Im Luftfahrtbereich haben sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten längst als Konstruktionswerkstoffe etabliert. In der Großserienfertigung von Automobilkarosserien kommt diese Materialgruppe jedoch nur zögerlich zum Einsatz. Offensichtlich sprechen noch viele Argumente für den Einsatz von metallischen Werkstoffen: Denn auch Leichtmetalle und pressgehärtete Stähle ermöglichen immer höhere Leichtbaugrade, ohne dabei signifikante Kostensteigerungen zu generieren. Zudem sind Fertigungs- und Montageabläufe für Metallkarosserien etabliert und weitgehend frei von Entwicklungsrisiken. Vor diesem Hintergrund erscheint es schwer, mit neuen Leichtbaumaterialien und den zugehörigen Bauweisen einen Durchbruch erzielen zu können. Dabei zeigt das Produktsegment der Supersportwagen schon deutlich, dass zusätzliche Leichtbaupotentiale durch beanspruchungsgerecht gestaltete und optimierte CFK-Strukturen für den Automobilbau eröffnet werden. Bislang lassen sich derartig optimierte CFK-Strukturen jedoch kaum wettbewerbsfähig in Großserie realisieren. An dieser Stelle ergeben sich Chancen und zugleich neue Herausforderungen für die Produktentwickler: Zum einen sind Faserverbundbauweisen zu erarbeiten, mit denen die Leichtbaupotentiale von CFK weitgehend ausgereizt werden. Zum anderen ist die automatisierte Fertigung bei hohen Taktraten zu ermöglichen. Die Lösung beider Teilaufgaben setzt den Einsatz geeigneter materialspezifischer Konstruktionsmethoden voraus.

Im Luftfahrtbereich haben sich kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten längst als Konstruktionswerkstoffe etabliert. In der Großserienfertigung von Automobilkarosserien kommt diese Materialgruppe jedoch nur zögerlich zum Einsatz. Offensichtlich sprechen noch viele Argumente für den Einsatz von metallischen Werkstoffen: Denn auch Leichtmetalle und pressgehärtete Stähle ermöglichen immer höhere Leichtbaugrade, ohne dabei signifikante Kostensteigerungen zu generieren. Zudem sind Fertigungs- und Montageabläufe für Metallkarosserien etabliert und weitgehend frei von Entwicklungsrisiken. Vor diesem Hintergrund erscheint es schwer, mit neuen Leichtbaumaterialien und den zugehörigen Bauweisen einen Durchbruch erzielen zu können. Dabei zeigt das Produktsegment der Supersportwagen schon deutlich, dass zusätzliche Leichtbaupotentiale durch beanspruchungsgerecht gestaltete und optimierte CFK-Strukturen für den Automobilbau eröffnet werden. Bislang lassen sich derartig optimierte CFK-Strukturen jedoch kaum wettbewerbsfähig in Großserie realisieren. An dieser Stelle ergeben sich Chancen und zugleich neue Herausforderungen für die Produktentwickler: Zum einen sind Faserverbundbauweisen zu erarbeiten, mit denen die Leichtbaupotentiale von CFK weitgehend ausgereizt werden. Zum anderen ist die automatisierte Fertigung bei hohen Taktraten zu ermöglichen. Die Lösung beider Teilaufgaben setzt den Einsatz geeigneter materialspezifischer Konstruktionsmethoden voraus.

Entwicklung eines toroidalen Verbunddruckbehälters zur mobilen Wasserstoffspeicherung mit 700 bar Fülldruck für einen brennstoffzellenbetriebenen mobilen Energieerzeuger mit 5 kW im Rahmen des Förderprojektes 'HZwo:FRAME - Tank'. Für die spritzgegossenen Polymerliner-Halbschalen und deren Laserfügeverfahren wurde ein Polyethylen mit einem akzeptablen Wasserstoffpermeationskoeffizienten ausgewählt. Der metallische Befüllinsert wird im Spritzguss in einer Halbschale integriert. Im Vergleich zu den am Markt erhältlichen zylindrischen Wasserstoff-Druckbehältern ist die gravimetrische H2-Kapazität hinsichtlich des Systemgewichts des entwickelten toroidalen CFK-Druckbehälters geringer. Mit einem Verhältnis von 5,7% des Gesamtgewichts zu Eigengewichts des Speichermediums wird bereits das Ziel für das Jahr 2025 für bordeigene Wasserstoffspeicher für leichte Brennstoffzellenfahrzeuge des U.S. Department of Energy erreicht. Der Ringdruckbehälter wird mit der entwickelten Ringwickelmaschine automatisiert hergestellt. Diese Prototyp-Maschine wurde im Rahmen des Projekts entwickelt und befindet sich derzeit im Aufbau. / Development of a toroidal composite pressure vessel for mobile hydrogen storage with 700 bar filling pressure for a fuel cell operated mobile power generator with a constant electrical output of 5 kW within the funded project “HZwo:FRAME - Tank”. For the injection moulded polymer liner half-shells and the laser joining of those, a polyethylene with a tolerable hydrogen permeation coefficient was investigated. The metallic filling insert will be integrated in one part by injection moulding. Compared to cylindrical hydrogen composite vessels available on the market, regarding the H2 gravimetric capacity regarding the system weight of the developed toroidal composite pressure vessel is lower and already reaches the target for year 2025 for on-board hydrogen storages for light-duty fuel cell vehicles of the U.S. Department of Energy. The toroidal composite pressure vessel will be manufactured automated with the developed ring winding machine. This prototype machine has been developed within the project and is currently under construction.

Die Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht. / Composite constructions provide an opportunity to introduce lightweight design in automotive and other industries. Therefore different kind of materials are combined. Preferably, these are combinations of fibre reinforced plastics and lightweight metal alloys. With the slogan "the right material at the right place" tough and lightweight constructions can be realized. A big challenge the joining of these different materials. Because of big differences in the chemical bindings and in the melting temperature, conventional joining methods cannot be used. To join fibre reinforced plastics (FRP) existing processes were adapted or newly developed. In the course of this work with the modified blind riveting a new approach was developed, which combines mechanical and thermal joining processes. Therefore a rotating blind rivet is penetrated through two overlapping sheets by deforming the sheet material. After that the rivet is set and the process finished. Because of the friction heat the thermoplastic matrix of the FRP is slightly melted and the fibres can be moved without breaking them. Investigations were done mainly with lightweight material combinations. Sheets made out of aluminum and magnesium were joined with glass or carbon fibre reinforced plastic sheets. For a wider application field also combinations of two metal sheets were investigated. All combinations could be joined in a relatively short cycle time and high quality. So it is possible to reach a joining time of under 3 seconds. Under shear load the strength of joints made by modified blind riveting can be up to 68 % higher than conventional riveted joints. It has been shown that the new process can be exploited economically.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Umschnürung von gedrungenen Stahlbetonstützen mittels Kohlefasergelegen. Die durch Epoxidharz mit dem Altbeton verbundenen Kohlefasern (CFK-Umschnürung) bewirken hierbei eine starke Behinderung der Querdehnung des Betons, wodurch dieser in einen dreidimensionalen Spannungszustand versetzt wird. Die Betondruckfestigkeit kann dadurch nachträglich deutlich gesteigert und das Verformungsverhalten positiv beeinflusst werden. Forschungsaufgabe war es, Wissenslücken und aufgeworfene Fragen, die sich aus einer intensiven Literaturrecherche zur Thematik ergaben, zu schließen und einen eigenen Bemessungsansatz zu entwickeln. Hierzu wurden Beton- und Stahlbetondruckglieder mit verschiedenen Abmessungen und Durchmessern sowie unterschiedlichen Längs- und Querbewehrungsgehalten hergestellt. Danach erfolgte die Umschnürung dieser Prüfkörper mit verschiedenen CFK-Materialien in variierenden Dicken und anschließende Bauteiltests in Form von weggesteuerten Druckversuchen. Neben dem Materialverhalten konnten mittels elektrischen Messsystemen, wie z. B. induktiven Wegaufnehmern sowie auf den Prüfkörpern aufgebrachten Dehnungsmessstreifen, auch die Versagenszustände zuverlässig bestimmt werden. Die Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten mündete in empirischen Gleichungen zur Beschreibung der maximalen Druckfestigkeit und Dehnung von CFK-umschnürten Bauteilen aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton. Darüber hinaus konnten Aussagen zur tatsächlichen Bruchdehnung der eingesetzten Kohlefasern getroffen und entsprechende Abminderungsfaktoren abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der Datenreihen anderer Forschergruppen wurde die eigene Datenbasis vergrößert und die gewonnenen Erkenntnisse bestätigt. Als Ergebnis steht ein empirischer Bemessungsansatz zur Verfügung, der Bemessungsgleichungen zur Querschnittstragfähigkeit und zugehörigen Dehnung von CFK-umschnürten unbewehrten und bewehrten kreisrunden Stützenquerschnitten bietet. Darüber hinaus können Spannungs-Dehnungs-Beziehungen hergeleitet werden. Durch die Entwicklung von charakteristischen Bemessungsgleichungen gelingt eine einfache Implementierung in bestehende Sicherheitskonzepte. Das entwickelte Modell oder Teile davon eignen sich zur Verwendung in den zur Entstehungszeit der Dissertation vorhandenen Bemessungsvorschriften oder können zu deren Verbesserung herangezogen werden. / This thesis deals with the confinement of short reinforced concrete (RC) columns by carbon-fibre-sheets (CF sheet). In doing so, the connection of concrete surface and CF sheet is enabled by an epoxy resin (CFRP confinement). Thereby, concrete’s lateral expansion is efficiently restricted in cases of imposed axial compressive deformation; therefore, the elastic CFRP resisting response generates an ever increasing lateral compressive stress state on concrete, leading to structural upgrade of the member core to provide a remarkable higher concrete strength and sufficient deformability. Research assignment was to solve open-ended questions and knowledge gaps, which unfolded during an intense literature review, and to present an own proposal of a material model. For this, plain and reinforced concrete columns with different geometrical shape, variable diameter, and different longitudinal and transverse reinforcement elements were produced, and were confined with different CF sheets in variable thickness. Executed deformation controlled compression tests provided investigations concerning the structural behaviour of the test specimens, and electrical measurement techniques such as LVTD and strain gauges enabled a sufficient monitoring of failure modes. The evaluation and interpretation of the received data resulted in empirical equations to predict the ultimate strength and accompanying ultimate axial strain of CFRP confined columns with and without reinforcement. Furthermore, the tests allowed conclusions concerning the rupture strain of the deployed CFRP confinements, and leaded to FRP efficiency factors, capable to predict the actual ultimate strain of the reinforcing fibres. Further data bases, which are available in literature, confirmed the own proposals. As a result, this thesis provides an empirical material model, which deals with proper design equations to predict the load bearing capacity and the deformability of CFRP confined plain and reinforced circular concrete columns. Moreover, it is possible to generate entire stress-strain curves in axial direction. Developed characteristic equations and values allow an easy implementation in existing limit state concepts. The developed model or parts of it are sufficient to be implemented in design guidelines, or they may help to enhance them.

Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe im Strukturleichtbau ziviler Luftfahrzeuge wird erheblich durch Produktionsautomatisierung getrieben. Einzelne Komponenten der für die Verarbeitung der duroplastischen Werkstoffe genutzten Automated-Fiber-Placement Anlagen bieten jedoch noch erhebliches Potential für die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Prozesses. Insbesondere ist der prozessspezifische Entwicklungs- und Kenntnisstand des Erwärmungssystems gegenüber der Verfahrensvariante mit thermoplastischen Werkstoffen weniger fortgeschritten. So weisen die dort genutzten Diodenlaser Vorteile in der Reaktionszeit, der Homogenität der Erwärmung und ihrer Regelbarkeit gegenüber den im AFP genutzten Infrarotstrahlern auf. Letztere haben jedoch einen geringeren Bauraumbedarf sowie geringere Kosten und Sicherheitsanforderungen. Um die Vorteile beider Erwärmungssysteme für das AFP zu kombinieren, wurde in dieser Arbeit ein neuartiges Erwärmungssystem entwickelt. Kernstück des Lösungsansatzes ist dabei die Nutzung von LEDs als Strahlungsquellen. Grundlegende Prozess- und Materialuntersuchungen ermöglichen die Auswahl geeigneter LEDs und deren Anordnung zu einem prozessgerechten LED-Strahler. Dessen anlagentechnische Integration zu einer Strahlereinheit ermöglicht eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung, um ohne weitere Hilfsmittel eine Anpassung an unterschiedliche Prozessgegebenheiten zu erlauben. Zur Erprobung wurde die Strahlereinheit in eine Versuchsumgebung, welche den AFP-Prozess vereinfachend auf Labormaßstab abbildet, integriert. Die Baumraumbeschränkungen üblicher Infrarotstrahlersystem finden hierbei Berücksichtigung. In der Erprobung wurden bidirektionale Laminate hergestellt und die erzielte Oberflächentemperatur gemessen. Dabei zeigte sich, dass das neuartige Erwärmungssystem sehr gut geeignet ist, den benötigten Wärmeeintrag für den Prozess zuverlässig zu liefern. Anschließend wurde in weiteren Versuchen festgestellt, dass das vorliegende System prinzipiell bereits in der Lage ist, den Anforderungen eines industriellen Prozesses in puncto erzielbarer Ablegegeschwindigkeit gerecht zu werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Reaktionszeit beim Anfahren und Stoppen des Ablegekopfes durch eine aktive Kontrolle des Profils der abgegebenen Strahlung kurzgehalten und so ein sehr gut kontrollierbares Erwärmungsverhalten erzielt werden kann. Da für eine robuste Prozessgestaltung auch eine präzise Vorhersage der Erwärmung des Materials vonnöten ist, wurde ein numerischen Modell des Energieeintrags und der dadurch verursachten Erwärmung entwickelt. Dabei war es zudem das Ziel, die lokale Verteilung des eingebrachten Wärmestroms zu analysieren und mit dem neuartigen Erwärmungssystem vorhersehbar zu beeinflussen. Dazu wurde ein optisches Modell entwickelt, welches auf numerischer Basis den Energieeintrag jeder einzelnen LED in das Substrat zu bestimmen gestattet. In der anschließenden Simulation wurde eine Konfiguration ermittelt, welche eine nahezuhomogene Verteilung der eingebrachten Wärmeleistung über der bestrahlten Fläche ermöglicht. Die Berechnungsergebnisse konnten zudem auf rein optischer Basis mit sehr guter Übereinstimmung experimentell validiert werden. Der so bestimmte Wärmestrom wurde zudem als Eingangsgröße für ein Prozessmodell der Erwärmung genutzt. Für dieses Prozessmodell wurde ein erweiterter zweidimensionaler Ansatz genutzt, um den dreidimensionalen Erwärmungsvorgang effizient abzubilden. In der abschließenden Validierung zeigte sich eine prinzipiell hohe Übereinstimmung von Theorie und Experiment. Die Fähigkeit des neuartigen LED-Erwärmungssystems, die Temperaturgradienten normal zur Ablegerichtung im bestrahlten Substrat gezielt einstellen zu können, wurde dabei bestätigt. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte, neuartige LED-Erwärmungssystem ermöglicht durch die Kombination der Vorteile von Infrarotstrahlern und Diodenlasern wesentliche Fortschritte für die Weiterentwicklung des industriellen AFP. So ergeben sich durch die Verwendung standardisierter LEDs und dem damit ermöglichten flexiblen Aufbau des Erwärmungssystems Möglichkeiten zur Kostensenkung in der Entwicklung neuer Ablegeanlagen. Der Betrieb und die Wartung solcher Anlagen kann zudem energieeffizienter und damit günstiger gestaltet werden. Weiterhin ergibt sich durch die zuverlässigere Messung der Temperatur die Möglichkeit, robustere Regelkreise zu integrieren. Dies wird weiter begünstigt durch die schnelle Reaktion der Strahlungsquellen, was zudem eine Reduktion der Fertigungszeit insbesondere bei komplexen Bauteilen ermöglicht.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik 2.1 Faser-Kunststoff-Verbunde in der Luftfahrt 2.2 Automatisierte Ablegeverfahren 2.3 Bestehende Erwärmungssysteme für Ablegeverfahren 2.4 LEDs als Strahlungsquellen 2.5 Vergleich der Erwärmungssysteme 3 Entwicklung eines LED-basierten Erwärmungssystems 3.1 Anforderungen, Rahmenbedingungen und Zielgrößen 3.1.1 Anforderungen 3.1.2 Rahmenbedingungen 3.1.3 Zielgrößen 3.2 Anlagenkonzept 3.3 Entwicklung eines LED-Strahlers 3.3.1 Prozessmodell zur Auslegung 3.3.2 Spektrales Absorptionsverhalten des Materials 3.3.3 Auswahl geeigneter LEDs 3.3.4 Anordnung der LEDs zu einem LED-Strahler 3.4 Weitere Komponenten und Integration des LED-Strahlers 3.4.1 Aufbau einer Steuereinheit 3.4.2 Aufbau eines Versuchsstands 3.4.3 Montagekörper der LED-Strahlereinheit 3.4.4 Integration des Erwärmungssystems 3.5 Erprobung des Erwärmungssystems 3.5.1 Ablegeversuche 3.5.2 Variieren von Geschwindigkeit und Leistung 3.5.3 Einstellen der Reaktionszeit 3.6 Ergebnisdiskussion 4 Prozessmodell zum optischen Energieeintrag 4.1 Modellentwicklung 4.1.1 Modellannahmen 4.2 Numerische Implementation 4.2.1 Abbilden der diskreten Geometrie 4.2.2 Berechnen des Wärmestroms, der Wärmestromdichte und der Bestrah- lungsstärke 4.3 Simulieren unterschiedlicher Eingangsverteilungen 4.3.1 Eingangsverteilung aus Auslegung und Ablegeversuchen 4.3.2 Einstellen unterschiedlicher Verteilungen 4.4 Validierung 4.4.1 Versuchsaufbau und -durchführung 4.4.2 Auswertung 5 Prozessmodell des Erwärmungsvorgangs 5.1 Modellentwicklung und Materialparameter 5.1.1 Anforderungen und Annahmen 5.1.2 Materialparameter 5.2 Implementierung und Berechnung 5.2.1 Implementierung 5.2.2 Berechnung und Simulationsergebnisse 5.3 Validierung des thermischen Modells 5.3.1 Methodik und Versuchsaufbau 5.3.2 Auswertung und Vergleich mit Simulationsergebnissen 6 Potenzialanalyse zum Einsatz des LED-Erwärmungssystems 6.1 Kostensenkung in der Anlagenentwicklung und im Betrieb 6.2 Verbesserung der Prozesskontrolle 6.3 Verkürzung der Prozesszeit 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erzielen ihre herausragende Festigkeit und Steifigkeit durch exakte Anpassung der Faserverläufe im Bauteil an die im Einsatz wirkenden Belastungen. Für eine Qualitätskontrolle und eine Optimierung der Fertigungsverfahren ist daher ein Verfahren notwendig, das in der Lage ist, die Faserorientierung in 3D-Preforms (mehrlagigen, drapierten Vorformlingen aus trockenen Carbonfasern) und 3D-CFK zerstörungsfrei zu messen und mit der Soll-Faserorientierung zu vergleichen. Die derzeit für die Faserorientierungsmessung eingesetzten optischen bzw. Röntgen-CT-Verfahren sind hierfür nur beschränkt geeignet, da optische Verfahren auf die oberste Lage und Röntgen-CT-Verfahren auf Kleinproben beschränkt sind. In dieser Arbeit wird daher ein Verfahren entwickelt, das die Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und -CFK zerstörungsfrei messen kann. Grundlage hierfür ist die Hochfre-quenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der Verläufe der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen, übereinander gestapelten Lagen des CFK erlaubt. Um hierauf aufbauend eine vollauto-matische Faserorientierungsmessung zu schaffen, wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung komplex geformter 3D-Oberflächen entwi-ckelt. Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild der Oberfläche wird anschließend über einen auf lokaler Abwicklung und Fouriertransformation beruhenden Algorithmus die lokale Faserorientie-rung in den einzelnen Lagen gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die Messunsicherheit des Verfahrens wird anhand systematischer experimenteller Untersuchungen an 2-, 4-, 6- und 8-lagigen 2D-Gelegestapeln quantifiziert. Untersucht wird hierbei auch der Einfluss der Materialparameter (Gelegetyp) sowie der Messparameter (Spulenanordnung, Spulendurch-messer, Sensororientierung, Messfrequenz) auf die sich ergebende Messunsicherheit, woraus Empfehlungen für die Wahl von Sensor und Messfrequenz abgeleitet werden. Das entwickelte Messverfahren wird anschließend an zwei 3D-Anwendungsfällen validiert. Als erster Anwendungsfall wird ein vierlagiges, komplex geformtes CFK-Bauteil betrachtet. Es wird gezeigt, wie mithilfe des entwickelten Messverfahrens die Faserorientierung aller vier Lagen zerstörungsfrei erfasst werden kann. Verschiedene Exemplare desselben Bauteils werden hinsicht-lich der Faserorientierung verglichen. Anschließend wird im zweiten Anwendungsfall ein automati-scher Drapierprozess zu einer Halbkugel betrachtet, bei dem verschiedene, ein-, zwei und vierlagi-ge textile Halbzeuge hinsichtlich der sich ausbildenden Faserorientierung nach der Drapierung verglichen werden, mit dem Ziel, das Verformungsverhalten mehrlagiger Strukturen besser zu verstehen und Empfehlungen für die Halbzeugauswahl abzuleiten. In einem abschließenden Schritt werden Schnittstellen geschaffen, um die Faserorientierungsmes-sung in den CFK-Entwicklungsprozess zu integrieren. Zum einen wird durch eine Schnittstelle zur Drapiersimulation ein quantitativer Vergleich zwischen vorausgesagter und Ist-Faserorientierung möglich, zum anderen wird gezeigt, wie die gemessenen Faserorientierungen der Einzellagen direkt zur Parametrierung von Struktursimulationen verwendet werden können. Das entwickelte Verfah-ren ermöglicht damit eine fundierte Festigkeits- und Steifigkeitsanalyse mit den zerstörungsfrei gemessenen Faserorientierungen nach dem Umformprozess.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblick / The superior strength and stiffness of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) results from an exact adaptation of the component’s fiber orientation to the external loads during service. Quality control, as well as development and optimization of the production processes, thus require a method to non-destructively measure the fiber orientation in 3D preforms (draped multilayer stacks made of dry carbon fibers) and CFRP. Currently, this fiber orientation measurement is done by optical or X-ray computer tomography methods, which are limited, however to the uppermost, optical visible fabric layer (optical methods) or to small sample sizes (X-ray computer tomography). Therefore, this thesis develops a method to non-destructively measure the 3D fiber orientation in multi-layer 3D preforms and CFRP. The starting point for this development is the technique of high-frequency eddy current testing, which allows an imaging of the individual carbon yarn courses in multiple stacked textile layers. In order to develop a fully-automated fiber orientation measure-ment process with this technique, in a first step a robot path planning is developed that allows the complete scanning of a complexly-shaped 3D surface with an eddy current sensor. From the resulting 3D eddy current image of the surface, the local fiber orientation of the individual layers is measured by local development (flattening) of the surface and a Fourier transformation. The uncertainty of measurement for this method is quantified from experiments with 2-, 4-, 6- and 8-layer 2D non-crimp fabric stacks. The influence of the material parameters (type of fabric) as well as of the measurement parameters (sensor type, coil diameter, sensor orientation, measure-ment frequency) is evaluated. Recommendations for the choice of sensor and measurement frequency are derived. The developed measurement method is subsequently validated with two different 3D application cases. As a first application case, a four-layer, complexly-shaped CFRP component is analyzed. It is shown how the developed measurement method can be used to non-destructively measure the fiber orientation of all four layers. Different specimen of the same CFRP component are compared regarding fiber orientation. The second application case is an automated draping process to a hemispherical shape, for which one-, two- and four-layer textile fabrics are compared regarding the fiber orientation after draping, in order to better understand the forming properties of multi-layer structures and derive recommendations for the choice of textile. In the final step, software interfaces are developed to integrate the fiber orientation measurement into the CFRP design and development process. It is integrated with a draping simulation, to allow a quantitative comparison of the predicted and the measured fiber orientations. Furthermore, it is shown how the measured fiber orientation of the individual fabric layers can be used for the parametrization of finite element structural simulations. The developed measurement method thus lays the base for a substantiated strength and stiffness analysis based on the component’s actual as-is fiber orientation after the draping process.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblick

Das Prinzip eines Schwungmasseenergiespeichers (kurz SMS), d. h. kinetische Energie in rotierenden Massen zu speichern, ist bekannt. In den letzten Jahren haben SMS durch ihre Eigenschaft, große Leistungen bei hohen Zyklenzahlen aufzunehmen/abzugeben, an Attraktivität gewonnen. Durch Neu- und Weiterentwicklungen auf den Gebieten der Leistungselektronik, bei der Herstellung hochfester Werkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (kurz CFK, von: carbonfaserverstärkter Kunststoff) für Rotor und Schwungmasse und in der Lagertechnik sind energieeffiziente und sichere SMS bis zu 150 kWh machbar. Mit einem Leistungsband von 0,5-50 MW eignet sich die SMS-Technologie zur Stabilisierung von Verbundnetzen. Dieser Beitrag gibt einen generischen Einblick in die ingenieurwissenschaftlichen Arbeiten an einer Hochgeschwindigkeitsschwungmasse. Dazu wird die strategische Herangehensweise vorgestellt. Die Herausforderungen bei der Gestaltung der hybriden Metall-CFK-Strukturen des Laufzeugs werden vertieft. / The principle of a flywheel storage system (FSS for short), i.e., to store kinetic energy in rotating masses, is well described. In recent years, FSS have become more attractive due to their ability to receive/deliver large power at high cycle rates. Due to new and further developments in the fields of power electronics, in the production of high-strength materials such as carbon fiber reinforced plastics (short CFRP) for rotor and flywheel and in bearing technology, energy-efficient and safe FSS up to 150 kWh are possible. With a power range of 0.5-50 MW, FSS technology is suitable for stabilizing interconnected power grids. This paper gives a generic insight with respect to the engineering work on a high-speed flywheel. The strategic approach is presented. The design challenges regarding the hybrid metal-CFRP structures of the rotating assembly are deepened.

Eine ortsauflösende Spannungs- und Dehnungssensortechnik soll durch die Nutzung magnetostriktiver Materialien auf der Oberfläche von Kohlenstoffeinzelfasern (C-Fasern) und Mikrofeinstrukturierung dieser Schichten erzeugt und zur elektronischen Überwachung des Belastungszustandes von sicherheits- oder servicerelevanten Faserverbundbauteilen eingesetzt werden. Eine auf lokaler Gasphasenabscheidung und Mikrostrukturierung mittels der Focused Ion Beam (FIB)-Technik beruhende Sensorfabrikationsmethode wurde gemeinsam mit dem Institut für Mikrotechnologie Hannover (imt) entwickelt. Mehrschichtig mittels CVD und PVD bedampfte und zusätzlich galvanisch beschichtete C-Fasern weisen neuartige Eigenschaften auf, die im vorgestellten Vorhaben am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (LVW) charakterisiert wurden. Insbesondere die Untersuchung der verschiedenen Schichten sowie deren Interfaces nehmen eine bedeutende Rolle ein.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Umschnürung von gedrungenen Stahlbetonstützen mittels Kohlefasergelegen. Die durch Epoxidharz mit dem Altbeton verbundenen Kohlefasern (CFK-Umschnürung) bewirken hierbei eine starke Behinderung der Querdehnung des Betons, wodurch dieser in einen dreidimensionalen Spannungszustand versetzt wird. Die Betondruckfestigkeit kann dadurch nachträglich deutlich gesteigert und das Verformungsverhalten positiv beeinflusst werden. Forschungsaufgabe war es, Wissenslücken und aufgeworfene Fragen, die sich aus einer intensiven Literaturrecherche zur Thematik ergaben, zu schließen und einen eigenen Bemessungsansatz zu entwickeln. Hierzu wurden Beton- und Stahlbetondruckglieder mit verschiedenen Abmessungen und Durchmessern sowie unterschiedlichen Längs- und Querbewehrungsgehalten hergestellt. Danach erfolgte die Umschnürung dieser Prüfkörper mit verschiedenen CFK-Materialien in variierenden Dicken und anschließende Bauteiltests in Form von weggesteuerten Druckversuchen. Neben dem Materialverhalten konnten mittels elektrischen Messsystemen, wie z. B. induktiven Wegaufnehmern sowie auf den Prüfkörpern aufgebrachten Dehnungsmessstreifen, auch die Versagenszustände zuverlässig bestimmt werden. Die Auswertung und Interpretation der gewonnenen Daten mündete in empirischen Gleichungen zur Beschreibung der maximalen Druckfestigkeit und Dehnung von CFK-umschnürten Bauteilen aus unbewehrtem oder bewehrtem Beton. Darüber hinaus konnten Aussagen zur tatsächlichen Bruchdehnung der eingesetzten Kohlefasern getroffen und entsprechende Abminderungsfaktoren abgeleitet werden. Unter Berücksichtigung der Datenreihen anderer Forschergruppen wurde die eigene Datenbasis vergrößert und die gewonnenen Erkenntnisse bestätigt. Als Ergebnis steht ein empirischer Bemessungsansatz zur Verfügung, der Bemessungsgleichungen zur Querschnittstragfähigkeit und zugehörigen Dehnung von CFK-umschnürten unbewehrten und bewehrten kreisrunden Stützenquerschnitten bietet. Darüber hinaus können Spannungs-Dehnungs-Beziehungen hergeleitet werden. Durch die Entwicklung von charakteristischen Bemessungsgleichungen gelingt eine einfache Implementierung in bestehende Sicherheitskonzepte. Das entwickelte Modell oder Teile davon eignen sich zur Verwendung in den zur Entstehungszeit der Dissertation vorhandenen Bemessungsvorschriften oder können zu deren Verbesserung herangezogen werden. / This thesis deals with the confinement of short reinforced concrete (RC) columns by carbon-fibre-sheets (CF sheet). In doing so, the connection of concrete surface and CF sheet is enabled by an epoxy resin (CFRP confinement). Thereby, concrete’s lateral expansion is efficiently restricted in cases of imposed axial compressive deformation; therefore, the elastic CFRP resisting response generates an ever increasing lateral compressive stress state on concrete, leading to structural upgrade of the member core to provide a remarkable higher concrete strength and sufficient deformability. Research assignment was to solve open-ended questions and knowledge gaps, which unfolded during an intense literature review, and to present an own proposal of a material model. For this, plain and reinforced concrete columns with different geometrical shape, variable diameter, and different longitudinal and transverse reinforcement elements were produced, and were confined with different CF sheets in variable thickness. Executed deformation controlled compression tests provided investigations concerning the structural behaviour of the test specimens, and electrical measurement techniques such as LVTD and strain gauges enabled a sufficient monitoring of failure modes. The evaluation and interpretation of the received data resulted in empirical equations to predict the ultimate strength and accompanying ultimate axial strain of CFRP confined columns with and without reinforcement. Furthermore, the tests allowed conclusions concerning the rupture strain of the deployed CFRP confinements, and leaded to FRP efficiency factors, capable to predict the actual ultimate strain of the reinforcing fibres. Further data bases, which are available in literature, confirmed the own proposals. As a result, this thesis provides an empirical material model, which deals with proper design equations to predict the load bearing capacity and the deformability of CFRP confined plain and reinforced circular concrete columns. Moreover, it is possible to generate entire stress-strain curves in axial direction. Developed characteristic equations and values allow an easy implementation in existing limit state concepts. The developed model or parts of it are sufficient to be implemented in design guidelines, or they may help to enhance them.