Dans un composite stratifié, les plis orientés à 0° par rapport à la direction du chargement pilotent souvent la rupture sous chargement de traction. Les fibres procurent l’essentiel de la rigidité et la résistance de ces plis. Dans ces travaux de thèse, le comportement en fatigue des plis à 0° est analysé dans des stratifiés unidirectionnels (UD) et multidirectionnels, au moyen d’essais de fatigue multi-instrumentés. Un protocole expérimental est mis en place pour éviter les ruptures prématurées typiques des essais sur UD. L’évolution en fatigue des ruptures de fibres est identifiée par leur émission acoustique. Les mécanismes de fatigue dominés par la rupture des fibres sont analysés par un modèle aux éléments finis développé à l’échelle des constituants. / Under quasi-static and fatigue tension loads, the failure of a carbon fibre reinforced polymer laminate (CFRP) is usually driven by 0° plies. Carbon fibres give most of the stiffness and strength of these plies. In this work, the fatigue behaviour of 0° plies inside unidirectional (UD) and multidirectional laminates is analysed via multi-instrumented tension-tension fatigue tests. A numerical and experimental study is addressed to perform fatigue tests without the typical premature failures of the UD laminates. The acoustic emissions technique is used to identify the evolution law of fibre breaks. A finite element model is developed at the microscale (fibres and matrix) to analyse the fibre-driven fatigue mechanisms.

Hydraulic systems are used in many fields of applications for different functions like energy storage in hybrid systems. Generally the mass of hydraulic systems plays a key role especially for mobile hydraulics (construction machines, trucks, cars) and hydraulic aircraft systems. The main product properties like energy efficiency or payload can be improved by reducing the mass. In this connection carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with their superior specific strength and stiffness open up new chances to acquire new lightweight potentials compared to metallic components. However, complex quality control and failure identification slow down the substitution of metals by fiber-reinforced plastics (FRP). But the lower manufacturing temperatures of FRP compared to metals allow the integration of sensors within FRP-components. These sensors then can be advantageously used for many functions like quality control during the manufacturing process or structural health monitoring (SHM) for failure detection during their life cycle. Thus, lightweight hydraulic components made of composite materials as well as sensor integration in composite components are a main fields of research and development at the Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) of the TU Dresden as well as at the Leichtbau-Zentrum Sachsen GmbH (LZS).

Die Oberflächenmodifizierung mittels Plasma bei Atmosphärendruck ist eine bekannte und etablierte Technologie. Sie gewinnt aktuell aufgrund der rasant wachsenden Markt- und Entwicklungsnachfrage im Automotive- und Luftfahrttechnikbereich mit deren hohen Anforderungen an Neuentwicklungen auf dem Gebiet der Leichtbau-Komposite immer mehr an Bedeutung. Forderungen, die oftmals an die eingesetzten Plasmaquellen gestellt werden, sind (a) die Behandlungsmöglichkeit großer Oberflächen bei (b) gleichzeitig variierenden Arbeitsabständen von einigen Zentimetern für die Bearbeitung fertiger Bauteilgruppen, (c) die Einsatzmöglichkeit verschiedenster Prozessgase für die Erzeugung einer Vielzahl von spezifischen funktionellen Oberflächengruppen sowie (d) die Integration der Plasmaquelle in die Prozesskette z. B. in Form der Installation an einem Roboterarm. Diese Anforderungen werden derzeit nur durch die LARGE-Plasmaquelle (Long Arc Generator), eine lineare Gleichspannungslichtbogen-Plasmaquelle, erfüllt. Mit ihr sind Flächen auf einer Breite bis zu 350 mm bei Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 100 m min-1 bearbeitbar. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Einsatzgebiete der LARGE-Plasmatechnologie aufzuzeigen und sie zur Industriereife für großflächige Oberflächenmodifizierungen zu entwickeln. Dazu erfolgte eine Optimierung und Weiterentwicklung der Plasmaquelle, konkret dem Elektroden- und Gasverteilerdesign sowie der Stromversorgung. So wurde dem Stromgenerator erstmalig ein PPS-Modul (Puls-Power-Supply-Modul) zur Reglung des Stromes zugeschaltet. Mit diesem wird der Lichtbogenstrom in eine hochfrequente 20 kHz-Schwingung versetzt. Der Strom schwankt dadurch um eine Amplitude von ± 5 – 20 A. Das verhindert ein Festbrennen des Lichtbogenfußpunktes auf der Elektrode und führt so zur Stabilisierung des Lichtbogens. Durch die Plasmaquellenoptimierung und –weiterentwicklung konnte der Argonanteil vollständig reduziert und erstmals 100 % Druckluft als Plasmagas verwendet werden. Um das Potenzial der LARGE-Plasmaquelle für die großflächige Oberflächenmodifizierung zu demonstrieren, wurden vier konkrete Anwendungen aus der Industrie ausgewählt. So wurden zum einen zwei Beispiele aus der Luftfahrttechnik zum strukturellen Kleben mit epoxidharzbasiertem Klebstoffsystem betrachtet und systematisch untersucht: die SiO2-Schichtabscheidung zur Verbesserung der Haftung der Titanlegierungen Ti-6Al-4V und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al und die Plasmabehandlung von CFK zur Umwandlung von silikonbasierten Trennmittelrückständen zur Verbesserung der Adhäsion beim Kleben. Es konnte gezeigt werden, dass mit der LARGE-Plasmatechnologie zwei Materialgruppen erfolgreich plasmabehandelt werden können. Damit ist sie derzeit das einzige Plasmaverfahren bei Atmosphärendruck, mit dem SiO2-Haftvermittlerschichten auf Titanlegierungen sowie eine Trennmittelmodifizierung auf CFK-Oberflächen mit einem variablen Arbeitsbereich von 2 - 6 cm erfolgreich abgeschieden bzw. umgewandelt werden können. Zum anderen wurden zwei Beispiele aus dem Automotivbereich untersucht und der erfolgreiche Einsatz der LARGE-Plasmatechnologie demonstriert: die Plasmafunktionalisierung von Polypropylen zur Verbesserung der Adhäsion von wasserbasierten Lacken sowie die Plasmafeinreinigung und Entfettung von Aluminium. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit zur großflächigen Atmosphärendruck-Oberflächenmodifizierung wurde ein Mobiler LARGE für den Einsatz vor Ort aufgebaut. Mit ihm wird die Marktreife und Konkurrenzfähigkeit dieser Plasmaquelle demonstriert.

Die dielektrischen Eigenschaften, also die Interaktion mit elektrischen Feldern, sind ein wichtiger Qualitätsparameter der Matrix in Faserverbundmaterialien und allgemein in Harzen. Sie werden bisher mit Hilfe von kapazitiven Verfahren oder Hochfrequenzverfahren wie z. B. der Mikrowellentechnik gemessen. Allerdings können beide Verfahren nicht an elektrisch leitfähigen Materialien wie Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) eingesetzt werden und auch bei der Anwendung der Methoden an Kunststoffen oder elektrisch isolierenden Faserverbundmaterialien gibt es Nachteile. So benötigt die kapazitive Messtechnik meist eine spezielle Probenpräparation für quantitative Messungen und erreicht eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung beim Permittivitätsmapping. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Untersuchung einer alternativen, in diesem Kontext neuen Methode zur Charakterisierung dielektrischer Eigenschaften: Die Hochfrequenzwirbelstrommesstechnik, welche bisher zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und magnetischen Permeabilität genutzt wird, wird theoretisch und praktisch hinsichtlich ihres Anwendungspotentials zur Permittivitätsmessung an Epoxidharzen und Faserverbundwerkstoffen diskutiert. Dabei werden zuerst Grundlagen wie Anwendungsfelder für die Nutzung dielektrischer Eigenschaften von Harzen und Verbundwerkstoffen zur Qualitätssicherung bzw. gängige Messverfahren erläutert. Anschließend wird theoretisch gezeigt, warum dielektrische Eigenschaften auf das Hochfrequenzwirbelstrom (HFWS)-Signal wirken. Dabei werden sowohl die Maxwell-Gleichungen genutzt, als auch Finite Elemente (FE)-Simulationen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt dann auf der experimentellen Untersuchung der Permittivitätsmessung mittels HFWS. Es werden verschiedene Anwendungsfälle betrachtet: von zeitlich kontinuierlichen Permittitivitätsänderungen (am Beispiel der Aushärtung von Epoxidharzen), über lokale Permittivitätsabweichungen (in Folge von Defekten, Textureigenschaften oder thermischen Überlasten) bis hin zu quantitativen Permittivitätsmessungen (zur Materialcharakterisierung bzw. Alterungsuntersuchung). Dabei kann gezeigt werden, dass es möglich ist, die Permittivität von Faserverbundwerkstoffen und Epoxidharzen mittels HFWS zu charakterisieren, selbst wenn das zu prüfende Material elektrisch nicht leitfähig ist.

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The strive for lower fuel consumption and downsizing in the automotive industry has led to the use of alternative high performance materials, such as fibre composites. Designing chassis components with composite materials require accurate simulation models in order to capture the behaviour in car crashes. By simplifying the development process of a B-pillar with a new dynamic test method, composite material products could reach the market faster. The setup has to predict a cars side impact crash performance by only testing the B-pillar in a component based environment. The new dynamic test method with more realistic behaviour gives a better estimation of how the B-pillar, and therefore the car, will perform in a full-scale car side impact test. With the new improved tool for the development process, the search for a lighter product with better crash worthiness is done by optimising a steel carbon fibre hybrid structure in the B-pillar. The optimisation includes different carbon fibre materials, composite laminate lay-up and stiffness analysis. By upgrading simulation models with new material and adhesive representation physical prototypes could be built to verify the results. Finally the manufactured steel carbon fibre hybrid B-pillar prototypes were tested in the developed dynamic test method for a comparison to the steel B-pillar. The hybrid B-pillars perform better than the reference steel B-pillar in the dynamic tests also being considerably lighter. As a final result a hybrid B-pillar is developed that will decrease fuel consumption and meet the requirements of any standardized side impact crash test. / Strävan efter lägre bränsleförbrukning och minimalistiskt tänkande inom bilindustrin har lett till användning av alternativa högpresterande material, såsom fiberkompositer. Vid design av chassi-komponenter utav kompositer krävs noggranna simuleringsmodeller för att fånga upp bilens beteende vid en krock. Genom att förenkla utvecklingsprocessen för en B-stolpe med en ny dynamisk testmetod kan produkter bestående av fiberkompositer nå marknaden snabbare. Provuppställningen skall förutse bilens prestanda vid ett sidokrocktest genom att endast testa B-stolpen i en komponentbaserad miljö. Den nya dynamiska testmetoden med ett mer realistiskt beteende skall ge en bättre uppskattning om hur B-stolpen, och därmed bilen, kommer att prestera i ett fullskaligt sidokrocktest. Med utvecklingsprocessens nya förbättrade verktyg kan strävan mot lättare produkter med bättre krocksäkerhet utvecklas genom optimering av en hybrid B-stolpe i stål och kolfiber. Optimeringen innefattar olika kolfibermaterial, laminatvarianter och styvhetsanalyser. Genom att uppgradera simuleringsmodeller med nya material och adhesiva metoder kunde fysiska prototyper tillverkas för att verifiera resultaten. Slutligen testades de tillverkade prototyperna utav stål och kolfiber i den nyutvecklade dynamiska testmetoden för jämförelse mot den ursprungliga stål B-stolpen. Hybrid B-stolparna presterade bättre än referensstolpen utav stål i de dynamiska provningarna och är samtidigt betydligt lättare. Det slutgiltigt resultatet är en utvecklad hybrid B-stolpe som både ger minskad bränsleförbrukningen och uppfyller kraven för ett standardiserat sidokrocktest.

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Dieses Projekt widmete sich einer neuen Bauweise für stabförmige Drucktragglieder aus ultrahochfestem Beton (UHFB), die - als UHFB-Rohre mit Stahlrohren ummantelt - hier als Hybridrohre bezeichnet werden. Durch eine äußere Wickelverstärkung aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden die beiden, für sich alleine betrachtet ausgeprägt spröden Hochleistungsmaterialien UHFB und CFK so kombiniert, dass sie zu besonders leichten Bauteilen hoher Tragfähigkeit mit ausgeprägt duktilem Versagensverhalten zusammengefügt werden. [Aus: Motivation und Zielsetzung] / This project was dedicated to a new construction method for rod-shaped support elements made of ultra-high performance concrete (UHPC), which - as UHPC tubes coated with steel sheets - are called hybrid tubes in this report. Through an exterior wrapping-reinforcement made of carbon fibre reinforced plastic (CFRP), the two high-performance materials UHPC and CFRP, which are distinctly brittle when viewed on their own, are combined in such a way that they form particularly light components of high load-bearing capacity with profound ductile failure behaviour. [Off: Motivation and objective]

FRP stands for Fiber Reinforced Polymer. FRP materials have yet to be introduced inbridge construction in Sweden. Composite materials can through combined componentsand manufacturing processes be tailored to fit advanced bridge designs. FRP materials arestrong, durable and of low weight. FRP materials give the superstructure reduced weightand are therefore a suitable alternative for industrial prefabrication. This report shows thatFRP materials are possible to use in bridge construction. With the introduction of a specificEurocode we are confident that FRP materials will become a competitive alternative inbridge construction in Sweden in the future. / Broar är förenade med stora kostnader, dels för att bygga och dels för att underhålla ochreparera. FRP står för Fiber Reinforced Polymer är ett erkänt material för många andraanvändningsområden, exempelvis flyg och bilindustri. I Europa finns en mängd FRP-broar,men materialet har ännu inte introducerats i någon bro i Sverige.FRP är ett kompositmaterial som genom olika kombinationer av komponenter ochtillverkningsprocesser kan skräddarsys för den aktuella uppgiften i en konstruktion. FRPmaterialär starka, beständiga och har en låg vikt. Fördelar med FRP inom brokonstruktionär att det ger överbyggnaden en minskad egenvikt och därmed är ett lämpligt alternativ attprefabricera industriellt, då bland annat transport- och lyftbarhet gynnas samt att en högbeständighet ger minskat underhåll.Då ingen litteratur hanterar FRP i Brokonstruktion har de intervjuades åsikter varit mycketviktiga för arbetet. Litteraturstudien har legat till grund för en ökad förståelse för egenskaperutmärkande för olika typer av FRP. Intervjuer har utförts med personer som i dagslägetkommit i kontakt med materialet inom brokonstruktion. Detta har gjorts för att nå ett relevantresultat med möjlighet att kunna identifiera materialets för- respektive nackdelar samtanledningen till det låga användandet i Sverige.Rapporten visar att materialet har positiva egenskaper och är möjligt att använda vidkonstruktion av broar. Det saknas i dagsläget en specifik Eurokod som på ett enhetligt sättredovisar hur materialet ska hanteras. Med införandet av en specifik Eurokod och om en nykompetens arbetas fram inom branschen är vi övertygade om att FRP-material kommer attbli ett konkurrenskraftigt alternativ vid brokonstruktion.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sollen in kommenden Fahrzeugprojekten in verstärkter Weise zur Reduzierung des Karosseriegewichtes beitragen. Neue Werkstoffe und Einsatzbedingungen erfordern jedoch in gleichem Maße angepasste Konstruktionen und innovative Fügetechnologien. Um die Realisierung der Gewichtseinsparpotenziale in wirtschaftlich attraktiver Weise zu ermöglichen, muss daher die Fügbarkeit von CFK-Stahl-Verbindungen mittels umformtechnischer Prozesse gewährleistet werden. Insbesondere der bisher unbekannte Einfluss von Fügeimperfektionen stellt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Hemmschwelle für den industriellen Einsatz von CFK im Karosseriebau dar. Um sowohl die Einflüsse von Seiten des umformtechnischen Fügens als auch des werkstofflichen Einsatzgebietes CFK zu berücksichtigen, werden im Rahmen dieser Arbeit alle Teilgebiete der Fügbarkeit inklusive der Wechselbeziehungen zwischen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung analysiert. Aus dem Verständnis der Fügbarkeit als ganzheitliche, globale Querschnittsfunktion und der damit notwendigen Einbeziehung der Produktentstehungs- und Produktnutzungsprozesse wird zudem eine Ergänzung der Fügbarkeit um den Prozesskettengedanken vorgenommen. Durch analytische und experimentelle Betrachtungen wurde eine auf Regressionsanalysen basierende Methodik, bestehend aus der Einbringung, Quantifizierung und Einflussbewertung von Imperfektionen, entwickelt und validiert. Über diese Methodik kann der Einfluss von Fügeimperfektionen gezielt untersucht und beschrieben werden. Die getätigten Untersuchungen wurden zudem zur Weiterentwicklung geeigneter Fügeverfahren für den Einsatz bei CFK-Mischverbindungen genutzt und die gesammelten Erkenntnisse anschließend in Konstruktionshinweise überführt. Nach der Bewertung aller Herausforderungen, die für das Fügen in der automobilen Prozesskette wesentlich sind, kann die Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen mittels umformtechnischer Prozesse als gegeben betrachtet werden. Somit ergibt sich für CFK als Leichtbauwerkstoff, neben der Luftfahrtindustrie, in der Automobilbranche ein weiteres Einsatzfeld im Transportwesen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse dienten so auch als Grundlage für den weltweit ersten industriellen Einsatz des Halbhohlstanznietens bei CFK-Stahl-Verbindungen im neuen BMW 7er.