Fibre-reinforced polymers (FRPs) are becoming increasingly accepted in structural engineering applications. In particular, Carbon-FRP (CFRP) tendons are proving to be promising as prestressing reinforcement for concrete structures. While several studies have been conducted on CFRP-prestressed concrete beams, very little attention has been given to their long-term behaviour at low temperatures. This thesis investigates the behaviour of CFRP prestressed concrete beams in two studies: (a) under sustained loading at low temperature, and (b) under high-cycle fatigue at low temperature. Seven 13 year old, 4.4 m long precast concrete T beams were tested, of which five were prestressed to various levels with CFRP tendons and two with conventional steel strands. In the first study, three beams were exposed to −27 °C while being subjected to a sustained load of 25% of their flexural capacity for 163 days. The sustained load produced cracking in two beams with lower prestress levels. Results were compared to those obtained from three similar beams subjected to the same sustained load at room temperature. Deflection increase under sustained load at low temperature was generally small and similar to that at room temperature. Prestressing strain had a direct relationship with temperature in the CFRP prestressed beams. After being subjected to sustained loading, all seven beams were tested in the second study. Only three of the five CFRP prestressed beams were subjected to cyclic loading, one at −28 °C and two at room temperature, while only one of the two steel prestressed beams was subjected to cyclic loading, at −28 °C. Cyclic loading consisted of 3 million cycles at a frequency of 0.85 Hz. The load range represented 21 to 42% of the flexural capacity of the CFRP prestressed beams and 30 to 60% of that of the steel-prestressed beam. Monotonic tests were run every 1 million cycles. Finally, all seven beams were monotonically loaded to failure. All CFRP prestressed beams survived the 3 million cycles but the steel prestressed beam failed after 185,000 cycles. However, the CFRP concrete bond was weakened by high prestress levels, cyclic loading, and low temperature during sustained loading and loading to failure. This resulted in bond failure at loads ranging from 69 to 91% of the full flexural capacity. Stiffness and camber gradually decreased during cyclic loading. / Thesis (Master, Civil Engineering) -- Queen's University, 2009-12-21 15:16:33.381

Mitigation of the blast risk associated with terrorist attacks and accidental explosions threatening critical infrastructure has become a topic of great interest in the civil engineering community, both in Canada and abroad. One method of mitigating blast risk is to retrofit vulnerable structures to resist the impulsive effects of blast loading. A comprehensive re-search program has been undertaken to develop fibre reinforced polymer (FRP) retrofit methodologies for structural and non-structural elements, specifically reinforced concrete slabs and walls, subjected to blast loading. The results of this investigation are equally valid for flexure dominant reinforced concrete beams subject to blast effects. The objective of the research program was to generate a large volume of research data for the development of blast-resistant design guidelines for externally bonded FRP retrofit systems. A combined experimental and analytical investigation was performed to achieve the objectives of the program. The experimental program involved the construction and simulated blast testing of a total of thirteen reinforced concrete wall and slab specimens divided into five companion sets. These specimens were subjected to a total of sixty simulated explosions generated at the University of Ottawa Shock Tube Testing Facility. Companion sets were designed to study one- and two-way bending, as well as the performance of specimens with simply-supported and fully-fixed boundary conditions. The majority of the specimens were retrofitted with externally bonded carbon fibre reinforced polymer (CFRP) sheets to improve overall load-deformation characteristics. Specimens within each companion set were subjected to progressively increasing pressure-impulse combinations to study component behaviour from elastic response up to inelastic component failure. The blast performance of companion as-built and retrofitted specimens was quantified in terms of measured load-deformation characteristics, and observed member behaviour throughout all stages of response. The results show that externally bonded FRP retrofits are an effective retrofit technique to improve the blast resistance of reinforced concrete structures, provided that debonding of the composite from the concrete substrate is prevented. The test results also indicate that FRP retrofitted reinforced concrete structures may survive initial inbound displacements, only to failure by moment reversals during the negative displacement phase. The experimental test data was used to verify analytical techniques to model the behaviour of reinforced concrete walls and slabs subjected to blast loading. The force-deformation characteristics of one-way wall strips were established using inelastic sectional and member analyses. The force-deformation characteristics of two-way slab plates were established using commonly accepted design approximations. The response of all specimens was computed by explicit solution of the single degree of freedom dynamic equation of motion. An equivalent static force procedure was used to analyze the response of CFRP retrofitted specimens which remained elastic after testing. The predicted maximum displacements and time-to-maximum displacements were compared against experimental results. The analysis indicates that the modelling procedures accurately describe the response characteristics of both retrofitted and unretrofitted specimens observed during the experiment.

The goal of this research was to investigate the tensile fatigue behavior of a carbon fiber / epoxy composite material. Specifically, the stress levels at which cracks initiated in static and fatigue loading in the 90 degree plies of a "quasi-cross ply layup" [0/905]S was investigated. For layups which contain them, cracks in composite laminates initiate and propagate from 90 degree plies (including the ubiquitous "quasi-isotropic layup" 0/±45/90). Thus, this work provides valuable insight into the fatigue behavior of the plies which originate fatigue damage. Unidirectional off-axis 90 degree and 10 degree specimens were also tested, but the bulk of testing was done on the cross-ply laminates. The project sponsors, Boeing, were in the process of extending a failure model to the case of fatigue. The body of work presented here provided empirical data for that effort. Several different inspection techniques were used to investigate for cracking in the 90 degree plies, including: x-ray images, edge replicates, dye penetrants, and optical microscopy. Plots of the stress level at which crack initiation occurred will be presented, as well as images illustrating damage development in these layups. Comparisons are made to the experimental results of other investigations of this type of layup. Explorations of the effect of R-ratio (including R = 0.1 and 0.5), loading frequency (including 3, 10, and 30 Hz), and surface roughness (hand polished specimen edges to 1500 grit smoothness) on fatigue crack initiation were also performed. For the most damaging case (10 Hz, R = 0.1, no polishing), the crack initiation strain (0.00276) was one half of the strain at which cracks initiated in static monotonic loading (0.0054), and was 16% of the cross-ply specimen's (0 degree fiber dominated) ultimate strain value of (0.018).

O presente trabalho avaliou a influência dos concretos de ultra-alto desempenho com fibras (UHPFRC) e sem fibras (UHPC) no reforço de pilares curtos de concreto armado de seção transversal circular e quadrada. Avaliou-se também a adição de armaduras adicionais de reforço e de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em alguns pilares reforçados. Para a avaliação deste novo sistema de reforço optou-se pela realização de um programa experimental e simulações numéricas. É importante ressaltar que no programa experimental, nenhum pilar reforçado possuía seção transversal maior que a seção do pilar de referência. Foi verificado por meio do programa experimental, que as camisas de UHPC apresentaram ruína de natureza frágil e não se recomenda a sua utilização a menos que acompanhada de mecanismos que garantam adequado confinamento do pilar reforçado. Nos pilares circulares e quadrados reforçados com UHPFRC foram verificados, respectivamente, incrementos de resistência de 106,4% e 83,6% onde o concreto do cobrimento foi substituído por UHPFRC, 154,3% e 111,7% onde além da substituição do cobrimento foram inseridas armaduras adicionais e 160% e 85,6% onde houve a colocação de PRFC após a substituição do cobrimento. Todos os pilares reforçados com UHPFRC não apresentaram destacamento da camisa de reforço. Foram realizadas simulações numéricas variando a espessura da camisa de UHPFRC e do número de camadas de PRFC tanto nos pilares de seção circular como nos pilares de seção quadrada. Por meio destas simulações, notou-se que a adição de pequenos incrementos de espessura da camisa de UHPFRC, proporciona elevados incrementos de resistência ao pilar reforçado, ao passo que o aumento do número de camadas de PRFC não influenciaria significantemente no incremento de resistência e sim na ductilidade do conjunto. / The present work evaluated the influence of ultra-high performance concrete with fibers (UHPFRC) and without fibers (UHPC) on the strengthening of short columns of reinforced concrete of circular and square cross section. It was also evaluated the addition of additional reinforcement and carbon fiber reinforced polymers (PRFC) on some strengthened columns. For the evaluation of this new system of strengthening we opted for the realization of an experimental program and numerical simulations. It is important to note that in the experimental program, no strengthened columns had a larger cross section than the reference column section. It was verified through the experimental program that the UHPC shirts presented ruin of a fragile nature and their use is not recommended unless accompanied by mechanisms that guarantee adequate confinement to the strengthened columns. In the circular and square columns strengthened with UHPFRC, respectively, resistance increments of 106.4% and 83.6% were verified, where the cover concrete was replaced by UHPFRC, 154.3% and 111.7%, in addition to the substitution of additional reinforcement were inserted and 160% and 85.6% where PRFC placement was performed after the replacement of the cover. All strengthened columns with UHPFRC did not present detachment of the strengthening jacket. Numerical simulations were performed by varying the thickness of the UHPFRC jacket and the number of PRFC layers on both the circular section columns and the square section columns. Through these simulations, it was noted that the addition of small thickness increments of the UHPFRC jacket would provide high increments of strength to the strengthened columns, while increasing the number of PRFC layers would not significantly influence the increase in strength but rather ductility of the assembly.

Ce travail de recherche vise à évaluer le comportement au fluage de nouvelles structures composites en associant trois matériaux: le bois, le béton fibré ultra-haute performance (BFUP) et des armatures polymères renforcées de fibres de carbone (PRFC). Le but de la conception d'une telle section hybride est de faire usage des meilleures caractéristiques de chaque matériau afin d'augmenter sa capacité portante à l'ultime et/ou en service. Aussi, d'un point de vue du comportement mécanique, cette solution de renforcement vise à apprécier et hiérarchiser l'intérêt d'une telle solution liée aux effets déférés, particulièrement au fluage. La première étape consiste à mener une analyse expérimentale sur le comportement en statique de poutres hétérogènes bois-BFUP. Elle est exécutée afin de mieux comprendre le mécanisme d'endommagement ainsi que la performance pour définir le comportement au fluage. Pour cela, une campagne expérimentale en flexion quatre points portant sur trois poutres, dont une poutre témoin, a été conduite sous sollicitation statique. Les résultats obtenus confirment que les poutres hétérogènes Bois-BFUP apportent une optimisation de capacité portante ainsi que de la rigidité. Les poutres hybrides ont permis d'obtenir le même mode de rupture en flexion et la première rupture s'est produite dans la partie comprimée de BFUP supérieur. La seconde partie de la recherche est consacrée à l'analyse du comportement au fluage de poutres hétérogènes bois-BFUP nécessaire pour prédire les déformations à long terme dans des structures composites hybrides. Dans cette étude, deux types d'essai ont été réalisés : essai en environnement contrôlé et essai en environnement non contrôlé (extérieur). En environnement contrôlé les essais fluage ont commencé sous une charge constante de 24 kN dans le laboratoire avec des températures de 20±5 °C et une humidité relative entre 40% et 60%. Ces conditions climatiques peuvent être considérées comme un environnement de classe 1, conformément à l'Eurocode 5. Les résultats ont montré que la flèche de fluage de la poutre renforcée augmente peu tout au long de l'essai. A l'inverse de ces résultats, l'essai de fluage en environnement variable à l'extérieur du laboratoire, qui peut être considéré comme environnement de classe 3 suivant l'Eurocode 5, montre que les effets différés du bois et du béton jouent un rôle très important dans l'évolution de la flèche finale / This dissertation aims to evaluate the creep behaviour of a new composite structure combined three materials: the wood, the ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) and the polymer fibre reinforced carbon (CFRP) according to their advantages and performances. The conception of such hybrid section is to use the best characteristics of each material to increase its bearing capacity in the ultimate and / or in service. Furthermore, from the point of view of design, this strengthening solution is to assess and prioritize the interests to reduce the deformation caused by the delayed effects, particularly caused by creep. The first part investigated an experimental analysis of the static behaviour of the wood-UHPFRC beam, and should be performed to understand the mechanism of the hybrid beam as well as the performance which are the directions to identify the creep behaviour. A four-points bending test setup on three beams, one beam witness, was conducted under static loading. The results confirm that heterogeneous Timber-UHPFRC beams provide an optimization of bearing capacity and stiffness. The hybrid beams have produced the same flexural mode of failure and the first crack occurred in the upper part of compressed UHPFRC. The second part of the research is devoted to the analysis of creep behaviour of heterogeneous wood beams UHPC necessary to predict long-term deformations in composite structures. In this study, two types of test setups were conducted: test in a sheltered and outdoor environment. In the sheltered environment, the creep test began under a constant load of 24 kN in the laboratory with temperatures of 20 ± 5 °C and a relative humidity between 40% and 60%. These climatic conditions can be considered as the service class 1, according to Eurocode 5. The results showed that the creep deflection of the reinforced beam gradually increases throughout the test. Unlike these results, the creep test in a variable environment outside the laboratory, which can be considered Class Service 3 to Eurocode 5, shows that the effect of time dependency behaviour of wood and concrete plays a very important role in the evolution of the creep deflection of the hybrid beams

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.

Deployable structures made from ultra-thin composite materials can be folded elastically and are able to self-deploy by releasing the stored strain energy. Their lightness, low cost due to smaller number of components, and friction insensitive behaviour are key attractions for space applications. This dissertation presents a design methodology for lightweight composite booms with multiple tape-spring hinges. The whole process of folding and deployment of the tape-spring hinges under both quasi-static and dynamic loading has been captured in detail through finite element simulations, starting from a micro-mechanical model of the laminate based on the measured geometry and elastic properties of the woven tows. A stress-resultant based six-dimensional failure criterion has been developed for checking if the structure would be damaged. A detailed study of the quasi-static folding and deployment of a tape-spring hinge made from a two-ply plain-weave laminate of carbon-fibre reinforced plastic has been carried out. A particular version of this hinge was constructed and its moment-rotation profile during quasi-static deployment was measured. Folding and deployment simulations of the tape-spring hinge were carried out with the commercial finite element package Abaqus/Explicit, starting from the as-built, unstrained structure. The folding simulation includes the effects of pinching the hinge in the middle to reduce the peak moment required to fold it. The deployment simulation fully captures both the steady-state moment part of the deployment and the final snap back to the deployed configuration. An alternative simulation without pinching the hinge provides an estimate of the maximum moment that could be carried by the hinge during operation. This moment is about double the snap-back moment for the particular hinge design that was considered. The dynamic deployment of a tape-spring hinge boom has been studied both experimentally and by means of detailed finite-element simulations. It has been shown that the deployment of the boom can be divided into three phases: deployment; latching, which may involve buckling of the tape springs and large rotations of the boom; and vibration of the boom in the latched configuration. The second phase is the most critical as the boom can fold backwards and hence interfere with other spacecraft components. A geometric optimisation study was carried out by parameterising the slot geometry in terms of slot length, width and end circle diameter. The stress-resultant based failure criterion was then used to analyse the safety of the structure. The optimisation study was focused on finding a hinge design that can be folded 180 degrees with the shortest possible slot length. Simulations have shown that the strains can be significantly reduced by allowing the end cross-sections to deform freely. Based on the simulations a failure-critical design and a failure-safe design were selected and experimentally verified. The failure-safe optimised design is six times stiffer in torsion, twice stiffer axially and stores two and a half times more strain energy than the previously considered design. Finally, an example of designing a 1 m long self-deployable boom that could be folded around a spacecraft has been presented. The safety of this two-hinge boom has been evaluated during both stowage and dynamic deployment. A safe design that latches without any overshoot was selected and validated by a dynamic deployment experiment.

The presented thesis deals with FDM 3D printing method with emphasis on printing carbon fiber reinforced plastic (CFRP). The aim of this thesis is to engineer the FDM 3D printer designed for printing CFRP and to execute the experiment targeted on comparison of CFRP material properties against commonly used 3D printing plastics such as PLA, ABS, PET etc. The device designed in this work has printing area of 200 x 200 mm with maximum height of the object of 200 mm. The printing bed is heated and the whole device is enclosed. There are two kinds of experiments carried out within the thesis. The first one is focused on tensile strength and Young's modulus of selected materials, while the second experiment compares Charpy's impact strength of specimen with different infill percentage on two selected materials, PET and PET filled with chopped carbon fiber.

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