Search

Das Recycling von Faserverbundkunststoffen (FVK) ist technisch anspruchsvoll und bedingt die getrennte Erfassung sowie eine aufwendige Demontage. Es findet aktuell in Deutschland kaum statt. Hinzu kommt, dass die derzeitigen Abfallmengen an carbon- und glasfaserverstärkten Kunststoffabfällen (CFK und GFK-Abfälle) gering sind. Das Recycling der ressourceneffizienten Leichtbauwerkstoffe gilt als unwirtschaftlich. Die durchgeführte Marktstudie für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK legt den Verbleib der entsprechenden Altprodukte dar und zeigt, dass die FVK-haltigen Abfälle dieser Produktgruppen sowie teilweise auch die vollständigen Produkte der hochwertigen Verwertung verloren gehen. Das ist von erheblichem ökologischem Nachteil. Eine Bündelung und ein gemeinsames Recycling dieser drei Produktgruppen mit anderen FVK-haltigen Abfällen (z.B. Rotorblätter von Windenergieanlagen und bestimmte Bauprodukten) erscheint ökologisch sinnvoll und praktikabel im Sinne einer hochwertigen, schadlosen und wirtschaftlich zumutbaren Abfallverwertung. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieses Vorhabens, ein Kreislaufkonzept für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK zu entwickeln. Um ein hochwertiges Recycling zu ermöglichen, müssen Bauteile aus FVK separat erfasst werden. Hierzu wurden detaillierte Handlungsanweisungen für die Trockenlegung, Demontage und Zerkleinerung von Sportbooten und Leichtflugzeugen sowie Möglichkeiten zur Sammlung und Rücknahme von CFK-haltigen Bedarfsgegenständen erarbeitet. Das Konzept schließt die systematische Wiederverwendung und Vorbereitung zur Wiederverwendung ein. Aus Sicht des Umweltschutzes kritische Punkte der Abfallverwertung wurden erkannt, beschrieben und Vorschläge für den sicheren Umgang mit Abfällen erarbeitet. Diese umfassen neben grundlegend wichtigen Empfehlungen zur Verwertung und der Nutzung digitaler Konzepte auch die Berücksichtigung politischer und organisatorischer Instrumente. Die Instrumente umfassen die Einführung von technischen Standards basierend auf den im Rahmen der Studie entwickelten Handlungsanweisungen, die Fortentwicklung bestehender Recyclingverfahren, den digitalen Produktpasses für Sportboote und freiwillige Rücknahmesysteme für CFK-haltige Bedarfsgegenstände. Eine wichtige formale Voraussetzung für die spezialisierte Verwertung ist die Einführung entsprechender Abfallschlüssel, was eine Änderung des Europäischen Abfallverzeichnisses erfordert., Recycling products with fibre reinforced plastics (FRP) is technically demanding and requires separate collection as well as adjusted dismantling procedures. There is currently hardly any such recycling taking place in Germany. In addition, the quantities of carbon and glass fibre reinforced plastic waste (CFRP and GFRP waste) are low. Recycling of these resource efficient, lightweight materials is not regarded as economically viable. The market study carried out in the course of the project for sports boats and light aircrafts as well as consumer goods made of CFRP shows the whereabouts of the end-of-life products and shows that the FRP-containing waste of these product groups, and actually the whole product, is currently lost to high-quality recycling. This is a considerable environmental burden. Bundling and joint recycling of these three product groups with other waste containing FRP (e.g. wind turbine blades and certain construction products) could be useful and feasible in establishing a high valuable, non-polluting and economical waste treatment. Against this background, the aim of this project is to develop a circular concept for sports boats and light aircrafts with FRP as well as consumer goods made of CFRP. In order to enable high-quality recycling, components made of FRP must be collected separately. For this purpose, detailed guidelines for the draining, dismantling and shredding of sports boats and light aircrafts as well as possibilities for the collection and taking back of consumer goods containing CFRP were developed. The concepts include measures for reuse and preparation for reuse. Critical issues of waste treatment procedures from the point of view of environmental protection were recognized and described, and measures for safe treatment were recommended. These are fundamentally important recommendations for recycling and the use of digital concepts but also the consideration of political and organizational instruments. These instruments include the introduction of standards based on the developed guidelines and further development of existing recycling processes, a digital product passport for sports boats and voluntary take-back systems for consumer goods containing CFRP. An important legal prerequisite for any specialized waste treatment are waste codes, which implies the need of the revision of the European List of Wastes.

Oxide fibre composites (OFCs) are a potential key technology for aerospace and energy applications due to their quasi-ductile fracture behaviour, high continuous service temperature and chemical and oxidation resistance. An inherent weakness of OFCs, which restricts their use, is their high susceptibility to shear. The aim of the work is to increase the interlaminar shear strength by producing an OFC with a simulatively designed three-dimensional braided reinforcement structure. In order to achieve a smooth surface and homogeneous impregnation, the infusion process is modified. For processing brittle oxide ceramic fibres, a fibre-friendly bobbin with adaptive yarn guidance is being developed to minimise the transverse forces acting on the roving. By adapting a yarn break detection system based on magnetic proximity sensors to rewind bobbins, additional yarn guiding elements can be omitted. Process design is enabled by creating a virtual twin using a combination of a design tool and a multi-body simulation. To model the textile structure, a topological simulation is extended with a compacting algorithm. Compared to conventional yarn guidance, the adaptive yarn guidance reduces the yarn tension fluctuation by 43 % and the filament breakage rate by 55 %. In a benchmark comparison of 2D woven OFC with 3D braided OFC, an increase in the interlaminar shear strength of 96 % is determined due to a z-fibre content of 13.1 % in the loading direction. The simulation-based design tool ‘Virtual Braiding Simulation’ (ViBraSi) enables variation of the preform architecture and the creation of a digital material model on a micro level.

Der Wet Compression Molding Prozess und dessen Prozesskette, zur großvolumigen Herstellung kontinuierlich faserverstärkter Verbundbauteile mit duromerer Matrix, ist seit 2013 in der Serienproduktion im Einsatz. Geringere Zykluszeiten lassen sich aufgrund des gleichzeitigen Drapierens des mit Matrix benetzten textilen Halbzeugs in Kombination mit der Parallelisierung der Prozessschritte Aushärtung und Matrixapplikation realisieren. Während des Kompressionsschritts findet, zusätzlich zur Umformung des initial getränkten textilen Halbzeugs, eine erzwungene Fluidausbreitung der Matrix sowohl über der, als auch durch die permeable Faserstruktur statt. In Abhängigkeit der Prozessparameter können sich Fluid-Struktur-Interaktionen ergeben, die zu Verschiebungen von Fasern, als auch zur Beeinflussung der Faserimprägnierung führen können. Beides beeinflusst die Bauteilqualität negativ. So führen bereits geringe Änderungen der Faserorientierung in Relation zur Lastrichtung zur Minderung der mechanischen Performance. Gleichzeitig kann eine inhomogene Tränkung die Häufigkeit von Lufteinschlüssen und somit Poren innerhalb der Bauteilstruktur erhöhen. Dementsprechend ist das Ziel dieser Arbeit die Identifizierung kritischer Prozessparameter während des Kompressionsschritts beim WCM Prozess. Des Weiteren sollen Mechanismen, die zur Entstehung fluidinduzierter Faserverschiebungen führen, evaluiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit folgt eine vergleichende Betrachtung der Fluidausbreitung beim WCM Prozess mit und ohne simultane Umformung des textilen Halbzeugs. Hierzu wird die Fluidausbreitung mit Hilfe eines transparenten Werkzeugs anhand einer generischen Geometrie auf Prüfstandebene visualisiert. Zur weiteren Analyse der Formfüllung findet abschließend eine makroskopische Betrachtung der Fluidausbreitung mit und ohne simultaner Umformung anhand eines komplexen generischen Demonstrators statt.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind aufgrund ihrer hohen Designflexibilität und ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften im Flugzeugbau nicht mehr weg zu denken. Der Aufbau des Materials aus einzelnen Lagen ermöglicht es lokale, lastpfadgerechte Verstärkungen und Sensorik in das Laminat zu integrieren, um somit etwa der örtlichen Beanspruchung Rechnung zu tragen oder einen hohen Leichtbaugrad zu realisieren. Daher wurden am Fraunhofer IWU Funktionsträger in unterschiedlichen Varianten entwickelt, mithilfe einer Tape-Lege Anlage gefertigt und zwischen multiaxialen Carbonfaser-Halbzeugen eingebracht und qualifiziert. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Funktionsträger hinsichtlich Positioniergenauigkeit und Ausrichtung in der Struktur, erfolgte die Entwicklung einer roboterbasierten Ultraschalluntersuchung mit automatischem Datenmanagement. Dabei wurden ein kollaborierender Roboter eingesetzt, um den Ultraschallsensor über das Bauteil zu führen und neue Wege hinsichtlich Auswertung sowie Datenmanagement beschritten. Die Untersuchung unterschiedlicher Parameter wie Prüfgeschwindigkeit, Rasterweite und die Fokussierung des Sensors, erlaubte die Ableitung von Standards, sowie die Gestaltung eines hocheffizienten zerstörungsfreien Prüfprozesses mittels Ultraschall-Analyse. Dadurch lassen sich die hohen Anforderungen aus der Luftfahrt erfüllen und Kosten durch automatische Inspektion und Bewertung deutlich reduzieren. Die innovativen Funktionsträger der Tape-Lege Anlage liefern darüber hinaus beste Voraussetzungen für die Integration in CFK-Luftfahrtstrukturen von morgen.

New trends in technology come at the cost of increasing demands on material properties. Prepreg-based materials as used in Printed Circuit Boards (PCBs) are no exception. The short and long-term temperature range which they need to operate in has increased dramatically, critical material failures are often the consequence. Additionally, RoHS compliances and governmental regulations limit the use of i.e., lead-based soldering processes have their share as well. Lead-free soldering requires temperatures about 40 ��C higher than State-of-the-Art technologies, making thermal management one of the critical properties of modern PCB base materials. State-of-the-Art polymer-based PCB materials such as glass-fiber (GF) reinforced thermosets lack this requirement due to their low intrinsic thermal conductivity. Pairing high thermally conductive metals that also possess a low CTE with polymers in PCBs creates a challenge as both material classes show a different dimensional behavior under thermal cycling, and PCB delamination or hot-spot formation is the result. The current research is challenged by the broad spectrum of requirements that need to be fulfilled. Increasing thermal conductivity and other thermal properties usually come at the cost of other must-have properties of PCBs, like water absorption, dielectric and mechanical properties. So how does one make the impossible possible? Searching for the ���holy grail��� in the fields of PCB substrates is finding a material (combination) whose processing is cost-efficient material-wise with a short production cycle at an industrial scale. In addition, the base material must comply with current regulations and has to meet the requirements coming from more demanding and new applications in challenging environments. Therefore, this doctoral thesis, aims to design a process and material that are environmental-friendly and cost-efficient and applicable in industrial scale. The high-Tg base material is tailored towards a simultaneous increase in thermal conductivity and flame retardancy without deteriorating other essential properties (i.e., water absorption, dielectric properties). The workflow involves the screening of different fillers of different nature, different filler sizes, and concentrations in feasibility studies. In addition, filler combinations and their ratios are investigated. The fillers��� dispersion and orientation are vital factors that can be triggered by an optimized processing method. Experimental studies are conducted in different stages: filled resin plates, prepregs, and their corresponding GF-reinforced laminates. The structure-property-relationship is established by comparing the overall results with special attention to the effect of GF. The main aim is to understand the impact of (synergistic) filler combinations, and the increasing FVC on filtration of fillers, filler network formation and the final laminate properties. The transferability between filled resin plates to their fiber-reinforced systems is studied to focus on thermal and mechanical properties. It is of great scientific interest to understand the inter-dependency of different fiber volume contents (FVC) with the thermal properties to describe models and give forecasts.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022; Düren : Shaker Verlag 331 S. (2023). doi:10.18154/RWTH-2023-01253 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2022, Oxide fibre composites (OFCs) are a potential key technology for aerospace and energy applications due to their quasi-ductile fracture behaviour, high continuous service temperature and chemical and oxidation resistance. An inherent weakness of OFCs, which restricts their use, is their high susceptibility to shear. The aim of the work is to increase the interlaminar shear strength by producing an OFC with a simulatively designed three-dimensional braided reinforcement structure. In order to achieve a smooth surface and homogeneous impregnation, the infusion process is modified. For processing brittle oxide ceramic fibres, a fibre-friendly bobbin with adaptive yarn guidance is being developed to minimise the transverse forces acting on the roving. By adapting a yarn break detection system based on magnetic proximity sensors to rewind bobbins, additional yarn guiding elements can be omitted. Process design is enabled by creating a virtual twin using a combination of a design tool and a multi-body simulation. To model the textile structure, a topological simulation is extended with a compacting algorithm. Compared to conventional yarn guidance, the adaptive yarn guidance reduces the yarn tension fluctuation by 43 % and the filament breakage rate by 55 %. In a benchmark comparison of 2D woven OFC with 3D braided OFC, an increase in the interlaminar shear strength of 96 % is determined due to a z-fibre content of 13.1 % in the loading direction. The simulation-based design tool ‘Virtual Braiding Simulation’ (ViBraSi) enables variation of the preform architecture and the creation of a digital material model on a micro level., Published by Shaker Verlag, Düren

Diese Arbeit entwickelt, implementiert und testet eine auf der Finite-Elemente-Analyse aufbauende Methode zur Identifizierung dimensionierender Lastfälle und vergleicht diese mit der klassischen Identifizierung durch die Schnittlastmethode. Für den Vergleich werden beide Methoden in den Vorentwurfsprozess des Nurflügels MULDICON implementiert. Es wird vermutet, dass die Schnittlastmethode an der unbestimmten, flächigen Struktur eines Nurflügels nicht alle dimensionierenden Lastfälle erkennt. Dies konnte nicht bestätigt werden, beide Methoden identifizieren alle dimensionierenden Lastfälle. Jedoch wertet die neue Methode die Lastfälle detaillierter aus und ist dabei unabhängig von der Form der Struktur. Außerdem bietet sie weitreichende Visualisierungs- und Interpretationsmöglichkeiten, die es beispielsweise möglich machen, im Vorentwurfsprozess Lastpfade darzustellen und hochbelastete Strukturbereiche zu erkennen

Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix limitiert die Wärmeleitung in polymeren Faserverbundwerkstoffen. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Matrix kann dazu bei-tragen, die Wärme in einem Bauteil besser zu verteilen, thermische Spannungen zu reduzie-ren und damit die Lebensdauer zu erhöhen. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eine wichtige Komponente zur Auslegung von Bauteilen ist, sind in der Literatur bisher einige we-sentliche Forschungsfragen offengeblieben. Erstens ist bisher ungeklärt, welchen Einfluss die Herstellungs¬temperatur und damit Morphologie der Fasern auf die transversale Wärmeleit-fähigkeit hat. Zweitens wurden in den letzten Jahren erste Ansätze zur Modifikation der Kunststoffmatrix mit leitfähigen Füllstoffen aufgezeigt, jedoch nicht systematisch untersucht. Drittens wurden bereits vor einigen Jahrzehnten Faserverbundwerkstoffe mit metallbe-schichteten Fasern untersucht; es wurden aber nur Faservolumengehalte von maximal 30 Vol.-% erreicht. Und viertens wurden die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien in der Literatur bisher nur oberflächlich betrachtet, sind jedoch für die konstruktive Auslegung und damit für den Transfer in die industriellen Anwendungen von Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die wesentlichen Einflussparameter auf die Wärme-leitfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen, welche aus Kohlenstoff¬fasern und Epoxid¬harzen bestehen, zu analysieren. Zunächst wird der Einfluss der Herstellungstemperatur der Fasern auf die Wärme¬leitfähigkeit untersucht. Es ist bereits bekannt, dass die Herstellungstemperatur zu einem Wachstum der graphitischen Lamellen führt. Auch ist bekannt, dass die Herstellungstemperatur Zugmodul und Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung beeinflusst. In dieser Arbeit kann jedoch erstmalig gezeigt werden, dass die erhöhte Herstellungstemperatur auch zu einem Anstieg der trans-versalen Wärmeleitfähigkeit führt. Anschließend werden Faserverbundwerkstoffe mit einer graphitmodifizierten Epoxidharz-matrix untersucht. Hierbei kann eine deutliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit der Ver-bunde transversal zur Faser um 55 % als auch in Faserrichtung um 67 % erzielt werden. Fer-ner wird gezeigt, dass mit dem Einsatz von metallbeschichteten Fasern die transversale Wärmeleitfähigkeit des Faserverbunds auf das 5-fache und in Faserrichtung auf das 6,6-fache gesteigert werden kann. Bisher wurden in der Literatur die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstof-fen mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit meist vernachlässigt. Dabei sind diese für die Entwick-lung praktischer Anwendungen unerlässlich. Der Zusatz von Graphit zur Matrix führt zu einer Abnahme der Verbundfestigkeit, das Biegemodul hingegen steigt. Die bruchmechanischen Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz der graphitmodifizierten Matrix mit einem Anstieg der Bruchzähigkeit in Mode I, jedoch einen Abfall in Mode II, einhergeht. Der Einsatz der Me-tallbeschichtung führt zu einem signifikanten Abfall der Biegefestigkeit und des Biegemoduls.

Faserverstärkte Kunststoffe (Composites) bestehen aus den Komponenten hochfeste Fasern und druckfestes Harz, das die Fasern einbettet und gegen Knicken schützt. Composites aus Carbonfasern finden heutzutage in Primärstrukturen von Flugzeugen wie dem Airbus A350 oder der Boeing 787 Verwendung. Sie übernehmen dort ausschließlich strukturelle und formgebende Funktionen. Mit fortschreitender Entwicklung, z.B. von Health Monitoring Systemen, gewinnt der Aspekt der Funktionsintegration und damit der Möglichkeit, die Leitung für Elektrizität und Signalübertragung in die Struktur, bzw. den Werkstoff zu integrieren, immer mehr an Bedeutung. Aufgrund der erforderlichen Produktionsraten für Flugzeuge spielt der Automatisierungsgrad eine entscheidende Rolle. Hierbei gewinnen Smart Textiles an Bedeutung, sofern es gelingt smarte textile Halbzeuge herzustellen, die mit den etablierten Fertigungstechnologien der Composite- und Luftfahrtbranche verarbeitet werden können. Der Vortrag gibt einen Überblick über die relevanten Fertigungstechnologien von Compositebauteilen in der Luftfahrtbranche und diskutiert die Anforderungen an Smart Textiles, um zur Herstellung von Smart Composites genutzt zu werden. Darüber hinaus werden Beispiele von prototypischen Umsetzungen von Smart Composites vorgestellt und diskutiert, wie integrierte Leiterbahnen in eine Galley-Rückwand (Küchenwand im Flugzeug) und die Integration von Lambwellen-Sensoren in eine Flugzeugrumpfstruktur zur Realisierung von Structural-Health-Monitoring der Struktur.

Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepregs finden in der zivilen Luft- und Raumfahrtindustrie aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, thermo-mechanischen und thermischen Eigenschaften zunehmend Anwendung zur Herstellung von Strukturverbundbauteilen. Obwohl Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig sind, weisen aus Epoxid-Kohlenstofffaser-Prepreg hergestellte Bauteile aufgrund der isolierenden Natur der Epoxidmatrix oft nur sehr geringe elektrische Leitfähigkeiten in z-Richtung auf. Die verbesserte elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung ist jedoch für moderne Verbundanwendungen notwendig, bei denen ein gewisses Maß an elektrostatischer Ableitung, elektromagnetischer Abschirmung oder eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Blitzeinschläge erforderlich ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit der Untersuchung des Einflusses leitfähiger Rußnanopartikel auf die elektrische Leitfähigkeit und die Bruchzähigkeit eines für die Luft- und Raumfahrt relevanten Epoxidharzes und seiner unidirektionalen Kohlenstofffaser Prepreg-Laminate. Die Beziehung zwischen dem Faservolumengehalt und der elektrischen Leitfähigkeit der reinen Laminate wurde umfassend charakterisiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss eines PA6.6-Vlieses auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Laminate detailliert erforscht. Schließlich wurde die Korrelation zwischen der elektrischen Leitfähigkeit (in z-Richtung) und der Beständigkeit gegen Blitzschlag von mit PA6.6-Vlies modifizierten Laminaten untersucht.

Einzelschicht berechnen und die richtungsabhangigen Einflusse der Faserfehlorientierungen abbilden und analysieren. Aufbauend auf dieser Modellierung wird eine Methodik zur Festigkeitsanalyse beschrieben und verschiedene Versagensmechanismen bei Zug- und Druckbeanspruchung in Faserrichtung betrachtet und diskutiert. Dieses Modell liefert allein anhand der Komponenteneigenschaften von Glasfaser und Epoxid-Matrix realistische Festigkeits- und Elastizitatskennwerte fur den Verbund. Abschliesend wird ein Ausblick auf die geplante Modellvalidierung gegeben. Dazu sollen normgerechte Materialprufungen an Couponproben durchgefuhrt werden. Die Faserorientierungsverteilungen dieser Proben sollen mittels Mikro-Rontgencomputertomografie (µCT) ermittelt werden. Dieses Vorgehen ermoglicht den direkten Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit den individuellen Vorhersagen des Modells unter Berucksichtigung der inneren Struktur der jeweiligen Probe.

Nachhaltiger Leichtbau stellt in der Automobilindustrie eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung zukünftiger CO2-Emissionsziele dar. So werden neben Metallen wie Stahl und Aluminium auch Faserverbundkunststoffe eingesetzt. Mit Hilfe einer von Audi entwickelten Prozessvariante des Hochdruck Resin Transfer Moulding, dem sogenannten Audi ultra RTM-Prozess, können die im Prozess entstehenden Werkzeuginnendrücke im Vergleich zum klassischen RTM-Prozess und zur RTM-Verfahrensvariante mit Spaltinjektion signifikant gesenkt werden. Eine geregelte Begrenzung des Werkzeuginnendrucks ermöglicht zudem die Integration von leichten, geschlossenzelligen polymeren Hartschaumkernen zur Herstellung von leistungsfähigen Sandwichstrukturen. Die im Prozess auf den Kern einwirkenden thermischen und mechanischen Belastungen führen zu einer Verformung, die eine Änderung des lokalen Faservolumengehalts nach sich zieht. Dies wirkt sich sowohl auf die benötigte Menge an Matrixmaterial als auch auf das Formfüllverhalten aus. Das Erreichen der Einsatzgrenze des Kernmaterials im Prozess führt zu Kernversagen, was letztendlich in einem Ausschussbauteil resultiert. Eine Methode zur Untersuchung des Verhaltens und Ermittlung der Einsatzgrenze der Materialien im Prozess ist nicht bekannt. Kosten- und zeitintensive Bauteilabmusterungen zur Prozessoptimierung sind die Folge. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik, mit der das Verhalten potenzieller Kernmaterialien unter Prozessbedingungen systematisch untersucht und deren Einsatzgrenze bestimmt werden kann. Zudem soll durch ein Simulationsmodell die Einbindung des Strukturverhaltens der Kerne in die RTM-Formfüllsimulation ermöglicht werden. Hierfür wird im Rahmen einer Materialuntersuchung zunächst die Eignung ausgewählter Kernmaterialien für die Großserie dargestellt. Anschließend wird die Struktur der Kernmaterialien makro- und mikroskopisch analysiert. Im Weiteren werden die im Prozess auftretenden Belastungen und Rahmenbedingungen experimentell ermittelt und ein Zusammenhang zwischen dem Werkzeuginnendruck und dem Verformungs- und Versagensverhalten des Kerns hergestellt. Neben wichtigen Kenngrößen bezüglich Fluideigenschaften, Belastungsart und Belastungsdauer werden im Rahmen der Prozessanalyse auch die thermischen Randbedingungen ermittelt, die der prozessorientierten Charakterisierung der Hartschaumstoffe zu Grunde liegen. Diese umfasst die systematische Untersuchung des Aufheizverhaltens sowie des Verformungsverhaltens unter Druck der betrachteten Materialien. Das Versagensverhalten unter den im RTM-Prozess vorherrschenden Rahmenbedingungen kann durch bekannte Prüfmethoden nicht abgebildet werden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, den Einfluss verschiedener prozessrelevanter Faktoren auf das Versagensverhalten der Kernmaterialien separat zu untersuchen. Die experimentell ermittelten Daten bilden die Basis zur Simulation des Verformungsverhaltens der Hartschaumstoffe unter Prozessbedingungen. Hierfür wird ein hyperelastisches Materialmodell ausgewählt, das das nicht-lineare Verhalten des Hartschaums unter Druck im relevanten Verformungsbereich hinreichend genau abbildet, und erweitert, um viskoelastische Effekte berücksichtigen zu können. Am Ende dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie das verwendete Materialmodell in die virtuelle Prozesskette integriert werden kann, um das Formfüllverhalten von Faserverbundbauteilen mit Sandwichkern im RTM-Prozess vorhersagen zu können.

Adhesively bonded composite repairs restoring limit load capacity are not yet certified in civil aviation due to a lack of methods suitable for the substantiation of proper bond quality. In our previous paper, we proposed a novel method for process control to resolve this issue. The core of this bondline control technology is a new type of adhesion test that provides proof of bond quality and simultaneously serves as a robust surface pre-treatment for adhesive bonding. The present study describes improvements implemented in the adhesion test and demonstrates the ability of the test to detect bonding defects. Furthermore, the applicability on stepped surfaces common for repair scenarios is investigated. Finally, a test series on the quality of the surface pre-treatment is presented.

Bestandsaufnahmen belegen die oftmals zerstörerische Wirkung von Erdbeben auf Mauerwerk. Dies gilt insbesondere für biegebelastete Wände(out-of-plane). In dieser Arbeit wird ein für diesen Anwendungsfall entwickeltes Ertüchtigungssystem untersucht (auf Wandoberfläche geklebtes Glasfasergewebe). Als Klebstoff wird ein sehr weiches Material auf Polyurethanbasis verwendet. Es wird ein Quantifizierungskonzept für die Verstärkungswirkung des Systems erarbeitet.

Ein innovativer Ansatz verfolgt das Konzept diskontinuierliche SMC Verbunde lokal zu verstärken, um die mechanischen Eigenschaften von strukturellen Komponenten gezielt an ein Anforderungsprofil anpassen zu können. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem ganzheitlichen Ansatz, der darauf abzielt Material-, Struktur- und Bauteileigenschaften eines hybriden kontinuierlich-diskontinuierlichen SMC Verbunds zu untersuchen. Innerhalb jeder Stufe werden dabei die Eigenschaften der individuellen sowie des hybriden Materials betrachtet, um geeignete Kriterien zur Bewertung eines Hybridisierungseffektes zu definieren. Der untersuchte kontinuierlich-diskontinuierliche SMC Verbund zeichnete sich durch ein verbessertes mechanisches Eigenschaftsspektrum, sowohl auf Proben-, Struktur- als auch auf Bauteilebene aus. Die elastischen Eigenschaften konnten im uniaxialen Lastfall mit Hilfe der Mischungsregel und klassischen Laminattheorie sehr präzise analytisch ermittelt werden. Schadensinitiierung des hybriden SMC Verbundes wurde primär von der kontinuierlichen Komponente bestimmt. Zwischenfaserbrüche sowie intra- und interlaminare Delamination traten als dominierende Schädigungsmechanismen auf. Pseudo-Delamination bestimmte das Versagen der diskontinuierlichen Komponente. Allgemein betrachtet ermöglicht die lokale Verstärkung einen vielversprechenden Ansatz, um Material-, Struktur- sowie Bauteileigenschaften gezielt auf einen vorherrschenden Lastfall abstimmen zu können und im Optimalfall ein Eigenschaftsprofil zu generieren, welches besser als die Summe der Eigenschaften der beiden individuellen Komponenten ist.

Die vorliegende Arbeit besch��ftigt sich mit der Simulation von Laminaten aus faserverst��rkten Kunststoffen. Der Entwurf von Strukturen aus faserverst��rkten Kunststoffen wird heutzutage sehr stark durch die Finite Elemente Methode unterst��tzt. Um dieses numerische Mittel zur Vorhersage des Verhaltens der besch��digten Composite-Strukturen verwenden zu k��nnen, muss ein Konstitutivgesetz entwickelt werden, das die Behandlung des nichtlinearen Schichtverhaltens gestattet. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden zwei verschiedenen Materialmodelle miteinander verglichen. Eines der Modelle wurde von Thomas Flatscher am Institut f��r Leichtbau und Struktur-Biomechanik, Technische Universit��t Wien entwickelt. Das andere Materialgesetz wird vom FE-Programm Abaqus/Explicit 6.13. (Dassault Syst��mes Simuia Corp., Providence, RI, USA) kommerziell angeboten. Der Vergleich der zwei Konstitutivgesetze erfolgt anhand der Finite Element Analyse einer Lochplatte aus einem faserverst��rkten Kunststoff unter Zugbelastung. Zur Simulation kommt das Programmes Abaqus/Explizit zum Einsatz, in dem die beiden Materialmodelle implementiert wurden. Zur Validierung der Analysen stehen Messergebnisse zur Verf��gung. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist der Vergleich der Ergebnisse der zwei Materialmodelle und die Bestimmung der Quelle der Abweichungen zwischen den Materialgesetzen., The two constitutive material models are compared with the help of finite element simulations of an open hole specimen subjected to uniaxial tension. The results of the model by Thomas Flatscher will be taken from the literatures. The same simulations will be carried out by the Abaqus/Explicit solver using the ���built-in��� VUMAT. The important aspects of an explicit analysis are summarized in chapter 6. The results of the simulations are compared to experimentally obtained results, which are also in the literatures available. The aim of the present work is to identify the source of the deviations between the two constitutive material models. The results of the simulations are compared to experimentally obtained results, which are also in the literatures available. The aim of the present work is to identify the source of the deviations between the two constitutive material models.

In den letzten Jahrzehnten sind Ansprüche an die Produktqualität in Verbindung mit einer gleichzeitigen Kosteneinsparung immer weiter gestiegen. Besonders im Bereich der Verbundwerkstoffe in Einsatzbereichen wie der Raumfahrt, bei Sportgeräten oder bei Funktional-Objekten werden heute immer höhere Ansprüche gefordert. Das Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, einen Überblick über die Nutzungsmöglichkeiten und Materialeigenschaften von hybriden Verbundwerkstoffen in der Kombination aus Carbon und recycelter Baumwolle bzw. Papier zu ermitteln. Die Basis bildet dabei die Herstellung der verschiedenen Zugversuchsproben und die anschließende Erprobung der maximalen Zugfestigkeit der unterschiedlichen Werkstoffkombinationen. Ein weiterer Aspekt ist die Ermittlung der Kostenverringerung, welche sich durch den Einsatz des neuen Material ermöglichen lässt. Durch die Untersuchung der Proben lässt sich in der Matrixbauweise eine Kosteneinsparung von bis zu 47% bei einer maximalen Zugbelastung von 205,4 N/mm² ermöglichen, was 60% gegenüber Verbundplatten aus reinem Carbonfasern entspricht. Die maximale Zugbelastung von hybriden Carbon-Baumwolle-Proben liegt dabei um 20% niedriger als jener der Carbon-Papier Proben, bieten zugleich aber eine höhere Flexibilität, was den Einsatz des hybriden Verbundwerkstoffs in neuen Bereichen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil von Baumwolle gegenüber Carbon sind die wärmeleitendenden Fähigkeiten, ein Nachteil in der Herstellung zeigte sich hingegen bei der hohen Saugfähigkeit des Harzes. Entscheidet man sich für den Einsatz von Papier-Carbon-Gemischen, lässt sich besonders in der Herstellung von Designobjekten wie Motorblenden, Aussenspiegelkappen oder im Flugzeugbau, eine hohe Kostensenkung bei gleichzeitiger Einsparung von Ressourcen durch umweltschonende Recyclingprodukte ermöglichen. In recent decades, demands for product quality have increased along with a simultaneous cost savings. Particularly in the area of composite materials in applications such as space travel, sports equipment or functional objects, today's demands are increasing. The aim of this Master's thesis is to provide an overview of the potential uses and material properties of hybrid composites in the combination of carbon and recycled cotton or paper. The basis for this is the production of the various tensile test specimens and the subsequent testing of the maximum tensile strength of the different material combinations. Another aspect is the determination of the cost reduction, which can be made possible by the use of new material. By examining the samples, the matrix construction can save up to 47% at a maximum tensile load of 205.4 N/mm², which is 60% higher than composite carbon fiber panels. The maximum tensile load of hybrid carbon-cotton specimens is 20% lower than that of carbon paper specimens, but at the same time provides greater flexibility, enabling the use of the hybrid composite in new areas. Another advantage of cotton compared to carbon are the heat-conductive capabilities, a disadvantage in the production, however, was shown by the high absorbency of the resin. If one opts for the use of paper-carbon mixtures, especially in the production of design objects such as engine covers, exterior mirror caps or in the aircraft industry, a high cost reduction with simultaneous saving of resources by environmentally friendly recycling products can be made possible. vorgelegt von: Lukas Pressler Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2018

Das DLR entwickelt ein neues, einfaches, günstiges und genaues Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit für die Kunststoffindustrie. Der große Vorteil des Verfahrensliegt bei kleineren Probengrößen ,wodurch es sich von herkömmlich eingesetzten Verfahren abhebt. Nutznießer des neuen Verfahrens ist der Forschungsbereich, bei dem sehr teure Werkstoffe und deren Modifikationen zur Anwendung kommen. Die Wärmeleitfähigkeit dient als wichtige Materialkenngröße bei der Konstruktion und Auslegung von Strukturen zur Vorhersage des Thermalverhaltens. Der Kennwert beschreibt die Fähigkeit eines Materials thermische Energie in Form von Wärme zu leiten und kann daher bei korrekter Auslegung dazu beitragen, auftretende Wärmespitzen abzuleiten, und somit elektronische oder mechanische Komponenten vor Überhitzung schützen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit modernen hybriden Holzbaustoffen und hier im Speziellen mit der Verbesserung der Trageigenschaften (vornehmlich Biegeeigenschaften) von Holzträger mit Verbundwerkstoffen. Während Faserverbundwerkstoffe aus vielen industriellen Produktionen nicht mehr wegzudenken sind, wird diesem Gebiet im Bauwesen noch eine geringere Bedeutung zugeordnet. Da Faserverbundwerkstoffe in Kombination mit Holz noch nicht weit verbreitet sind, wird zu Beginn dieser Arbeit ein kurzer Überblick über den derzeitigen Stand der Wissenschaft gegeben. Im nachfolgenden Kapitel werden unterschiedliche Matrixstoffe (Kleber) sowie Verstärkungsfasern sowie deren Verarbeitung als Verbundwerkstoff erläutert, und die für diese Arbeit erforderlichen Kenntnisse über Holz gegeben, wobei hier auf diesen Bereich nicht weiter eingegangen wird. In den Kapiteln 4 bis 6 werden die für den Anwendungsteil benötigten Kenntnisse bezüglich Tragsystem, Simulation sowie Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung gegeben. Kapitel 7 stellt ein Hauptkapitel in dieser Arbeit dar. Hier werden die in den vorherigen Kapiteln theoretisch vermittelten Kenntnisse in 2 Versuchsreihen praktisch mit Basaltfaser angewendet. In der 1.Versuchsreihe steht die Fragestellung, wie sich die Geometrie der Verstärkungslagen auf das Tragverhalten auswirkt. Zusätzlich wird hier noch auf eine Homogenisierung der Trageigenschaften unterschiedlicher Holzgüten (Astigkeit), beides in Kleinteilversuchen, untersucht. In der 2.Versuchsreihe wird basierend auf den Ergebnissen der 1.Versuchsreihe ein hybrider Holzträger entwickelt. Von diesem Hybridträger werden in einem Großteilversuch die mechanischen Eigenschaften E-Modul und Biegedehnung über den Querschnitt festgestellt. Zum Schluss wird dieser Biegeträger nochmals ausführlich beschrieben, außerdem werden mögliche Anwendungen von Faserverstärkungen im Holzbau aufgezeigt. This thesis deals with modern hybrid wood based materials, in particular improving the mechanical properties (e-modulus) of wood beams through reinforcement with composite fibers. While composites are common in many industrial products, the building industry has not put a focus on these kinds of products. Composites are not common in combination with wood, so the first part of this thesis is to show the state of art in science. The following chapter will give a short overview about composites itself, especially the matrix and fibers, and how they will be processed. Chapter 4 – 6 will give a small theoretical overview of the structural system, the simulation and the experimental set up. Chapter 7 is a main chapter of this thesis. Here will the author of this thesis give a practical example of how basalt fiber can be used as reinforcement. This chapter is separated into 2 experimental parts. In the first experimental part is the main focus of, how the mechanical behavior reacts to the geometric of the reinforcement fiber. Additional is the question if it is possible to bring different wood qualities through reinforcement to the same standard. Both will be tested in small part experiments. The 2nd is based on the results of the first experimental part. Here the author constructed a hybrid wood beam. This large wood beam will be tested to the main mechanical behavior, e modulus and the bending stain in the profile. At the end this hybrid wood beam will be detailed described and other possibilities of the use of fiber reinforced composites in timber construction will be shown. vorgelegt von: Thomas Schöll Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Wien, FH Campus Wien, Masterarb., 2017

Pultrusion ist eine etablierte Herstellungstechnik für die Produktion faserverstärkter Kunststoffprofile. Der Prozess ist durch einen relativ hohen Automatisierungsgrad und geringe Investitions- und Betriebskosten im Vergleich zu den meisten anderen Herstellungstechniken für Faserverbundbauteile gekennzeichnet. Als Standard-Variante wird ein offener, mit flüssigem Harz gefüllten Behälter für die Tränkung der Faserverstärkungsmaterialien eingesetzt. Die Verschärfung von Gesetzen zum Schutz von Mitarbeitern am Arbeitsplatz, die Einführung neuer Harzsysteme mit kurzer Topfzeit (z.B. Polyurethane), sowie gestiegene Qualitätsanforderungen für neue Anwendungen (z.B. im Fahrzeugbau) haben einen Trend eingeleitet, der die Pultrusionstechnologie signifikant verändern soll. Die Auslegung von Pultrusionswerkzeugen mit integrierten bzw. zusammengebauten Werkzeugkavitäten, in die Harz eingespritzt wird, das die Verstärkungsstrukturen unmittelbar vor der Aushärtung tränkt, soll die offene Tränkungstechnik ersetzen. In dieser Dissertation werden Simulationstechniken eingesetzt, um Erkenntnisse bzw. ein besseres Verständnis über die physikalischen Prozesse bei der Pultrusion mit geschlossenen Harzeinspritzung und Imprägnierung zu gewinnen: das Fließen vom flüssigen Harz durch ein komprimiertes Faserpaket, Wärmeübertragung zwischen Material und Werkzeug, und die Aushärtung (verbunden mit Änderungen im Materialzustand und Wärmegenerierung durch die exothermische Reaktion). Um diese Prozesse zu untersuchen, werden Materialkennwerte des Harzsystems (Reaktionskinetik und Veränderung der Viskosität während der Aushärtung) und Faserstrukturen (Kompressibilität und Permeabilität) experimentell ermittelt. Ein geometrisches Modell des Werkzeugs und entsprechende Randbedingungen werden in eine kommerzielle Software numerischer Strömungsmechanik (englisch: Computational Fluid Dynamics, CFD) eingepflegt und der Prozess wird simuliert. Ein auf die finite Differenzmethode basiertes Simulationsprogramm wurde entwickelt, um das CFD-Modell zu ergänzen. Die Simulation liefert Druck-, Temperatur-, Viskositäts- und Aushärtegradfelder in der Kavität. Simulationsergebnisse werden mit Prozessparametern aus experimentellen Versuchen abgeglichen, um das Modell zu validieren. Geometrische Details werden parametrisiert, um den Einfluss auf die Prozessbedingungen zu evaluieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der in dieser Arbeit verfolgte ganzheitliche Ansatz, d.h. die Kopplung eines thermochemischen Modells und des Strömungsmodells, zum Erzielen realitätsnahen Vorhersagen, zumindest für hochreaktive Harzsysteme erforderlich ist. Eine Modellerweiterung, welche die Ausdehnung der Werkzeugkavität berücksichtigt, wäre hingegen für eine bessere Vorhersage des Druckanstiegs notwendig. Weiterhin, wäre für bestimmten Werkzeuggeometrien, Materialsystem bzw. Prozessfenster ein transienter Ansatz für eine realitätsnahe Vorhersage und für die Evaluierung der Prozessstabilität sinnvoll.

Dynamisch-mechanische Analyse wird verwendet um die temperaturabhängige, anisotrope viskoelastische Steifigkeit, Schädigungsinduzierte Steifigkeitsdegradation sowie physikalische Alterung von Polypropylen und dem im Fließpressverfahren hergestellten langfaserverstärkten Polypropylen zu untersuchen. Basierend auf Mikro-Computertomographiedaten wird die Approximation linear elastischer Eigenschaften unter Verwendung der Mori-Tanaka-Methode dargestellt.

Ermüdung ist ein Thema, das nicht nur klassische Konstruktionswerkstoffe betrifft, sondern auch moderne Stoffklassen wie Faserverbundwerkstoffe. Somit müssen auch für Faserverbundwerkstoffe Kennwerte ermittelt werden, die eine zuverlässige, ermüdungsgerechte Auslegung erlauben. Insbesondere bei Anwendungen, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungserscheinungen bis in den Bereich sehr hoher Lastspielzahlen hinein erfordern, müssen gesicherte Ergebnisse generiert werden. Die größte Herausforderung bei der Ermittlung von Kennwerten im Bereich jenseits von 107 Lastwechsel besteht in der langen Versuchsdauer, die sich durch die sehr große Anzahl von Lastwechseln ergibt, wenn eine konservative, geringe Prüffrequenz verwendet wird. Eine Möglichkeit diese lange Versuchsdauer zu verkürzen besteht darin, die Prüffrequenz deutlich zu erhöhen. Das führt zu einer Prüfung, die das reale Ermüdungsleben im Zeitraffer abbildet. Zwei Kernaspekte ergeben sich daraus, einerseits muss eine Prüftechnik erforscht werden, die eine erhöhte Prüffrequenz zulässt und andererseits muss gezeigt werden, dass dieser Zeitraffer zulässig ist. Eine erhöhte Prüffrequenz kann mit zwangsgeführten Prüfsystemen nur eingeschränkt realisiert werden. Diese Prüfsysteme müssen stets ihre eigenen Massenkräfte unterdrücken, damit sie nicht in Resonanz geraten und instabil werden. Genau diese Massenkräfte können jedoch zur Lasterzeugung genutzt werden. Hierfür wird ein System ausgelegt, das aus kinetischen und potentiellen Energiereservoirs besteht, zwischen denen die Energien periodisch pendeln können. Wird das System dabei so gestaltet, dass die Materialprobe das potentielle Reservoir darstellt, wird diese Probe durch einen mechanischen Belastungszustand ermüdet. Dieser Belastungszustand kann und muss dabei so gestaltet werden, dass eine eineindeutige Korrelation von Schädigungszustand und verursachter Belastung gefunden werden kann. In dieser Arbeit wird daher das Augenmerk auf einen einachsigen, gradientenfreien Belastungszustand gelegt. Dieser erlaubt die Bestimmung möglichst grundlegender Ingenieurskonstanten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein solcher einachsiger, gradientenfreier Belastungszustand in einem resonant arbeitenden Prüfsystem erzeugt werden kann. Durch die Anpassung der beiden Energiereservoirs aneinander wird eine erhöhte Prüffrequenz von deutlich über 100 Hz erreicht. Zusätzlich zu dem grundlegenden Prüfsystem wird eine Regelung vorgestellt, die zwei Aufgaben hat. Erstens wird die Eigenfrequenz des Systems detektiert und die Anregungsfrequenz darauf angepasst. Zweitens wird die, durch die Resonanzüberhöhung erzeugte, Belastung konstant gehalten. Zeitgleich werden Messaufgaben durch die Regelung übernommen, um den aktuellen Zustand der Probe zu überwachen. Hierzu werden verschiedene Messprinzipien vorgestellt und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für die Messaufgaben bewertet. Abschließend wird der Gültigkeitsbereich hochfrequenter Materialprüfung dargestellt. Hierzu werden vergleichende Messungen bei verschiedenen Prüffrequenzen vorgenommen und daraus abgeleitete Indizien vorgestellt, die die Gültigkeit hochfrequenter Materialprüfung belegen.

Das Resin Transfer Molding (RTM) ist ein Fertigungsverfahren für CFK-Bauteile. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Simulation und Charakterisierung des RTM-Formfüllvorgangs. Für die Simulation werden neue Methoden zur Berücksichtigung der lokalen Faserstruktur und zur Modellierung von Lufteinschlüssen untersucht. Zudem werden prozessnahe Messverfahren zur Bestimmung der Permeabilität des Faserhalbzeuges und zur Charakterisierung des Viskositätsverlaufs der Matrix entwickelt.

In dieser Arbeit wird das Umformverhalten nähgewirkter unidirektionaler Kohlenstofffasergelege (UD-Gelege) experimentell untersucht und ein Modell zur Simulation des Umformverhaltens von UD-Gelegen im Kontext eines automatisierten Preformprozesses entwickelt. Die benötigten Materialparameter werden durch die Simulation der experimentellen Couponversuche identifiziert. Zur Modellvalidierung wird die Umformung von UD-Gelegen in eine Halbkugel und in ein komplexes Karosseriebauteil simuliert.

Zur nachträglichen Verstärkung von Gebäuden gegen Erdbeben werden verschiedene Untersuchungen mit Faserverbundwerkstoffen durchgeführt. Die Untersuchungen umfassen Zugversuche, Schubuntersuchungen an 3-Stein-Kleinkörpern, kleine statisch-zyklische Wandversuche, Biegeversuche an Wandsegmenten, großformatige dynamisch belastete Wandplatten und 5 Gebäudeversuche unter realistischer Echtzeit-Erdbebenbeschleunigung. Abschließend wird ein Bemessungsmodell vorgestellt.