Werkstoffanalytische Betrachtung der Eigenschaften von mittels neuartiger RTM-Fertigungsprozesse hergestellten glasfaserverstärkten Polymerverbunden

Es werden Verbundwerkstoffe betrachtet, die durch modifizierte Fertigungsstrategien des konventionellen Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahrens hergestellt wurden. Für eine spätere Prozessbewertung werden die mechanischen Eigenschaften der Verbunde unter quasistatischer Belastung gemessen und sowohl materialbezogen als auch prozessbezogen diskutiert sowie abschließend mit dem konventionellen RTM-Prozess abgeglichen. Der Prozessvergleich erfolgt mittels einer analytischen Modellierung

Werkstoffanalytische Betrachtung der Eigenschaften von mittels neuartiger RTM-Fertigungsprozesse hergestellten glasfaserverstärkten Polymerverbunden

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Verbundwerkstoffe mit polymerer Matrix betrachtet, die durch modifizierte Fertigungsstrategien des konventionellen Resin Transfer Molding (RTM)-Verfahrens hergestellt wurden. Eine Prozessbewertung erfolgte durch die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften sowie einer analytischen Modellierung

Integrative Planung und Herstellung von freigeformten Verbundtragwerken aus CFK und Beton

Die geometrische Komplexität von freigeformten Flächentragwerken in der gegenwärtigen Architektur lässt sich kaum noch wirtschaftlich umsetzen. Die Realisierung ist mit hohen Fertigungs- und Planungskosten verbunden und daher nur wenigen Bauvorhaben vorbehalten. Die herkömmlichen Bautechniken, Bauweisen, Materialien und Planungsprozesse sind Ursache für die hohen Kosten. Faserverstärkte Kunststoffe, automatisierte Fertigungsverfahren und digitale Planungsmöglichkeiten scheinen ein hohes Potential zu besitzen, dieser Problematik entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Flächenverbundbauweise, bestehend aus einer verlorenen karbonfaserverstärkten Kunststoffschalung (CFK) und Beton, vorgestellt, die es ermöglicht freigeformte Flächentragwerke effizienter umzusetzen. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Tragverhaltens, der Herstellung der freigeformten verlorenen Schalung und der Planung der Bauweise. Die ermittelten mechanischen Eigenschaften der entwickelten kraftschlüssigen Verbindung zwischen Schalung und Beton zeigen, dass auf eine Stahlzugbewehrung verzichtet werden kann. Dies erlaubt es einerseits aufwendige Bewehrungsarbeiten zu vermeiden und andererseits die Schalendicke zu verringern. Die Korrosionsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der CFK-Verbundschalung ermöglicht es dabei, die Bauteile mit einem schlankeren Querschnitt auszuführen. Die Herstellung der Verbundschalung erfolgt durch einen neuen Ansatz in der Faserwickeltechnik. Der Schwerpunkt der Entwicklung liegt dabei auf der geometrischen Ausbildung des Wickelkerns und der Simulation des Wickelvorgangs mittels computergestützter Berechnungsverfahren. Die Integration von zusätzlichen Fertigungsschritten ermöglicht ein Verfahren, das es erlaubt, freigeformte flächige Bauteile zu fertigen. Das Faserwickelverfahren beschränkt sich bisher auf die Herstellung von Bauteilen mit geschlossenen Querschnittsformen. Die Vorteile des klassischen Verfahrens, wie hoher Faservolumengehalt, geringe Fertigungskosten, kurze Prozesszeiten und hohe Ausführungsqualität, sind dabei weiterhin gegeben. Aufgrund der festgestellten starken Wechselwirkung bei der Planung von Geometrie, Tragwerk und Fertigung, ist für die entwickelte Bauweise eine üblicherweise getrennte und in Reihe geschaltete Bearbeitung der Planungsaufgaben nicht zielführend. Um die Vorteile der Flächenverbundbauweise voll auszuschöpfen, wird in dieser Arbeit abschließend eine integrative Planungs- und Optimierungsstrategie vorgestellt. Diese ermöglicht es, die Eigenschaften von Geometrie, Herstellung und Tragverhalten in ein optimales Verhältnis zu bringen. Die verfolgte Strategie führt zusätzlich zu einer Verkürzung der Planungszeit, einer Reduzierung der Kosten für Planung und Fertigung, sowie einer ästhetischen und ressourcenschonenden Konstruktion. Zur Bestimmung der optimalen Lösung wird ein stochastisches, metaheuristisches Optimierungsverfahren entwickelt, dessen Funktionsweise auf der Nahrungssuche der E-Coli Bakterien beruht

Empirische Charakterisierung und Modellierung des Imprägnierprozesses lokal verstärkter Kohlenstofffaserhalbzeuge im RTM- und Nasspress-Verfahren für die Großserie

Aufgrund steigender gesetzlicher Anforderungen hinsichtlich CO2-Emissionen und zunehmendem Umweltbewusstsein der Kunden sind Automobilhersteller bestrebt, neue Mobilitäts- und Fahrzeugkonzepte auf dem Markt zu etablieren. Dementsprechend richten sie sich strategisch auf die Entwicklung neuer Architekturen aus, weil die gesetzten Ziele ausschließlich durch Weiterentwicklungen konventioneller Konzepte mit Verbrennungsmotoren nicht erreicht werden können. Neben Hybrid- und Elektroantrieben liegt der Entwicklungsfokus insbesondere im Leichtbausegment. In diesem Zusammenhang sollen insbesondere Strukturkomponenten der Karroserie durch Leichtbaumaßnahmen optimiert werden, weil die Karosserie eines Fahrzeugs mit einem Gewichtsanteil von circa 40% das größte Einsparpotential bietet. So sind mit strukturellen CFK-Komponenten bereits Fahrzeuge verschiedener Hersteller, wie auch der i3 und i8 der BMW Group auf dem Markt. Die in diesen Modellen verbauten CFK-Komponenten werden vorwiegend in großserienadäquaten Technologien, wie dem Resin Transfer Moulding und dem Nasspressen, aus flächigen textilen Halbzeugen einheitlicher Wandstärke gefertigt. Im Rahmen dieser Fahrzeugprojekte sind bereits die Bauteilherstellung aus flächigen textilen Halbzeugen auch aus konfektionierten Vorformlingen in der Großserienfertigung etabliert. Im Gegensatz zur Herstellung von CFK-Komponenten aus flächigen textilen Halbzeugen in den beschriebenen Großserienprozessen, werden in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Anwendungen in Kleinserien Faser-Kunststoff-Verbund-Komponenten mit lastpfadgerecht applizierten, lokalen Verstärkungen gefertigt. Um für Hochleistungsverbunde die hervorragenden gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs bestmöglich nutzen zu können, werden die Komponenten mit lokalen Verstärkungen in Manufakturprozessen hergestellt. Dies ermöglicht eine Minimierung der Bauteilkosten und eine maximale Nutzung des Leichtbaupotentials. Zur Optimierung der Resourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit der FKV-Bauteile für Großserienprozesse, vereint die vorliegende Arbeit die beiden genannten Zweige der FKV-Fertigung. Auf diese Weise soll die Herstellung lokal verstärkter Bauteile in den großserienadäquaten Technologien RTM und Nasspressen befähigt und die Großserienfertigung lokal verstärkter Bauteile möglich werden. Zur Generierung der erforderlichen Grundlagen, werden die geeigneten Werkstoffe charakterisiert, der Injektionsprozess in Abhängigkeit der einflussreichsten Parameter analysiert und die Auswirkung der beleuchteten Parameter auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Die Simulation lokal verstärkter Halbzeuge im Injektionsprozess und die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften lokal verstärkter Komponenten wird zudem mit empirischen Versuchen abgeglichen. Basierend auf den daraus gezogenen Erkenntnissen werden Richtlinien für die Prozessgestaltung ebenso vorgestellt, wie für die optimale, belastungsspezifische Bauteilauslegung hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften

Charakterisierung und Modellierung des Dämpfungsverhaltens von hybriden Faser-Metall-Elastomer-Laminaten

Die konsequente Anwendung von Leichtbaumaterialien rückt auch deren Dämpfungseigenschaften zunehmend in den Vordergrund. Materialien, die sich besonders für Leichtbauanwendungen eignen, führen oftmals zu einer Verschlechterung der Dämpfungseigenschaften, da Werkstoffe bei hohen dichtespezifischen E-Moduln üblicherweise geringe mechanische Verlustfaktoren aufweisen. Damit können sich zum einen höhere Belastungen für das Material im Falle von Anregungen im Resonanzbereich ergeben, zum anderen kann auch der Komfort oder die zu erzielende Präzision in Mess- oder Fertigungstechnischen Anwendungen durch ungewollte Vibrationen verringert werden. Der Einsatz von hybriden Materialsystemen kann dabei genutzt werden, um die Materialkombination gezielt auf eine mögliche Dämpfungsanwendung zu optimieren. Der schichtförmige Aufbau aus lasttragenden Rand- und Mittelschichten, die von einer viskoelastischen Dämpfungsschicht getrennt sind, kann dabei zu einem gezielt einstellbaren Dämpfungsverhalten führen. Die in Anlehnung an herkömmliche Faser-Metall-Laminate aufgebauten Materialien bestehen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, Elastomerschichten in verschiedenen Dicken und zwei verschiedenen Härten sowie Aluminiumblechen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Vibrations- und Dämpfungsverhalten dieser hybriden Laminate charakterisiert und mit einer analytischen Modellierung abgeglichen. Dazu wurden die temperatur- und frequenzabhängigen viskoelastischen Materialeigenschaften der polymeren Konstituenten mit Hilfe von dynamisch-mechanischen Analysen und Modalanalysen charakterisiert. Die daraus gewonnenen Materialdaten wurden genutzt, um das Dämpfungsverhalten im hybriden Verbund auf Grundlage von Effekten der einzelnen Konstituenten und deren Interaktion zu untersuchen und analytisch zu modellieren. Die Charakterisierung der hybriden Laminataufbauten erfolgte mittels quasistatischen Drei-Punkt-Biegeversuchen, bei denen insbesondere das Scherverhalten der Elastomerschichten im Verbund mittels digitaler Bildkorrelation während der Belastung gemessen wurde. Auf Basis dieser Versuche wurde das temperatur- und frequenzabhängige Dämpfungsverhalten unter der gleichen Beanspruchung in dynamisch-mechanischen Analysen charakterisiert. Mit Hilfe von Modalanalysen an einfachen Balkengeometrien, ebenen Platten sowie dreidimensionalen Bauteilen wurde zusätzlich das wellenlängen- und modenspezifische Dämpfungsverhalten charakterisiert. Ebenso wurde die Ausbreitung und Dämpfung von laufenden Wellen an einer Plattengeometrie charakterisiert. Dabei zeigte sich, dass durch die hybride Materialkombination verschiedene Dämpfungsmechanismen in unterschiedlichen Temperatur- bzw. Frequenzbereichen dominieren. Durch die gezielte Veränderung einzelner Materialparameter, wie der Einzelschichtdicke oder Faserorientierung konnte ein positiver Effekt der Hybridisierung nachgewiesen werden, der zu einer Erhöhung der dichtespezifischen Steifigkeit und der Dämpfung führte

Fertigungsstrategie einer Turbinenblisk aus oxidischer Faserverbundkeramik mittels Infusionsverfahren unter Berücksichtigung materialtechnischer Einflussfaktoren

In dieser Arbeit wird im Rahmen von FFE+, einem internen Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, eine entscheidungsbasierte Fertigungsstrategie für die Herstellung einer Mikrogasturbinenblisk aus oxidkeramischem Faserverbundwerkstoff entwickelt. Hierfür soll das vakuumbasierte Infusionsverfahren der Abteilung Struktur- und Funktionskeramik des Instituts für Werksstoffforschung verwendet werden. Zunächst wird der theoretische Hintergrund des Materials und die davon etablierte Verarbeitung betrachtet. Aus Basis dieser Grundlage können das System und Funktionen der oxidkeramischen Blisk im Sinne der methodischen Prozessentwicklung bestimmt werden. Die darin formulierten Anforderungen und Bewertungskriterien lassen eine aufwandsreduzierte Entwurfsphase von Konzepten oder Lösungsprinzipien zu. Hierbei ist die Faserstruktur der maßgeblicher Einflussfaktor in der Lösungsfindung. Nach der Bewertung, Validierung und Anpassung der Ergebnisse wird die Fertigungsstrategie auf dem best-bewerteten Konzept und den bisherigen Projekten der Abteilung entworfen. Zusätzlich ist in dieser Arbeit eine Machbarkeitsstudie am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart von einem bislang unbekannten Verfahren zur Herstellung oxidkeramischer Faserpreforms durchgeführt worden. Da eine Aussage über die Materialkennwerte für eine sichere Funktionsgewährleistung notwendig ist, sind Materialversuche bei Raum- und Hochtemperatur geplant. Das abschließende Ziel einer Prozessketten-Grundlage von Projekten mit dem vakuumbasierten Infusionsverfahren des Instituts für Werkstoffforschung fasst die Ergebnisse von dieser Arbeit und anderen Erfahrungsberichten zusammen

Sytematische Gestaltung des CAE relevanten Entwicklungsprozesses im Hinblick auf Faser-Kunststoff-Verbunde

In dieser Arbeit wird eine systematische Vorgehensweise zur Simulation von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen als einen Schritt zur effizienten Bauteilauslegung entwickelt. Ein Schwerpunkt in diesem Zusammenhang bildet die Materialcharakterisierung, die als Grundlage für die Simulation dient. Die Bauteilauslegung wird ganzheitlich betrachtet, von der ersten Vorauslegung des Materials bis zum fertigen Produkt. Nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der unterschiedlichen Prozesse, folgt deren genauere Betrachtung. Begonnen wird mit der Vorstellung des Aufbaus einer Simulationskette in der CAx Umgebung und deren Anforderungen mit dem Fokus auf Faserverbundstrukturen. Im nächsten Schritt werden Wege zur Reproduktion von verlässlichen Materialkennwerten diskutiert. Dabei geht es um die Entwicklung einer effizienten Testprozedur, die zugeschnitten auf die Anforderungen der Simulation und der Fertigung ist. Ziel ist eine möglichst schlanke Testprozedur. Dazu passend wird eine Fertigungsprozedur entwickelt, bei der die Faserausnutzung des Materials zusammen mit der Bauteilqualität im Vordergrund steht. Die Folge sind drei parallel ablaufende und miteinander interagierende Prozesse: Eine Testprozedur, eine Simulationskette sowie ein Fertigungsprozess. Anschließend wird der Nachweis über die Funktion der entwickelten Prozesse am Bauteil geführt. Ein dafür entwickeltes Bauteil soll die Anwendbarkeit der aufgezeigten Systematik betonen. Als Grundlage der Validierung dienen zwei unterschiedliche Tests am Realbauteil die simulativ zur Bewertung der Ergebnisse herangezogen werden. Die erfolgreich durchgeführten Tests zeigen das Potenzial dieser Methodik und dass eine gesamtheitliche Betrachtung aller Prozesse zur Verschlankung dieser beitragen kann.In this work, a systematic approach for the simulation of components made of fiber composites as a step for efficient component design is developed. One focus in this context is the material characterization, which serves as the basis for the simulation. The component design is viewed holistically, from the initial prediction of the material to the finished product. After a brief introduction to the fundamentals of the different processes, their closer examination follows. It starts with the presentation of the structure of a simulation chain in the CAx environment and its requirements with a focus on fiber composite structures. In the next step, ways of reproducing reliable material parameters will be discussed. This involves the development of an efficient test procedure that is tailored to the requirements of simulation and production. The goal is a leanest possible test procedure. For this purpose, a manufacturing procedure is developed, in which the fiber utilization of the material is in the foreground together with the component quality. The result is three parallel and interacting processes: a test procedure, a simulation chain and a manufacturing process. Subsequently, the proof of the function of the developed processes is led on the component. A component developed for this purpose should emphasize the applicability of the indicated system. The validation is based on two different tests on the real component, which are used simulatively to evaluate the results. The successful tests show the potential of this methodology and that a holistic view of all processes can contribute to the streamlining of these methods

Prozessstrategien für das automatisierte Preforming von bebinderten textilen Halbzeugen mit einem segmentierten Werkzeugsystem

Stamp preforming offers high potential for the production of complex, shell-shaped preforms, which is a key process in the manufacturing of continuous fibre-reinforced plastics.An innovative approach to improve preform quality consists in a segmented tooling system. The tooling system provides a multitude of options for tool segmentation and sequence, so that an intuitive definition of the tool setting is no longer possible. In addition, sequential closing of the tool segments changes the forming temperature and duration. Suitable activation parameters for the binder must therefore be defined to ensure low resistance to deformation and sufficient stability after the forming process. The objective of this thesis constitutes in the development of a method that defines the process strategy for preforming with a segmented tooling system based on a material and a component geometry. The process strategy includes tool segmentation and sequence as well as activation time and temperature. In this thesis, different models are developed and validated to define the process strategy, which are then combined into a systematic procedure. A simplified temperature model enables the calculation of the start and end temperature of the forming process for different tool segmentations and sequences depending on the material and contact parameters. The stability of the preform requires a balanced inter- and intra-laminar binder content. To determine this aspect, an impregnation model is presented. That way, a minimum forming and activation temperature as well as a short activation time can be identified. The definition of the tool segmentation is based on a geometric analysis of the part. The tool sequence is optimised by coupling an FE-based forming model with a genetic algorithm that minimises wrinkling in the preform. On the basis of two independent parts, the procedure to increase preform quality is validated. It is thus possible to produce more complex parts by defining a process strategy for preforming with a segmented tooling system compared to a non-segmented forming tool