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Die Additive Fertigung hat sich ausgehend von einem Prototyping Verfahren hin zu einem serienfähigen Fertigungsverfahren entwickelt, das von der Automobilbranche bis hin zur Luftfahrtindustrie vielfältige Geschäftsfelder bedient. Im Gegensatz zu den subtraktiven Verfahren wird die Bauteilgeometrie bei der additiven Fertigung durch das geometrisch definierte Auf- und Aneinanderfügen von einzelnen Volumenelementen aus der gasförmigen, flüssigen oder festen Phase hergestellt. Das metallische oder polymere Ausgangsmaterial liegt dabei größtenteils in flüssiger, pulverförmiger oder strangförmiger Form vor und wird durch Energieeinwirkung vernetzt, versintert oder verschmolzen. Einerseits bietet die additive Fertigung aufgrund der werkzeuglosen Herstellung, den Möglichkeiten der Funktionsintegration, der Kundenindividualisierung, des Leichtbaupotenzials, der höheren Geometrie- und Designfreiheit sowie den von der Bauteilkomplexität und Stückzahl weitgehend unabhängigen Kosten viele Vorteile. Andererseits hindern bisher sehr hohe Materialkosten, unzureichende mechanische und flammwidrige Bauteileigenschaften mit ausgeprägter Abhängigkeit vom Fertigungsprozess, ein erhöhtes Anisotropieverhalten, fehlende Standardisierung- und Zertifizierungsmodalitäten, hohe manuelle Aufwände und eine diskontinuierliche digitale Prozesskette die industrielle Durchsetzung und flächendeckende Implementierung dieser Technologie. Anhand der Materialextrusion werden gemäß dem Stand der Technik die Potenziale gegenüber einem serienfähigen und industriellen Zielprozess aufgedeckt und quantifiziert. Als Reaktion auf die vergleichsweise niedrigen intra- und interlaminaren Bauteileigenschaften und den unzureichenden Flammschutz werden basierend auf zertifizierten Standardgranulaten und konventionellen Faserhalbzeugen Filamente entwickelt und hergestellt, die aufgrund ihrer eingearbeiteten Kurz- oder Endlosfaserverstärkung die Bedürfnisse eines industriellen Einsatzzweckes erfüllen. Die Herstellung der Filamente auf Basis von Faserbündeln und Hybridgarnen erfolgt durch die Erweiterung und Modifikation einer Druckummantelungsanlage. Die Filamente werden mit Flammschutzmitteln additiviert und bei einer Prüfkörperstärke von 1,0 mm nach UL‑94 V0 qualifiziert, um auch den sicherheitskritischen Einsatz in der Bahnbranche zu ermöglichen. Für die Verarbeitung der Filamente wird auf der Grundlage industrieller Automatisierungskomponenten eine skalierbare 5‑achsige Maschine konstruiert und aufgebaut, die ihre Prozess- und Bahndaten aus einer durchgängigen und digitalen Prozesskette bezieht. Die Entwicklung und Implementierung der integrierten CAx-Prozesskette mitsamt dem Postprozessor fußt auf den bewährten Möglichkeiten subtraktiver Technologien und wird für die Belange der Additiven Fertigung spezifisch programmiert. Anhand der Versuchs- und Messdaten von flammgeschützten und teils glasfaserverstärkten Polyamidprüfkörpern, die nach DIN EN ISO 527‑2 Typ 1A hergestellt werden, wird in Abhängigkeit der Fertigungsparameter bezogen auf die Vorzugsrichtung gezeigt, dass die Spannweite der mittleren Elastizitätsmoduln bis zu 39 % und die der mittleren Zugfestigkeiten bis zu 56 % beträgt. Außerdem wird nachgewiesen, dass mit nominal 20 % Massenanteil Kurzglasfasern je nach flammgeschützter Polyamidmatrix die mittlere Zugfestigkeit um bis zu 33 % und der mittlere Elastizitätsmodul um bis zu 98 % gesteigert wird. Der maximale, mittlere Elastizitätsmodul in Höhe von 12,6 GPa und die maximale, mittlere Zugfestigkeit in Höhe von 146 MPa wird bei Polyamid 6 gemessen, das mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern verstärkt ist. Bei den eigens entwickelten Endlosglasfaserfilamenten wird bei einem Faservolumenanteil von ca. 22 % ein Elastizitätsmodul in Höhe von 17,2 GPa und eine Festigkeit von 244 MPa gemessen, wodurch gegenüber den jeweils berechneten Werten vor allem bei der Festigkeit deutliche Einbußen festgestellt werden. Die daraus hergestellten Prüfkörper weisen einen mittleren Elastizitätsmodul in Höhe von 10,9 GPa und eine mittlere Festigkeit von 134 MPa auf, weshalb infolge des additiven Fertigungsprozesses von zusätzlichen, verarbeitungsspezifischen Defekten ausgegangen wird. Die intralaminaren mechanischen Eigenschaften werden durch die Kurz- und Endlosfaserverstärkung trotz der eingearbeiteten Flammschutzmittel und der dadurch induzierten Porenbildung maßgeblich verbessert. In Kombination mit der realisierten CAx-Prozesskette wird die entwickelte Materialbasis für eine Topologieoptimierung eingesetzt, wodurch die Masse eines Demonstrators gegenüber der unverstärkten Ausgangsgeometrie in Summe um 59 % reduziert wird. Um auch den Anforderungen einer verringerten Anisotropie infolge einer erhöhten interlaminaren Adhäsion gerecht zu werden, wird ein IR‑Diodenlaser in das Maschinenkonzept integriert. Aufgrund seines hochenergetischen, lokalen Wärmeeintrags ist dieser dazu geeignet, das Substrat unmittelbar vor beziehungsweise unter dem Extrudat vorzuwärmen. Die interlaminare Festigkeit kann durch den Einsatz des Lasers bei unverstärkten, teilkristallinen Thermoplasten im Gegensatz zu amorphen Thermoplasten nahezu auf die intralaminare Zugfestigkeit gesteigert werden, wodurch ein quasi-isotropes Bauteilverhalten resultiert. Die mittlere, maximal gemessene Zugfestigkeit liegt infolge der Laservorwärmung im Fall von unverstärktem Polyamid 6 bei 58 MPa und damit um 79 % höher als bei Prüfkörpern, die als Referenz mit optimalen Fertigungsparametern auf einem Ultimaker S5 gefertigt werden. Auch bei kommerziell verfügbarem Polyamid 6.66 wird infolge der Laservorwärmung mit einer Standardabweichung von unter 3 MPa eine 55‑prozentige Erhöhung der interlaminaren Zugfestigkeit von 40 MPa auf 62 MPa nachgewiesen. Die Wirtschaftlichkeit der Kurzfaserverstärkung, ausgedrückt durch die Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit pro €/kg, bewegt sich auf Grundlage der unverbindlichen Preisempfehlung der Hersteller bei den nicht flammgeschützten Werkstoffen in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 60–141 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,65–1,58 MPa/(€/kg). In der technisch-wirtschaftlichen Gesamtbetrachtung bildet ein Polyamid 6 mit nominal 20 % Massenanteil Kurzcarbonfasern den besten Kompromiss aus Leistungsfähigkeit und Kosten. Die Wirtschaftlichkeit der flammgeschützten Werkstoffe liegt in Bezug auf den Elastizitätsmodul zwischen 25–46 MPa/(€/kg) und bezüglich der Zugfestigkeit zwischen 0,37–0,53 MPa/(€/kg), womit sie generell niedriger als die Wirtschaftlichkeit der nicht flammgeschützten Polyamide kursiert. Die vorteilhafteste Wirtschaftlichkeit unter Einhaltung des erforderlichen Flammschutzes wird durch ein kurzglasfaserverstärktes Polyamid 6.66 erzielt. In Anbetracht dessen, dass die Automobilindustrie den wirtschaftlichen Großserieneinsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen bei Materialpreisen von unter 10 €/kg sieht, scheinen die aktuellen, kommerziellen Materialpreise von ca. 1965 €/kg für ein Endloscarbonfaserfilament des Markführers Markforged selbst bei Annahme niedriger Fasermassenanteile unwirtschaftlich. Im direkten Vergleich von endlosglasfaserverstärkten Filamenten mit annähernd gleichem Faservolumenanteil resultiert zwischen den Materialkosten der Eigenproduktion und den kommerziellen Verkaufspreisen ein Faktor von 38, der selbst nach Abzug der Fertigungs-, Verwaltungs- und Vertriebsgemeinkosten Gestaltungsfreiraum für großzügige Gewinnmargen bietet. Die Wirtschaftlichkeit der kommerziellen Filamente weist generell eine hohe Spannweite auf und wird durch den Einsatz von Standardgranulaten sowie leistungssteigernden Fasern maximiert. Das Gesamtniveau der mechanischen und flammwidrigen Eigenschaften ist durch die in dieser Arbeit erforschten und realisierten Verbesserungen auf der Material‑, Maschinen‑ und Softwareebene nicht nur generell höher, sondern vor allem reproduzierbarer und zuverlässiger, wodurch ein leistungsfähiger, durchgängiger und gesamtheitlicher Fertigungsprozess resultiert, der auch unter wirtschaftlichen Aspekten konkurrenzfähig ist., Starting from a prototyping process, Additive Manufacturing has developed into a production-ready manufacturing process that serves a wide range of business areas from the automotive to the aviation industry. In contrast to the subtractive processes, the component geometry in additive manufacturing is produced by the geometrically defined addition and joining of individual volume elements from the gaseous, liquid or solid phase. The metallic or polymeric raw material is mostly available in liquid, powder or strand form and is cross-linked, sintered or melted by the application of energy. On the one hand, additive manufacturing offers many advantages due to tool-free production, the possibilities of function integration, customer individualization, lightweight construction potential, greater freedom in geometry and design as well as costs that are largely independent of component complexity and lot sizes. On the other hand, very high material costs, inadequate mechanical and flame-retardant component properties with distinct dependence on the manufacturing process, increased anisotropy, lack of standardization and certification modalities, high manual effort and a discontinuous digital process chain have so far hindered the industrial implementation of this technology. By means of material extrusion, the potentials compared to an industrial target process are identified and quantified according to the state of the art. As a reaction to the comparatively low intra- and interlaminar component properties and the insufficient flame retardancy, filaments are developed and produced based on certified standard granules and conventional semi-finished fiber products. The production of the filaments based on fiber bundles and commingled hybrid yarns is done by the extension and modification of a pressured wiring coating and impregnation system. The filaments are compounded with flame retardants and qualified according to UL 94 V0 at a test specimen thickness of 1.0 mm to enable safety-critical use in the railroad industry. For the processing of the filaments, a scalable, five-axis machine will be designed and built on the basis of industrial automation components, which obtains its process and toolpath data from a continuous and digital process chain. The development and implementation of the integrated CAx process chain including the post-processor is based on the proven possibilities of subtractive technologies and is specifically programmed for the needs of additive manufacturing. Based on the test and measurement data of flame-retardant and partly glass fiber reinforced polyamide test specimens, which are produced according to DIN EN ISO 527‑2 type 1A, it is shown that the span of the average modulus of elasticity is up to 39 % and that of the average tensile strength is up to 56 %, depending on the production parameters in relation to the preferred direction. In addition, it is shown that with a nominal 20 % mass share of short glass fibers, depending on the flame-retardant polyamide matrix, the average tensile strength is increased by up to 33 % and the average modulus of elasticity by up to 98 %. The maximum average modulus of elasticity of 12.6 GPa and the maximum average tensile strength of 146 MPa are measured for polyamide 6 reinforced with a nominal 20 % mass fraction of short carbon fibers. For the specially developed continuous glass fiber filaments, a modulus of elasticity of 17.2 GPa and a strength of 244 MPa are measured at a fiber volume fraction of approximately 22 %. The test specimens produced from this material have an average modulus of elasticity of 10.9 GPa and an average strength of 134 MPa, which is why additional, process-specific defects are assumed as a result of the additive manufacturing process itself. The intralaminar mechanical properties are significantly improved by the short and continuous fiber reinforcement despite the incorporated flame retardants and the resulting pore formation. In combination with the implemented CAx process chain, the developed material base is used for topology optimization, which reduces the mass of a demonstrator by a total of 59 % compared to the unreinforced initial geometry. In order to also meet the requirements of reduced anisotropy due to increased interlaminar adhesion, an IR diode laser is integrated into the machine concept. Due to its high-energy, locally heat input, it is suitable for preheating the substrate immediately before or below the extrudate. The interlaminar strength can be increased to almost the intralaminar tensile strength by using the laser for unreinforced, semi-crystalline thermoplastics, in contrast to amorphous thermoplastics, resulting in a quasi-isotropic component behavior. As a result of the laser preheating, the average, maximum measured tensile strength is 58 MPa in the case of unreinforced polyamide 6, which is 79 % higher than for test specimens produced on an Ultimaker S5 as a reference with optimum production parameters. Even with commercially available polyamide 6.66, a 55 % increase in interlaminar tensile strength from 40 MPa to 62 MPa is demonstrated as a result of laser preheating with a standard deviation of less than 3 MPa. Based on the manufacturers' recommended retail price, the economic efficiency of short fiber reinforcement, expressed in terms of stiffness or strength per €/kg, is between 60–141 MPa/(€/kg) for the elastic modulus and 0.65–1.58 MPa/(€/kg) for the tensile strength of non-flame-retardant materials. From a technical and economic point of view, a polyamide 6 with a nominal 20 % mass share of short carbon fibers represents the best compromise between performance and costs. The economic efficiency of flame-retardant materials lies between 25–46 MPa/(€/kg) in terms of modulus of elasticity and 0.37–0.53 MPa/(€/kg) in terms of tensile strength, which is generally lower than that of non-flame-retardant polyamides. The most advantageous economy while maintaining the required flame retardancy is achieved by a short glass fiber reinforced polyamide 6.66. Considering the fact that the automotive industry sees the economic large-scale production of carbon fiber reinforced plastics at material prices of less than 10 €/kg, the current commercial material prices of approximately 1965 €/kg for a continuous carbon fiber filament of the market leader Markforged seem uneconomical even if low fiber mass proportions are assumed. In a direct comparison of continuous glass fiber reinforced filaments with approximately the same fiber volume content, a factor of 38 results between the material costs of in-house production and the commercial sales prices, which even after deduction of the manufacturing, administrative and sales overheads offers scope for generous profit margins. The economic efficiency of commercial filaments generally has a high span width and is maximized by the use of standard granules and performance enhancing fibers. The overall level of mechanical and flame-retardant properties is not only generally higher, but above all more reproducible and reliable due to the improvements on the material, machine and software level, which have been researched and realized in this work.

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es die inneren Festigkeiten und hier speziell die Auszugs-/ und Scherfestigkeiten von CAC-haltigen Bindemittelsystemen deutlich zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen wurden vier unterschiedliche Ansätze entwickelt welche zum Teil von natürlichen, biologischen Systemen abgeleitet wurden (Stichwort: Biomimetik). Es handelt sich hierbei um eine Partikelgrößenoptimierung des CAC welcher eine Steigerung des Hydratationsgrades zur Folge haben soll, um Polyelektrolytkomplexe welche die Hydratphasen verkleben sollen, um Graphenoxid (GO) welches die CAC Morphologie modifizieren/verstärken soll und um Carbonfasern welche über eine Verbrückung der CAC-Hydrate und eine Aufnahme von Zugkräften die Auszugsfestigkeit verbessern sollen. Um die Wirksamkeit der aufgeführten Konzepte und deren Einfluß auf die inneren Festigkeiten sowie den Hydratationsprozess von CAC evaluieren zu können erfolgte in einem ersten Schritt die Entwicklung eines CAC Modellsystems sowie dessen Charakterisierung. Die Analyse des Hydratationsprozesses und der während dieses Prozesses entstehenden Hydratphasen erfolgte hierbei hauptsächlich mit Hilfe von PXRD, Raman, TG – und Kalorimetrischen Messungen. Um die inneren Festigkeiten der Systeme zu erfassen wurden die Biegezug-/ Druck-/ Scher-/ und Auszugsfestigkeiten ermittelt. Daneben wurden ausgewählte Systeme mit Hilfe von optischen Methoden (Mikroskopie, ESEM) auf ihre, sich nach dem Erstarrungsprozess einstellende Morphologie hin untersucht. Es zeigte sich, dass der Literatur entsprechend die während des Hydra-tationsprozesses vorherrschende Temperatur sowie die Zeit die dieser Prozess bereits andauert einen großen Einfluss auf die sich bildenden CAC-Hydrate sowie die sich einstellenden Festigkeiten hat. Systeme welche die stabilen Endprodukte C3AH6 und AH3 (entstehen bei erhöhter Temperatur) aufweisen haben im Bezug auf alle Festigkeitsklassen (Biegezug-/ Druck-/ Scher-/ Auszugsfestigkeit) deutlich höhere Werte erreicht als Systeme welche die metastabilen CAC-Hydrate CAH10 und C2AH8 gebildet haben. Von den in diesem CAC Modellsystem getesteten vier unterschiedlichen Konzepten zur Festigkeitssteigerung führten die Partikelgrößenoptimierung von CAC und ein Reinforcement mit Carbonfasern zu signifikant erhöhten Festigkeiten. Bei den zwei anderen Konzepten (Einsatz von Polyelektrolytkomplexe und Graphenoxid (GO)) konnte kein positiver Einfluß auf die sich einstellenden Festigkeiten erkannt werden. The aim of the present work is to significantly increase the internal strengths and in particular the pull-out and shear strengths of CAC-containing binder systems. To achieve this goal, four different approaches have been developed, some of which were derived from natural, biological systems (keyword: biomimetics). This is a particle size optimization of the CAC which should result in an increase in the degree of hydration, polyelectrolyte complexes which are to adhere the hydrate phases, graphene oxide (GO) which is to modify / reinforce the CAC morphology, and carbon fibers which should bridging the hydrate phases and through this effect improve the pull-out strengths. In order to be able to evaluate the effectiveness of the listed concepts and their influence on the internal strengths as well as the hydration process of CAC, the first step was the development of a CAC model system and its characterization. The analysis of the hydration process and the hydrate phases formed during this process was mainly carried out by means of PXRD, Raman, TG and calorimetric measurements. To assess the internal strengths of the systems, the flexural / compression / shear and pull-out strengths were determined. In addition, selected systems were examined with the aid of optical methods (microscopy, ESEM) for their morphology arising after the solidification process. It has been shown that according to the literature, the temperature prevailing during the hydration process and the time that this process is already in progress have a great influence on the forming CAC hydrates and the resulting strengths. Systems which have the stable end products C3AH6 and AH3 (formed at elevated temperature) achieved significantly higher values ​​with respect to all strength classes (flexural / compression / shear / pullout strengths) than systems which formed the metastable CAC hydrates CAH10 and C2AH8. Of the four different strength enhancement concepts tested in this CAC model system, CAC particle size optimization and carbon fiber reinforcement led to significantly increased strengths. In the two other concepts (use of polyelectrolyte complexes and graphene oxide (GO)), no positive influence on the resulting strengths could be detected.

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffklassen ermöglichen Hybridverbunde die Entwicklung von Strukturbauteilen, die sich beispielsweise durch eine hohe Festigkeit bei einem gleichzeitig geringen Gewicht auszeichnen. Trotz des großen Einsatzpotentials wurden Hybridverbunde, begründet durch eine kostenintensive und zeitaufwendige Fertigung, bislang nicht für Großserienbauteile vorgesehen. Mit der Konzeption intrinsischer, das heißt einstufiger, Produktionsprozesse wird es jedoch gelingen die Attraktivität zu steigern und damit die Anwendung von Hybridverbunden unter anderem auch in der Automobilindustrie zu etablieren. Exemplarisch soll im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines intrinsischen Hybridverbundes für crashbelastete Strukturbauteile simulativ begleitet werden. Der dabei betrachtete Hybridverbund besteht aus einem endlosfaserverstärktem Kunststoff, in den ein metallischer Einleger eingebracht ist. Zur Realisierung der Anbindung der Komponenten sieht das Konzept des Hybridverbundes die Kombination von Form- und Stoffschluss vor. Dabei resultiert der Stoffschluss aus der Beschichtung des metallischen Einlegers, die die Ausbildung eines Interface bewirkt. Zur Realisierung des Formschlusses werden während des überlagerten Umformprozesses lokal Formschlusselemente des metallischen Einlegers in den endlosfaserverstärkten Kunststoff gepresst. Dadurch weisen die resultierenden Bauteile eine komplexe innere Struktur auf, die die simulative Analyse und damit die Bauteilauslegung erschwert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung und Simulation dieses intrinsischen Hybridverbundes. Dazu ist zunächst das Materialverhalten aller Komponenten durch adäquate Materialmodelle für große Deformationen abzubilden. Für deren Entwicklung wird ein Konzept zur Materialmodellierung aufgegriffen und erweitert, das die Formulierung auf der Basis direkt verschalteter rheologischer Elemente ermöglicht. Nach entsprechenden Parameteridentifikationen werden die Materialmodelle im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen eines aus dem Hybridverbund gefertigten Demonstratorbauteils angewendet. Dabei ermöglicht das Vorgehen zur Modellerstellung die Berücksichtigung und Bewertung von Einflüssen der intrinsischen Fertigung auf das Bauteilverhalten. Hybrid parts, combining for example low weight with high strength, are based on the combination of different material classes. Despite an enormous potential for applications, hybrid composites are not well established for large series parts due to the expensive and complex production. To increase the number of applications, intrinsic, i.e. single-step, manufacturing processes are designed. Within this work, the development of an intrinsic hybrid composite for crash-relevant structural parts is supported by simulations. The considered hybrid composite is made up of a fibre-reinforced polymer, in which a metallic insert is integrated. The connection between these components is based on a combination of geometrical form fit and adhesive bonding. On one hand, adhesive bonds result from a coating of the metallic insert. On the other hand, local form fit elements are pressed into the fibre reinforced polymer during the global forming process. Consequently, the resulting parts, manufactured in just one step, show a complex inner structure, which make simulative analyses and dimensioning more difficult. Within the work at hand, the main research goal is the modelling and simulation of this intrinsic hybrid composite. To this end, the mechanical behaviour of all individual components has to be described by appropriate material models at large strains. For those developments, a concept of material modelling, which enables the formulation based on directly connected rheological elements, is adopted and extended. After identifying the according material parameters, these material models are applied within finite element simulations of a demonstrator made up of the hybrid composite. Thereby, the applied procedure for creating finite element models allows to consider and evaluate how the intrinsic manufacturing process affects the mechanical behaviour of the parts.

Im Spritzguss hergestellte Bauteile mit Kurzfaserverstärkung weisen ein niedriges Gewicht bei hoher Steifigkeit auf und bieten damit beispielsweise in der Automobilbranche eine Alternative zu Bauteilen aus konventionellen Werkstoffen wie Stahl. Die Eigenschaften der Kunststoffbauteile sind das Resultat einer vielschichtigen Prozessgeschichte. Dabei erfährt das Material einen hohen Wärmeaustausch, wechselt seine Phase von flüssig zu fest, kühlt lokal unterschiedlich schnell ab und wird von den Orientierungen der eingebetteten Kurzfasern geprägt. Da die Bauteileigenschaften eine hohe Sensitivität gegenüber Variationen der Prozessparameter besitzen, sollen Simulationen des Fertigungsprozesses kostengünstige Vorhersagen zur Güte des Endproduktes ermöglichen. Den Simulationen liegen mathematische Gleichungen zu Grunde, die das effektive Materialverhalten beschreiben. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Formulierung eines solchen Materialmodells. Mit Hilfe von Homogenisierungen repräsentativer Volumenelemente wird zunächst der Einfluss der Faserorientierungsverteilung auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften analysiert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse fließen anschließend in die Modellierung des Materialverhaltens ein. Der in dieser Arbeit verwendete Modellierungsrahmen ist für große Deformationen ausgelegt, berücksichtigt den Phasenübergang sowie Temperaturabhängigkeiten in den viskoelastischen Steifigkeitsanteilen und stützt sich auf eine effektive Integrationsregel, um die Faserorientierungsverteilung einzubeziehen. Die Identifikation der Materialparameter geschieht mit Hilfe von Experimenten an Proben mit unidirektionaler Faserausrichtung. Das identifizierte Materialmodell wird schließlich in die kommerzielle Finite-Elemente-Umgebung Abaqus implementiert und steht damit Simulationen der Abkühlung und der Beanspruchung eines spritzgegossenen Kettenglieds zur Verfügung.

Im Beitrag sind Überlegungen hinsichtlich der optimalen Geometrie des Kettengliedes dargestellt. Daraus wurde ein Innenglied mit zwei gewickelten Einlegern entwickelt. Das äußere Kettenglied entspricht dem einer Rollenkette. Die Geometrie der Einleger wurde mithilfe der FEM optimiert, sodass durch zwei Einleger aus Glasfaser die Dehnung auf ca. 57% bzw. für Kohlefaser auf ca. 39% reduziert werden konnte. The article presents considerations regarding the optimal geometry of chain links. From this, an inner link with two wound inserts was developed. The outer chain link corresponds to that of a roller chain. The geometry of the inserts was optimized by a FEM analysis. With two inserts it is possible to reduce the elongation to approx. 57% (glass fiber) and approx. 39% (carbon fiber).

vorgelegt von : Lukas Riegler Zsfassung in engl. Sprache FH Campus Wien, Masterstudiengang High Tech Manufacturing, Master-Arb., 2014

Die Wandmaterialien innerhalb des Plasmagefäßes zukünftiger Fusionsreaktoren sind teilweise extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch höchstbelastete Bereich der Wand des Torusgefäßes ist der Divertor. Hier werden die anfallende Fusionsasche (Helium) und erodierte Wandpartikel aus dem Plasma entfernt, wodurch aufgrund erhöhter Teilchen-Wand-Interaktion Wärmeflüsse von bis zu 15 MW/m² erreicht werden. Wolfram gilt momentan als ideales Wandmaterial mit direktem Plasmakontakt (Plasma-Facing-Material, PFM) für diese Beanspruchungen. Unterhalb des PFM muss die Wärme möglichst effizient in das Kühlmedium übertragen werden. Im zukünftigen Experimentalreaktor ITER wird dafür eine Kupferlegierung (CuCrZr) verwendet, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und für Temperaturen von bis zu 350°C unter fusionsrelevanten Bedingungen einsetzbar ist. In dieser Konfiguration kann ITER mit einer Kühlmitteltemperatur von 150°C betrieben werden. Zur kommerziellen Energiegewinnung ist dies unzureichend, da die thermische Effizienz durch eine deutliche Anhebung der Kühlmitteltemperatur verbessert werden muss. Wird der konventionelle Ansatz einer Wasserkühlung zu Grunde gelegt, ist das Ziel die Kühlmitteltemperatur auf mindestens 300°C anzuheben. In der Folge ist CuCrZr als Wärmesenkenmaterial nicht mehr einsetzbar, da verstärkte Alterung und Festigkeitsverlust im Material auftritt. Zusätzlich vergrößern sich die thermisch induzierten Spannungen in der Komponente mit höheren Temperaturen, durch unterschiedlich große thermische Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien. Für höhere Temperaturen stellt faserverstärktes Kupfer eine mögliche Alternative dar. Die Kombination der hohen Wärmeleitfähigkeit der Kupfermatrix mit der hohen Steifigkeit und Festigkeit von Siliziumcarbidfasern soll die nötigen thermischen und mechanischen Eigenschaften des Wärmesenkenmaterials auch für Temperaturen über 350°C gewährleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedlich hergestellte SiC-Verstärkungsfasertypen hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung eines Kupfer-Matrix-Komposits (CuMMC) untersucht. Die Zielstellung für das CuMMC beinhaltet eine Festigkeit von 300 MPa bei 300°C sowie eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit von über 200 W m-1 K-1. Beide Parameter werden stark von der Faserfestigkeit und der Anbindung zwischen Faser und Matrix beeinflusst. Die Wärmeleitfähigkeit durch das CuMMC wird von der Kupfermatrix dominiert, wodurch geringere Faservolumenanteile von Vorteil sind. Höhere Faserfestigkeit erfordert geringere Faseranteile zum Erreichen mechanischer Vorgaben, womit die erzielbare Wärmeleitfähigkeit des CuMMCs steigt. Die Faserfestigkeit wird durch Einzel-Faser- Zugversuche validiert. Darüber hinaus ist die Anbindung zwischen Faser und Matrix essentiell, um die optimale Verstärkungswirkung durch die Fasern im CuMMC zu erzielen. Zur Faser-Matrix-Anbindung werden für jeden Fasertyp unterschiedliche Zwischenschichtsysteme verwendet, die anschließend durch Einzelfaser-Push-Out-Versuche validiert werden. Sind die Voraussetzungen von Faserfestigkeit und Anbindung für einen Fasertyp erfüllt, wird dieser für die Herstellung eines unidirektional verstärkten CuMMCs verwendet, welches bezüglich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert wird. Die mechanische Charakterisierung des CuMMCs erfolgt durch Zugversuche und dehnungsgeregelte, zyklische Versuche, wobei der Fokus neben der Festigkeit auf der Plastifizierung, Verfestigung und Schädigung innerhalb des CuMMCs liegt. Die thermische Charakterisierung erfolgt anhand der Wärmeleitfähigkeitsbestimmung sowohl parallel, als auch transversal zur Faserrichtung. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften werden in Abhängigkeit von Faservolumenanteil und Temperatur untersucht. Um den Einfluss von längeren Betriebsphasen unter hoher thermischer Belastung analysieren zu können, wird das CuMMC bei 550°C für 400 h ausgelagert und anschließend wiederum mittels Vergleich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften auf mögliche Schädigungen untersucht. Zur Begutachtung von Schliff- und Bruchflächen zur Schadensanalyse stehen als bildgebende Untersuchungsmethoden neben Lichtmikroskopen ebenso Rasterelektronenmikroskope (REM) zur Verfügung., The wall materials in future fusion reactors will be operating under extreme thermal and mechanical load conditions. The divertor region of such a device is the most severely loaded component. This part is exposed to heat fluxes of up to 15 MW m-² due to the impinging plasma particle flux. Tungsten is currently considered as the best choice for the plasmafacing- materials (PFM) in the divertor region. An efficient heat sink material is required underneath the PFM for sufficient heat transfer to the cooling channels. In the research reactor ITER a copper alloy (CuCrZr) is foreseen as heat sink material, which is able to withstand temperatures of up to 350°C, corresponding to a water coolant temperature of 150°C. For the commercial use of fusion energy an increase of the thermal efficiency is necessary by increasing the coolant temperature to over 300°C. This will cause higher stresses in the connection area between PFM and the heat sink due to different coefficients of thermal expansion combined with higher temperatures. The mechanical properties of CuCrZr are insufficient for these conditions and fibre reinforced copper metal matrix composites (CuMMC) are considered as an alternative material to strengthen the critical connection area between the heat sink and the PFM. The composite should combine the high heat conductivity of a copper matrix with the high stiffness and mechanical strength of silicon-carbide fibres (SiC-fibres). During this investigation SiC-fibres of two different production principles were studied regarding their usage for the manufacturing of a CuMMC. The main goals for the CuMMC are a tensile strength of 300 MPa combined with a heat conductivity of more than 200 W m-1 K-1. Both of these parameters are affected by the single fibre tensile strength and by the bonding between the fibres and the copper matrix. The achievable heat conductivity in the CuMMC depends on the fibre volume ratio within the composite. Higher fibre strength reduces the necessary fibre volume ratio and hence increases the heat conductivity of the CuMMC. The fibre strength was validated by single fibre tension tests. Furthermore, a good bonding between fibre and matrix is necessary to optimize the fibre reinforcement, which is based on load transfer between fibre and matrix. Therefore, both fibre types were coated with interlayer systems and the effectiveness of the bonding was validated by single fibre push-outtests. For those cases where fibre strength and bonding were sufficient, a unidirectional fibre reinforced CuMMC was manufactured, who’s mechanical and thermal properties were then characterised. The mechanical tests included tensile tests and strain-controlled cycling tests which gave information about strength, plasticity, hardening and the effect of damage within the CuMMC. To verify that the CuMMC heat sink material achieves the thermal requirements, heat conductivity measurements parallel and perpendicular to the fibre direction were performed. These characterizations were done as a function of fibre volume fraction in the CuMMC and temperature. To investigate the influence of long term exposure to operation temperatures, a heat treatment was carried out for 400 h at 550°C and the mechanical and thermal properties were compared to their initial values. Different optical microscopes and scanning electron microscopes (REM) were used for the analysis of crack surfaces and grindings. For the engineering design of divertor components numerical models of the used material are required. These models need to be developed by adjusting their input parameters to fit experimental results. To that end, strain-controlled cycling tests allowed the analysis of the copper matrix hardening behaviour. This is necessary to understand stress development during operational load cycles of the CuMMC. The comparison of room temperature tests with 300°C tests showed the effects of fabrication-induced residual stress in the CuMMC.

In dieser Arbeit werden thermisch beschichtete hybride Tiefziehwerkzeuge auf Polymerbasis für die Umformung höherfester Blechwerkstoffe im Bereich der Klein- bis Mittelserienproduktion untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Entwicklung kosteneffizienter und in kürzester Zeit einsatzbereiter Tiefziehwerkzeuge. Die Realisierung des hybriden Tiefziehwerkzeugs erfolgt in Differenzialbauweise mit einem polymeren Werkzeuggrundkörper und einer thermisch gespritzten Beschichtung als Verschleißschutz. Die Steifig- und Festigkeit des polymeren Werkzeuggrundkörpers kann durch die Zugabe von Füllstoffen und die Verwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden gesteigert werden. Hierdurch ergeben sich zum einen höhere Sicherheiten gegen Werkzeugversagen bei der Umformung höherfester Blechwerkstoffe und zum anderen eine Reduzierung der Belastung der thermisch gespritzten Wirkflächen. Zur Herstellung dieser Spritzschichten wird ein indirekter Beschichtungsprozess entwickelt, wodurch eine ausreichende Haftung der Beschichtung zum Werkzeuggrundkörper erreicht werden kann. Des Weiteren sind diese Spritzschichten als Wirkflächen für Blechumformprozesse ohne Nachbearbeitung geeignet. Gegenüber gewöhnlichen Polymerwerkzeugen kann hierdurch die Verschleißbeständigkeit signifikant gesteigert und die angestrebte Stückzahl von Blechformteilen hergestellt werden. Das hybride Tiefziehwerkzeug eignet sich sowohl für die Umformung weicher Tiefziehstähle als auch höherfester Stahlgüten. Hierbei kann eine vergleichbare Genauigkeit wie bei konventionellen Tiefziehwerkzeugen erzielt werden. Die höhere Nachgiebigkeit des hybriden Tiefziehwerkzeugs gegenüber einem Stahlwerkzeug vermindert lokale Kontaktdruckspitzen. Dies bietet gegenüber konventionellen Werkzeugen den Vorteil kürzerer Einarbeitungszeiten., Topic of this thesis is the investigation of thermally sprayed hybrid deep drawing tools made of polymers for forming high strength steels, which are used in small to medium batch size productions. The focus is on the development of cost-effective deep drawing tools, ready in short-time for operation. The tools are realized in a differential construction. A body material made of polymer is wrapped with a thermally sprayed coating, which is a protection against wear. The stiffness and the strength of the tool can be increased by the use of fillers and fiber reinforcements. This results in a higher reliability of the tool against failure during forming of high strength materials. In addition, a reduction of stresses in the thermally sprayed tool surfaces is realized. An indirect coating process is developed in order to manufacture these coatings. This process leads to a suitable adhesion between the body material and the coating itself. The coatings are adequate for a direct use in forming processes without mechanical finishing. With these coatings the wear resistance of the tools is increased significantly compared to common polymer deep drawing tools. The aspired piece number of sheet metal parts can be manufactured. The hybrid deep drawing tool is adequate to form mild as well as high strength steels. Here, a comparable geometrical accuracy of parts formed by the hybrid tool with the accuracy of parts formed by conventional tools is possible. The higher elasticity of the hybrid tools compared to conventional tools made of steel reduces local contact peaks. This provides a potential of shorter try-out times of the hybrid tools in the press shop., Reihe Dortmunder Umformtechnik

Die Arbeit behandelt die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von naturfaserverstärktem Langfasergranulat. Ausgehend von den speziellen Eigenschaften von Naturfasern und dem Stand der Technik bei der Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten wird ein neues Verfahrensprinzip für die Herstellung von Langfasergranulat mit Naturfaserverstärkung konzipiert. Die konstruktive Auslegung der einzelnen Anlagenkomponenten wird theoretisch betrachtet und durch geeignete Modelle beschrieben. Mit der praktischen Umsetzung des Verfahrensprinzips werden wesentliche Zusammenhänge zwischen den Prozessbedingungen und den Granulateigenschaften analysiert. Die resultierenden Eigenschaften von Natur-Langfasergranulaten werden phänomenologisch charakterisiert und mit konventionellen Langfasergranulaten verglichen. Unter Anwendung bekannter Modellvorstellungen zu den mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen wird das theoretische Eigenschaftspotenzial von diskontinuierlich langfaserverstärkten Naturfaserverbunden berechnet und durch experimentelle Untersuchungen an flachsfaserverstärktem Polypropylen verifiziert.Abschließend erfolgt die Darstellung der experimentell ermittelten mechanischen, morphologischen und rheologischen Eigenschaften der im Spritzgießverfahren hergestellten Verbunde aus Natur-Langfasergranulaten.