Composite-Klebungen eine signifikante Verbesserung der strukturmechanischen Eigenschaften erreicht werden kann und eine Alternative für bisher angewandte metallische Formschlusselemente besteht.
Aktualisiert: 2019-12-27
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