Um das Gewicht eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (FVK) noch weiter zu reduzieren, können Schaumkerne integriert und auf diese Weise ein Sandwich erzeugt werden. Bei der Verwendung von Polymerschäumen als Kernmaterial kann deren notwendige Vorkonfektionierung hohe Fertigungskosten verursachen. Innerhalb dieser Arbeit wird daher ein einstufiges Verfahren entwickelt, indem ein syntaktisches Schaumsystem basierend auf Epoxidharz (EP) als Matrixwerkstoff und expandierenden Mikrohohlkugeln als Treibmittel verwendet wird. Dadurch ist es möglich, die Schaumstruktur prozessintegriert mit der Imprägnierung endlosfaserverstärkter Deckschichten zu erzeugen. Nach Anpassung der Werkzeugtechnologie, die eine Aufschäumung und eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit dem Epoxidschaumsystem ermöglicht, erfolgt anschließend die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen den bedeutenden Material- und Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften für die hergestellten FVK-Sandwichbauteile.
Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere eine kritische Masse an EP-Mikrohohlkugelgemisch existiert, mit der neben einer Massereduktion gleichzeitig eine homogene Schaumstruktur sowie eine vollständige Imprägnierung der Deckschichten durch den Expansionsdruck während der integrierten Schaumerzeugung mit einem hohen Faservolumengehalt erzeugt werden kann. Gleichzeitig werden hohe Schubeigenschaften der Sandwichbauteile identifiziert sowie durch die Verwendung optimierter Prozessparameter die Dichte weiter reduziert.
Zusammenfassend wird durch die kontrollierte Aufschäumung erstmals prozessintegriert eine vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit einer porenfreien Oberfläche erreicht, ohne dass geschäumtes Epoxidharz in die Deckschichten eindringt. Durch den Verzicht auf konventionelle Blockschäume und der damit verbundenen Kostenreduktion durch Materialeinsparung und Prozessschrittreduktion bietet die einstufige Sandwichherstellung auch wirtschaftlich einen erkennbaren Vorteil gegenüber vergleichenden Sandwichprozessen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Um das Gewicht eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (FVK) noch weiter zu reduzieren, können Schaumkerne integriert und auf diese Weise ein Sandwich erzeugt werden. Bei der Verwendung von Polymerschäumen als Kernmaterial kann deren notwendige Vorkonfektionierung hohe Fertigungskosten verursachen. Innerhalb dieser Arbeit wird daher ein einstufiges Verfahren entwickelt, indem ein syntaktisches Schaumsystem basierend auf Epoxidharz (EP) als Matrixwerkstoff und expandierenden Mikrohohlkugeln als Treibmittel verwendet wird. Dadurch ist es möglich, die Schaumstruktur prozessintegriert mit der Imprägnierung endlosfaserverstärkter Deckschichten zu erzeugen. Nach Anpassung der Werkzeugtechnologie, die eine Aufschäumung und eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit dem Epoxidschaumsystem ermöglicht, erfolgt anschließend die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen den bedeutenden Material- und Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften für die hergestellten FVK-Sandwichbauteile.
Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere eine kritische Masse an EP-Mikrohohlkugelgemisch existiert, mit der neben einer Massereduktion gleichzeitig eine homogene Schaumstruktur sowie eine vollständige Imprägnierung der Deckschichten durch den Expansionsdruck während der integrierten Schaumerzeugung mit einem hohen Faservolumengehalt erzeugt werden kann. Gleichzeitig werden hohe Schubeigenschaften der Sandwichbauteile identifiziert sowie durch die Verwendung optimierter Prozessparameter die Dichte weiter reduziert.
Zusammenfassend wird durch die kontrollierte Aufschäumung erstmals prozessintegriert eine vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit einer porenfreien Oberfläche erreicht, ohne dass geschäumtes Epoxidharz in die Deckschichten eindringt. Durch den Verzicht auf konventionelle Blockschäume und der damit verbundenen Kostenreduktion durch Materialeinsparung und Prozessschrittreduktion bietet die einstufige Sandwichherstellung auch wirtschaftlich einen erkennbaren Vorteil gegenüber vergleichenden Sandwichprozessen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Um das Gewicht eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (FVK) noch weiter zu reduzieren, können Schaumkerne integriert und auf diese Weise ein Sandwich erzeugt werden. Bei der Verwendung von Polymerschäumen als Kernmaterial kann deren notwendige Vorkonfektionierung hohe Fertigungskosten verursachen. Innerhalb dieser Arbeit wird daher ein einstufiges Verfahren entwickelt, indem ein syntaktisches Schaumsystem basierend auf Epoxidharz (EP) als Matrixwerkstoff und expandierenden Mikrohohlkugeln als Treibmittel verwendet wird. Dadurch ist es möglich, die Schaumstruktur prozessintegriert mit der Imprägnierung endlosfaserverstärkter Deckschichten zu erzeugen. Nach Anpassung der Werkzeugtechnologie, die eine Aufschäumung und eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit dem Epoxidschaumsystem ermöglicht, erfolgt anschließend die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen den bedeutenden Material- und Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften für die hergestellten FVK-Sandwichbauteile.
Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere eine kritische Masse an EP-Mikrohohlkugelgemisch existiert, mit der neben einer Massereduktion gleichzeitig eine homogene Schaumstruktur sowie eine vollständige Imprägnierung der Deckschichten durch den Expansionsdruck während der integrierten Schaumerzeugung mit einem hohen Faservolumengehalt erzeugt werden kann. Gleichzeitig werden hohe Schubeigenschaften der Sandwichbauteile identifiziert sowie durch die Verwendung optimierter Prozessparameter die Dichte weiter reduziert.
Zusammenfassend wird durch die kontrollierte Aufschäumung erstmals prozessintegriert eine vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit einer porenfreien Oberfläche erreicht, ohne dass geschäumtes Epoxidharz in die Deckschichten eindringt. Durch den Verzicht auf konventionelle Blockschäume und der damit verbundenen Kostenreduktion durch Materialeinsparung und Prozessschrittreduktion bietet die einstufige Sandwichherstellung auch wirtschaftlich einen erkennbaren Vorteil gegenüber vergleichenden Sandwichprozessen.
Aktualisiert: 2023-06-30
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Durch Umweltauflagen sowie dem weltweiten Ziel den CO2-Ausstoß zu reduzieren, wird der Leichtbau zunehmend in unterschiedlichen Industriezweigen eingesetzt. Faserverbundkunststoffe (FVK) stellen aufgrund ihres geringen Gewichts und den guten mechanischen Eigenschaften einen herausragenden Werkstoff für den Leichtbau dar. Insbesondere die Kombination von FVK und Stahl (Metalle) in der sogenannten Mischbauweise bringt durch vielseitige und innovative Designmöglichkeiten ein enormes Leichtbaupotenzial mit sich. Zum Fügen beider Werkstoffe hat sich das Kleben als Fügetechnologie etabliert. Die Festigkeit einer geklebten Stahl-FVK-Verbindung hängt neben den mechanischen Eigenschaften des Klebstoffs auch maßgeblich vom Lagenaufbau des FVK ab. Für eine sicherheitsrelevante Auslegung dieser Mischverbindung mittels der Finite-Elemente-Methode ist es notwendig, dass kohäsive Klebschichtversagen und intra- und interlaminare Versagen sowie postkritische Verhalten im FVK anhand geeigneter Modellgleichungen zu berücksichtigen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Berechnungsmethode, mit der das Versagensverhalten geklebter Stahl-FVK-Verbindungen unter quasistatischer und schlagartiger Belastung im Rahmen einer FE-Simulation ermittelt werden kann. Im Fokus steht dabei die Entwicklung und Implementierung von Modellgleichungen zur Beschreibung des intralaminaren Versagens und postkritischen Verhaltens im FVK. Zur Umsetzung der Zielformulierung wird zu Beginn in der Arbeit ein methodischer Ansatz zu Grunde gelegt, der auf der phänomenologischen Materialmodellierung der einzelnen Werkstoffe basiert. Bei der anschließenden Versagensmodellierung vom FVK wird das Zwischenfaserbruchkriterium von Puck zur Beschreibung des intralaminaren Versagens herangezogen, wobei zur Bestimmung des Zwischenfaserbruchwinkels eine Methode mittels Newton-Verfahren entwickelt wird. Zur Beschreibung des postkritischen Verhaltens wird unter Zuhilfenahme des Puck-Modells ein Degradationsmodell mit drei Schädigungsvariablen auf Basis der anisotropen Schädigungsmechanik entwickelt und als benutzerdefiniertes Materialmodell in LS-DYNA implementiert. Abschließend erfolgt die Modellbildung für das interlaminare Versagen im FVK mit dem Kohäsivzonenmodell von Camanho und Dávila. Im nächsten Schritt werden die Modellparameter für das Material- und Versagensverhalten vom FVK anhand von Versuchsdaten identifiziert, verifiziert und zum Teil validiert. Das Klebschichtverhalten wird nach dem aktuellen Stand der Technik mit dem TAPOModell beschrieben und die Modellparameter anhand von Versuchsdaten identifiziert. Im letzten Abschnitt der Arbeit erfolgt die Versagensberechnung geklebter Stahl-FVKVerbindung für unterschiedliche Proben, Prüfgeschwindigkeiten und Schichtaufbauten des FVK, wobei die Grundlage der Berechnungsmethode das Klebschichtmodell und das entwickelte FVK-Modell bilden. Dabei wird das mechanische Verhalten (Kraft-Weg-Verläufe) und die Versagensform aus der FE-Berechnung den Versuchsdaten gegenübergestellt und damit die Berechnungsmethode validiert und deren Güte aufgezeigt.
Aktualisiert: 2022-07-26
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Beim Fertigungsprozess von Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen bilden sich Eigenspannungen aufgrund von mehreren überlagerten Phänomenen. Die resultierenden Eigenspannungen können das Bauteilverhalten sowohl positiv als auch negativ beeinflussen, je nachdem, ob sie einer äußeren Last entgegen- oder gleichgerichtet sind. Für die quantitative Ermittlung von Eigenspannungen in kurzfaserverstärkten, also anisotropen Werkstoffen, existiert bislang kein praxisrelevantes Verfahren.
Im Forschungsvorhaben wurde daher die inkrementelle Bohrlochmethode auf die Anwendung an kurzfaserverstärkten Kunststoffen übertragen. Wesentliche Vorteile des Verfahrens liegen in der Möglichkeit von Messungen an komplexen Geometrien und der tiefenabhängigen Information über den Eigenspannungszustand. Der höheren Komplexität des anisotropen Werkstoffverhaltens wurde durch automatisierte Kalibrations- und Auswerteprozeduren Rechnung getragen. Die neue Methodik wurde weiterhin bei der Untersuchung des Einflusses von Prozesseinstellungen im Spritzguss auf das resultierende Eigenspannungsprofil eingesetzt. Abschließend wurde die praktische Anwendung der Methodik auf Bauteilebene gezeigt.
Die Forschungsergebnisse können insbesondere bei Ingenieurbüros und Prüfdienstleistern Anwendung finden. Ingenieurbüros können die numerische Kalibration in ihr Portfolio aufnehmen. Prüfdienstleister können ihr Angebot bezüglich Eigenspannungsmessungen auf anisotrope Werkstoffe erweitern. Die Ergebnisse erlauben die tiefenabhängige und lokale Bestimmung von Eigenspannungszuständen an Bauteilen aus kurzfaserverstärkten Werkstoffen. Damit können Fortschritte bei der Beurteilung von Fertigungsprozessen hinsichtlich der Bildung von Eigenspannungen und insbesondere im Bereich der Qualitätskontrolle erzielt werden.
Aktualisiert: 2022-07-28
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In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartigesverfahren zur Direktcompoundierung von Polypropylen und Polyamid mit Glasfasern vorgestellt. Der innovative Kern des Verfahrens besteht in der kontinuierlichen Verbindung eines Sonderschneckenextruders zur Compoundierung und dem Spritzgießprozess ohne die Verwendung eines Schmelzespeichers durch den Einsatz zweier Kolbenspritzeinheiten.
Zunächst wird das Konzept des Sonderschneckenextruders vorgestellt und experimentell hinsichtlich der Zielgrösse Faserlänge untersucht. Dabei wird insbesondere dargestellt, wie Material- und Prozessparameter die Faserlängenverkürzung beeinflussen. Im Anschluss wird die Integration des Somderschneckenextruders in den Spritzgießprozess vorgestellt. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss der Bauteilhomogenität in Wechselwirkung mit der Faserlängenverkürzung auf erreichbare mechanische Eigenschaften. Durch eine verfahrenstechnische Innovation wird der Stand der Technik hinsichtlich erreichbarer Festlichkeiten konventioneller Materialien durch die Direktcpmpoundierung erweitert. Dies wird insbesondere durch eine Reduzierung der zur Faserhomogenisierung notwendigen Scherung erreicht.
Aktualisiert: 2022-02-03
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Aktualisiert: 2023-04-04
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Aktualisiert: 2023-04-01
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Ziel des Projektes war es, kostengünstige und langlebige Sensoren zur gezielten Dehnungserfassung bereitzustellen und so Leichtbaustrukturen aus Faserverbundkunststoffen (FVK) zu überwachen.
Ein großes Lösungspotential bieten Filamentsensoren auf der Basis von Formgedächtnislegierungen (FGL). Mit ihrer hohen Standfestigkeit gegenüber zyklischer Dauerbelastung bei gleichzeitig hoher elastischer Dehnbarkeit sowie einer dem Dehnungsmessstreifen (DMS) ähnlichen messtechnischen Umsetzbarkeit vereinen sie gleich mehrere Vorteile gegenüber anderen Systemen. Neben offenen Fragestellungen in Bezug auf das physikalische Verständnis für die Funktionsweise eines entsprechenden FGL-Filamentsensors in einer FVK-Struktur (Anbindung, Materialauswahl, etc.), wurden vor allem anwendungsbezogene Fragestellungen, wie die Konzeption und Umsetzung von konkreten Messelementen, deren Integration und das Handling während der FVK-Fertigung sowie die Messgenauigkeit unter Einsatzbedingungen eingehend untersucht.
Der Proof-of-Concept für die Technologie wurde erbracht. Die elastische Dehnbarkeit (bis 6 %), der k-Faktor (über 5) und die Ermüdungseigenschaften wurden dabei, als wesentliche Kennwerte für Dehnungssensoren, umfassend charakterisiert und sind im Vergleich zu DMS deutlich besser. Da die bisherigen Ermüdungsversuche bei 106 Zyklen (bei 0,8 % Dehnung) abgebrochen wurden, stellen die bisher ermittelten Werte noch nicht die obere Grenze dar, liefern aber bereits einen Nachweis für die bessere Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu DMS. Die FGL-Sensorik zeichnet sich beim Vergleich zu DMS und Faser-Bragg-Gitter-Sensoren insbesondere durch die deutlich bessere elastische Dehnbarkeit im Vergleich zu DMS aus. Gleichzeitig sind FGL-Sensoren sensitiver als beide Vergleichssensoren.
Aktualisiert: 2022-02-17
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In der Automobilindustrie stellt Leichtbau eine Schlüsseltechnologie dar. Durch ein geringes Fahrzeuggewicht kann Energie eingespart, die Fahrdynamik verbessert, bei Verbrennerfahrzeugen der CO2-Ausstoß reduziert und bei Elektrofahrzeugen die Masse der Batterie ausgeglichen werden. FVK-Sandwichstrukturen bieten ein hohes Gewichteinsparungspotential. Hiermit ist es möglich, das Gewicht von Karosseriebauteilen stark zu reduzieren. In der Luft- und Raumfahrt sind FVK-Sandwichstrukturen bereits weit verbreitet. Um lokale Lasten aufnehmen zu können, werden sogenannte Inserts verwendet, welche die Kräfte großflächig in die Struktur einleiten. Die dort angewendeten Einbringungs- und Auslegungsverfahren sind für kleine Stückzahlen optimiert. Für eine automobile Großserienfertigung von FVK-Sandwichbauteilen eignet sich der „Resin Transfer Moulding“-Prozess (RTM-Prozess). Hierfür ist aktuell kein geeignetes Insert-Konzept bekannt. Im Rahmen der Arbeit wird daher ein Insert-Konzept erarbeitet, welches kostengünstig und schnell in RTM-Bauteile eingebracht werden kann und gleichzeitig eine hohe mechanische Belastbarkeit bei geringem Gewicht ermöglicht.
Aktualisiert: 2020-07-30
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Die Entwicklung der additiven Fertigungsprozesse innerhalb der letzten Jahre hat dazu geführt, dass sie nicht mehr ausschließlich für das Rapid Prototyping geeignet sind, sondern auch für die direkte Fertigung von Endkunden-Bauteilen verwendet werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Produktionsprozessen, bei denen man Material entweder urformt (z. B. Gießen), entfernt (z. B. Drehen, Fräsen) oder umformt (z. B. Schmieden), wird bei der additiven Fertigung unter Verzicht auf Formen oder Werkzeuge neues Material nur an den Stellen hinzugefügt, an denen es im Bauteil notwendig ist. Durch die additive Fertigung können daher sehr komplexe Bauteile insbesondere in geringen Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden.
Additiv gefertigte Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen weisen jedoch deutlich geringere mechanische Eigenschaften als die gleichen herkömmlich hergestellten Bauteile auf. Das Ziel dieser Dissertation ist daher die Entwicklung, Inbetriebnahme und Parameteranalyse eines additiven Fertigungsprozesses für höherfeste und höhersteife thermoplastische Kunststoffe.
Dieses Ziel wird durch die Entwicklung eines Anlagenmoduls erreicht, welches die Implementierung von Endlosfasern während der additiven Fertigung in einem ARBURG freeformer ermöglicht. Eine Varianzanalyse verschiedener mit dem entwickelten Prozess hergestellter Probekörper ermöglicht die Ermittlung der Abhängigkeit des E-Moduls und der Zugfestigkeit von den gewählten Verarbeitungsparametern. Mit optimalen Parametern wird ein komplexes Bauteil des Formula Student Rennteams KA-RaceIng hergestellt, um die Funktionsweise des Prozesses zu demonstrieren. Weiterhin werden die erreichten mechanischen Eigenschaften mit dem Stand der Technik verglichen.
Aktualisiert: 2020-07-09
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Um das Gewicht eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (FVK) noch weiter zu reduzieren, können Schaumkerne integriert und auf diese Weise ein Sandwich erzeugt werden. Bei der Verwendung von Polymerschäumen als Kernmaterial kann deren notwendige Vorkonfektionierung hohe Fertigungskosten verursachen. Innerhalb dieser Arbeit wird daher ein einstufiges Verfahren entwickelt, indem ein syntaktisches Schaumsystem basierend auf Epoxidharz (EP) als Matrixwerkstoff und expandierenden Mikrohohlkugeln als Treibmittel verwendet wird. Dadurch ist es möglich, die Schaumstruktur prozessintegriert mit der Imprägnierung endlosfaserverstärkter Deckschichten zu erzeugen. Nach Anpassung der Werkzeugtechnologie, die eine Aufschäumung und eine Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit dem Epoxidschaumsystem ermöglicht, erfolgt anschließend die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen den bedeutenden Material- und Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften für die hergestellten FVK-Sandwichbauteile.
Die Untersuchungen zeigen, dass insbesondere eine kritische Masse an EP-Mikrohohlkugelgemisch existiert, mit der neben einer Massereduktion gleichzeitig eine homogene Schaumstruktur sowie eine vollständige Imprägnierung der Deckschichten durch den Expansionsdruck während der integrierten Schaumerzeugung mit einem hohen Faservolumengehalt erzeugt werden kann. Gleichzeitig werden hohe Schubeigenschaften der Sandwichbauteile identifiziert sowie durch die Verwendung optimierter Prozessparameter die Dichte weiter reduziert.
Zusammenfassend wird durch die kontrollierte Aufschäumung erstmals prozessintegriert eine vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern mit einer porenfreien Oberfläche erreicht, ohne dass geschäumtes Epoxidharz in die Deckschichten eindringt. Durch den Verzicht auf konventionelle Blockschäume und der damit verbundenen Kostenreduktion durch Materialeinsparung und Prozessschrittreduktion bietet die einstufige Sandwichherstellung auch wirtschaftlich einen erkennbaren Vorteil gegenüber vergleichenden Sandwichprozessen.
Aktualisiert: 2020-07-02
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Aktualisiert: 2023-04-03
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Der zunehmende Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen im Automobilbau und anderen Industriezweigen erfordert eine lastpfadgerechte Verbindungsgestaltung, die durch klebtechnisches Verbinden der unterschiedlichen Werkstoffe erzielt werden kann. Gegenüber den in der Luft- und Raumfahrt in den achtziger Jahren durchgeführten Untersuchungen an vorwiegend mit Filmklebstoffen geklebten unidirektional verstärkten duroplastischen Gelegen, ergeben sich in der Automobiltechnik aufgrund der Verwendung von pastösen Klebstoffsystemen, der Vielfalt der eingesetzten Matrixsysteme, Faserarchitekturen, Lagenaufbauten und der grundsätzlich unterschiedlichen Rahmenbedingungen neue Fragestellungen hinsichtlich der klebtechnischen Verbindungsgestaltung sowie der Wechselwirkungen der genannten Parameter.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Klassifizierung und systematische Beschreibung der Eigenschaften geklebter FVK-Stahl-Verbindungen in Abhängigkeit von der Faserarchitektur, der Faserorientierung und des Matrixsystems, der geometrischen Gestaltung der Verbindung sowie der Prüfgeschwindigkeit unter automobilen Rahmenbedingungen. Die bei diesen Versuchen auftretenden Versagensarten werden klassifiziert und eine Methode zur Vorhersage der maximal ertragbaren Kraft der Verbindung in Abhängigkeit von der Klebschichtdicke, der Überlappungslänge und der Prüfgeschwindigkeit entwickelt. Nach Bestimmung der Ansatzfreiwerte der im Rahmen der Methodenentwicklung für jede Versagensart gewonnenen Funktion kann die Maximalkraft der Verbindung nach Durchführung eines Zugversuchs zur Bestimmung des Versagensverhaltens und damit zur Festlegung der zu verwendeten Ansatzfreiwerte auch zur Prognose der ertragbaren Kraft von nicht zur Parameteridentifizierung verwendeten FVK erfolgreich eingesetzt werden.
Aktualisiert: 2020-01-17
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Die Arbeit stellt einen neuartigen Ansatz zur Detektion und Lokalisierung von Schäden an dünnwandigen Strukturen aus Faserverstärkten Kunststoffen vor.
Aktualisiert: 2022-12-07
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Die Auslegung und Berechnung geklebter FVK/Metall-Verbindungen erfordert die Kenntnis über die Beeinflussung der Klebverbindung durch die verwendeten Substrate. Bisherige Prüfkonzepte berücksichtigen nicht die Trennung von Verbindungskennwertermittlung und Prüfkörperdeformation. Die Verwendung technologischer Proben vermag keine klare Separation der Einflüsse von Substratoberflächen und -vorbehandlungen von der globalen Substratdeformation zu liefern. Durch die Entwicklung deformationsarmer Verbindungskennwertproben auf der Basis normierter Grundkennwertproben wird erstmalig der singuläre Einfluss der Substratoberflächen und deren Zustände auf die Klebverbindung getrennt von der Prüfkörperdeformation ermittelt. Damit können sowohl die faserrichtungs- als auch vorbehandlungsabhängige Beeinflussung der Kennwerte für querkontraktionsbehinderten Zug als auch Schub untersucht werden. Aufbauend auf diesen Proben wird ein Prüfkonzept für FVK/Metall-Klebverbindungen entwickelt. Anhand zweier technischer Klebstoffe für geklebte FVK/Metall-Verbindungen wird das Prüfkonzept erprobt. Praxisrelevante Oberflächenvorbehandlungen zeigen erstmalig die singuläre Beeinflussung des Verbindungsverhaltens. Durch weitergehende physikalisch-chemische Untersuchungen der Bruchflächen wird diese Beeinflussung näher erforscht und Erklärungsansätze geliefert. Teil der Erprobung ist außerdem die Anwendung des entwickelten Prüfkonzeptes auf eine geklebte Realbauteilverbindung. Neben quasistatisch-zügigen Untersuchungen umfasst dies auch erste Stichprobenversuche für zyklische Belastungen der entwickelten Prüfkörper. Abschließend wird diese Realbauteilverbindung mit Hilfe des Prüfkonzeptes ausgelegt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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Aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften und geringen Dichte bieten die FVK gerade bei dynamisch belasteten Bauteilen besondere Vorteile. Durch den Einsatz von FVK anstelle metallischer Werkstoffe kann die Masse der Bauteile reduziert und damit Energie zur Beschleunigung und Bewegung der Bauteile eingespart werden. Bei Kraftfahrzeugen (KFZ) werden daher metallische Werkstoffe aktuell vermehrt durch FVK substituiert. Dies soll zu einer Verringerung des Fahrzeuggewichts und zu einer Reduzierung des Energie und Kraftstoffbedarfs führen. Durch die Reduzierung des Gewichts sollen Kosten für Kraftstoff eingespart, die Emission von CO2 reduziert, die Nutzlast gesteigert und der Fahrspaß durch verbesserte Fahrdynamik erhöht werden.
Um einen breiten Einsatz von Strukturbauteilen aus FVK (struktureller FVK) in der automobilen Großserie zu erreichen, sind hochproduktive Fertigungsverfahren erforderlich, mit denen mehr als 10.000 Bauteile pro Jahr auf einer einzelnen Produktionslinie gefertigt werden können. Bisher stehen solche Verfahren jedoch nicht zur Verfügung.
Daher wurden im Rahmen der Forschergruppe 860 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) neuartige, automatisierte Prozessketten zur Fertigung nachbearbeitungsfreier, belastungsgerecht endlosfaserverstärkter Strukturbauteile mit einem hohen Faservolumengehalt von über 50 % in Zykluszeiten unter 10 Minuten betrachtet. Dies beinhaltete die Fertigungsstufen „Preformherstellung“, „Imprägnierung“ und „Formen und Vernetzen“.
Grundlage dieser Prozessketten ist die Trennung und Parallelisierung der Prozessschritte „Imprägnieren“ und „Formen und Vernetzen“. Dabei werden textile Halbzeuge zunächst in einem ersten Prozessschritt mit Epoxid- oder Polyurethanharz imprägniert und dann in einem zweiten Prozessschritt mit Hilfe eines Pressprozesses zum Bauteil ausgeformt und vernetzt.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Verfahrensanalyse des Prozessschrittes „Formgebung und Vernetzung“ durchgeführt. Dazu wurden ein neuartiges Werkzeug- und Prozesskonzept erarbeitet und praktische Analysen durchgeführt. Durch die Ergebnisse der Analysen und daraus abgeleitete Optimierungen konnten eine robuste Werkzeug- und Prozesstechnologie sowie Verarbeitungsvorschriften für den Prozessschritt „Formgebung und Vernetzung“ bereitgestellt werden. Durch die Erkenntnisse dieser Arbeit wurde eine Fertigung qualitativ hochwertige Bauteile mit Polyurethan- oder Epoxidmatrix in großserientauglichen Zykluszeiten unter 10 Minuten ermöglicht.
Aktualisiert: 2019-03-15
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Die kosteneffiziente Entwicklung von Bauteilen aus endlosfaserverstärkten Kunststoffen (FVK) erfordert die Nutzung von Simulationstools mit einer hohen Vorhersagegenauigkeit. Gerade im Bereich der Crashsimulation von FVK-Strukturen weisen bestehende Berechnungsmethoden noch große Defizite auf, da die teils physikalisch unbegründeten Parameter der Materialmodelle oftmals nur für die der Kalibrierung zu Grunde liegenden Bauteilgeometrien und Lastfälle gültig sind.
Eine Herausforderung stellt insbesondere die Modellierung der Schädigungsentwicklung dar, d. h. des Materialverhaltens nach Überschreiten der Festigkeitsgrenze. Erste Modellansätze, die die Schädigungsentwicklung anhand eines experimentell bestimmbaren Materialkennwertes – der Bruchzähigkeit – modellieren, zeigen das Potenzial einer derartigen Modellierung auf, sind aber wenig ausgereift. Auf diesem Ansatz aufbauend wird daher ein Materialmodell entwickelt, welches die relevanten Werkstoffeffekte von FVK bis zur vollständigen Schädigung im Bereich der quasi-statischen bis kurzzeitdynamischen Belastung umfasst und dessen Parameter vollständig auf Probekörperebene bestimmt werden können. Durch eine geschlossene Implementierung in eine kommerzielle Finite-Elemente-Software ermöglicht das Modell die Abbildung des komplexen Versagensverhaltens von FVK-Strukturen. Neben der Modellentwicklung wird in dieser Arbeit auch die Validierung des Materialmodells anhand verschiedener Lastfälle dargestellt, wobei auch die Anwendbarkeit für die tägliche Ingenieurspraxis gezeigt wird.
Aktualisiert: 2022-10-17
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Im Rahmen dieser Arbeit werden kommerziell verfügbare und modifizierte Organobleche auf ihre Eignung für die direkte Umformung mittels Gasdruck untersucht.
Aktualisiert: 2017-06-01
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Das Ziel der Dissertation ist die Entwicklung einer Prozesskette zur wirtschaftlichen Herstellung von faserverstärkten thermoplastischen Profilbauteilen. Dazu wird ein alternatives Heizverfahren entwickelt, welche die Profile direkt und kontinuierlich über den elektrischen Widerstand der Fasern aufheizt. In der Arbeit können Geschwindigkeiten von bis zu 0,5 m/min nachgewiesen werden. Weiterhin wird ein Konzept entwickelt zur Integration von Gewindeinserts im Prozess. Die Prozesskette wird durch die Herstellung einer Demonstratorstruktur validiert. Bei der hergestellten Struktur konnte Dauerfestigkeit nachgewiesen werden. Die Herstellkosten liegen unterhalb der Kosten des Referenzbauteils. Abschließend wird ein Verwertungskonzept entwickelt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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