In dieser Arbeit werden die Grundlagen für einen neuartigen robotergestützten Fertigungsprozess erarbeitet, bei dem duroplastisch vorimprägnierte, glasfaserverstärkte Faserverbundhalbzeuge lokal auf metallische Bauteile gepresst und ausgehärtet werden, um mit geringem Materialeinsatz deren Eigenschaftsniveau wesentlich zu steigern. Diese Technologie ist nach aktuellem Stand einzigartig und ermöglicht erstmals das voll-automatisierte Fertigen von Metall-Faserverbund-Hybridstrukturen im automobilen Großserienmaßstab. Diese Arbeit verfolgt auf Grund der hohen Komplexität der Aufgabenstellung einen durchgängigen Ansatz von der Materialauswahl und Prozessbeschreibung über die Struktur- und Prozesssimulation bis zur Bewertung der Eigenschaften am komplexen Bauteil. Als Randbedingung ist in Anlehnung an eine bestehende Karosseriefertigung eine Taktzeit unter 60 s festgelegt. Weiterhin muss aufgrund der begrenzten Presskraft der Industrieroboter und der vorgesehenen Applikationsfläche der notwendige Pressdruck gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden. Durch die ganzheitliche Betrachtungsweise der Problemstellung von der Materialauswahl und dessen Fertigungsparametern über die simulative Betrachtung des Herstellungsprozesses und den strukturellen Material- und Bauteileigenschaften hin zur Bewertung wesentlicher Einflussfaktoren wie Temperatur und Korrosionsbeständigkeit auf die mechanischen Eigenschaften, werden grundlegende Fragestellungen hinsichtlich der Machbarkeit dieser neuartigen robotergestützten Technologie beantwortet. Weiterhin wird durch die industrielle Umsetzung des Fertigungsprozesses im Rahmen einer vollautomatisierten robotergestützten Applikationszelle ein wesentlicher Schritt in Richtung Großserienfähigkeit von Faserverbundstrukturen bewältigt.:1 Einleitung 1 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Anforderung an Material und Prozess 1.3 Vorgehensweise und Methodik 2 Grundlagen 2.1 Faserverbundwerkstoffe im Automobil 2.2 Metall-Faserverbund-Hybridbauweisen: Stand der Technik 2.3 Verwendete Werkstoffe und Halbzeuge 2.4 Literaturüberblick 3 Materialspezifikation und Herstellungsprozess 3.1 Probekörper, Fertigungsvorrichtungen und Prüfmethoden 3.2 Bewertung ausgewählter Prepregs und Auswahl einer Vorzugsvariante 3.3 Ermittlung von Fertigungsparametern zur Erzeugung einer ausreichenden Laminatqualität 3.4 Haftfestigkeit hybrider Verbunde in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 3.5 Bewertung des Einflusses eines zusätzlichen Klebstoffs 3.6 Potenzialbewertung von Metall-Faserverbund-Hybridbauteilen 3.7 Bewertung der Lagenanzahl der Faserverbundverstärkung 4 Modellbildung und Struktursimulation 4.1 Strukturanalyse des Faserverbundmaterials 4.2 Strukturanalyse der Grenzschicht zwischen Metall und Faserverbund 4.3 Strukturanalyse des Hutprofils im 3-Punkt-Biegeversuch 5 Modellbildung und Prozesssimulation 5.1 Mathematische Beschreibung der Reaktivität der Matrix 5.2 Thermo-chemische Kopplung der Materialkennwerte 5.3 Thermo-chemo-mechanische Kopplung der Materialkennwerte 5.4 Simulation des Herstellungsprozesses der Faserverbundplatte 5.5 Simulation des Herstellungsprozesses des Metall-Kunststoff-Hybrid-Streifenprobekörpers 5.6 Sensitivitätsanalyse der Materialkennwerte 5.7 Simulation des Herstellungsprozesses des hybriden Hutprofils 6 Ergänzende Bewertung automobilspezifischer Einflüsse 6.1 Prüftemperatur 6.2 Belastungsgeschwindigkeit 6.3 Klimawechsel und Korrosion 7 Robotergestützter Applikationsprozess 7.1 Konzeptionierung, Aufbau und Inbetriebnahme des Fertigungsprozesses 7.2 Prüfung der hybriden Hutprofile, hergestellt im robotergestützten Applikationsprozess 7.3 Ermittlung der Zykluszeit und Abschätzung für den Serienprozess 8 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Grundlagen B Materialspezifikation und Herstellungsprozess C Modellbildung und Struktursimulation D Prozessmodellierung und Simulation E Bewertung automobilrelevanter Einflüsse

Diese Arbeit ermöglicht ein detailliertes Verständnis der Schwingungsdynamik und Kupplungen in einem Basenpaar-Modellsystem und in künstlichen DNA-Oligomeren bei verschiedenen Hydratationsgraden. Durch die Verwendung von nichtlinearer ultraschneller IR Pump-Probe Spektroskopie sind die Schwingungsbewegungen hydratisierter DNA und die schnellsten Veränderungen in den DNA-Wasser-Wechselwirkungen und Hydrationsgeometrien direkt zugänglich. 2-pyridone/2-hydroxypyridine ist ein Modellsystem für die gekoppelte intermolekularen Wasserstoffbrücken, deren Struktur der von DNA-Basenpaaren ähnelt. In Dichlormethan existiert das Molekül als ein zyklischer 2-Pyridon-Dimer, deren Vorkommern durch NMR-und 2D-FTIR Spektroskopie verifiziert wurde. Die beobachteten kohärente Oszillationen aufgrund niederfrequenter Wellenpaketbewegungen der Dimere können für die Dynamik und räumliche Geometrie der Basenpaare in den DNA-Molekül relevant sein. Transiente Schwingungsspektren eines poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] Film erlauben die Zuordnung von verschiedenen NH-Streckbanden zu einer bestimmten Schwingung der Nukleinbasen und ermöglichen deren Abgrenzung zu den Beiträgen von OH-Streckschwingungen des umgebenden Wassers. Bei einem niedrigen Hydratisierungsgrad verändern die restlichen, an die Phosphatgruppen gebundenen Wassermoleküle, ihre Ausrichtung auf ultraschnellen Zeitskalen nicht. Im Fall vollständig hydratisierter DNA ist die Dynamik der Wasserhülle dem Verhalten des reinen Wassers ähnlicher und man beobachtet spektrale Diffusion der OH-Streckschwingung im Subpikosekundenbereich sowie einen Zerfall der Schwingungsanisotropie durch Molekülrotation und/oder Energietransfer. Die Wassermoleküle der Phosphat-Hydratationshülle dienen als effiziente Wärmesenke für Überschussenergie aus der DNA, wobei die Energietransferzeiten im fs-bereich liegen. Im Gegensatz dazu erfolgt Energietransport innerhalb der DNA auf einer langsameren Zeitskala von 20 ps. / This thesis provides a detailed understanding of vibrational dynamics and couplings in a base pair model system and artificial DNA oligomers at different levels of hydration. By using nonlinear ultrafast infrared pump-probe spectroscopy, the basic vibrational motions of hydrated DNA and the fastest changes in the DNA–water interactions and hydration geometries are directly accessed. 2-pyridone/2-hydroxypyridine is used as a model molecule for coupled intermolecular hydrogen bonds with a structure resembling a DNA base pair. In dichloromethane the molecule predominantly exists as a cyclic 2-pyridone dimer as determined using a combined NMR and 2D FTIR approach. The observed coherent oscillations due to low-frequency hydrogen bond wavepacket motions of the dimers are expected to be relevant for the dynamics and spatial geometry of base pairs in DNA molecule. Transient vibrational spectra of a poly[d(A-T)]:poly[d(A-T)] film enabled the assignment of different NH stretching bands to particular nucleobase vibrations, also discerning them from the OH stretching contributions of the surrounding water. At a low hydration level, residual water molecules, bound to the phosphate groups, do not alter their orientation on ultrafast time scales. In the case of fully hydrated DNA, the dynamics of the water shell are closer to those of bulk liquid water with a sub-picosecond spectral diffusion and a loss of vibrational anisotropy as a result of molecular rotation and/or energy transfer. The water shell around the phosphates serves as a efficient heat sink accepting excess energy from DNA in a femtosecond time domain, whereas the energy transfer within DNA occurs on the time scale of 20 ps.

This work, conceived as a second step in the development of high-performance damping materials suitable for seismic application, describes the preparation and characterization of complex natural rubber-based composites containing hybrid nano- and conventional fillers. The cluster–cluster aggregation model was used to assess the apparent filler networking energy. The values obtained suggested that the presence of the hybrid nanofiller strengthens the filler networking. The same model was used to understand the mechanisms of energy dissipation. The damping coefficient was found to be in the sought range between 10% and 20% (at 0.5 Hz and high shear strain).

Concrete’s great vulnerability against impact demonstrates significant risks of injury for workers and occupants in all building types, especially existing concrete structures in which protection measures were not originally integrated. Beside the social and economic costs directly associated with impact accidents, the reconstruction or replacement of buildings damaged by impact negatively affects the environment and resources. In response to the increasing public concern for safety and sustainability, the DFG Research Training Group GRK 2250 is formed with the core aim to develop significant improvements in the impact resistance of existing concrete buildings by applying thin strengthening layers made of innovative mineral-bonded composites. The introduction of textile-based high-performance reinforcement is highly instrumental in realizing the required functions of thin mineral-bonded strengthening layers. Novel impact-resistant 3D reinforcement is developed on the basis of the innovative 3D cellular weaving technology in this dissertation. Woven 3D cellular structures are characterized by outstanding and customizable mechanical characteristics, owning to the flexible incorporation of elements with different materials and geometries both in in-plane and out-of-plane directions. Based on a systematic and partly iterative development process, impact-resistant woven 3D cellular reinforcements containing impact-load-oriented elements and impact-appropriate material combination are successfully designed and optimized. On the one hand, a series of experiments are conducted to capture the working mechanism of woven 3D cellular structure in mineral-bonded composites loaded under impact, and to understand the effects of critical structure features. On the other hand, feasible weave patterns and effective technological solutions are worked out and implemented to enable a reliable and low-damage manufacturing process. Through a series of impact experiments, it can be strongly evidenced that the developed 3D cellular reinforcement pronouncedly enhances the load bearing capacity, ductility and energy dissipation of mineral-bonded composite undergoing impact, thus, remarkably enhances its impact resistance. The development of impact-resistant woven 3D cellular reinforcements in this dissertation introduces a completely new and unique class of textile-based reinforcement for concrete, as well as mineral-bonded composites, with numerous benefits over the presently available reinforcing structures. A major advantage of the novel 3D cellular reinforcement is the capability to activate and exploit multiple energy dissipation mechanisms using both material and structure properties, through which remarkable impact resistance can be obtained. Thanks to a high degree of versatility and flexibility in material combination and structure design, in combination with a high degree of automation and flexibility of the weaving technology, impact-resistant woven 3D cellular reinforcement that is highly customized to specific impact scenarios can be produced with a significant time and cost efficiency. Furthermore, impact-resistant woven 3D cellular reinforcements possess an integral 3D architecture that ensures a high structure stability, allowing for a speedy casting process with a high placement-accuracy. On that basis, a reasonable production cost and a stable performance of designed functions can be obtained. The successful development of impact-resistant woven 3D cellular reinforcement essentially facilitates the successful creation of high-performance mineral-bonded strengthening layers, through the use of which the impact resistance of existing concrete structures, thus, their sustainable use, significantly enhances.:1 INTRODUCTION AND MOTIVATION 1 2 LITERATURE REVIEW 7 2.1 Fundamentals of concrete and reinforced concrete 7 2.1.1 Normal concrete 7 2.1.2 Structural concrete family 10 2.1.3 Steel reinforced concrete 11 2.1.4 Concrete and reinforced concrete under impact loading 14 2.1.5 Fiber-based reinforcing materials for concrete 18 2.1.6 Fiber reinforced concrete 21 2.1.7 Textile reinforced concrete 22 2.2 Two-dimensional textile concrete reinforcements 24 2.2.1 Welded metal wire mesh 24 2.2.2 Expanded metal mesh 25 2.2.3 Woven 2D reinforcing structures 25 2.2.4 Warp knitted 2D reinforcing structures 27 2.2.5 Stitched 2D reinforcing structures 28 2.2.6 Adhesively-bonded 2D reinforcing structures 29 2.2.7 Discussion of 2D reinforcing structures 30 2.3 Three-dimensional textile concrete reinforcements 33 2.3.1 Assembled 3D reinforcing structures 33 2.3.2 Woven 3D reinforcing structures 34 2.3.3 Warp knitted 3D reinforcing structures 35 2.3.4 Stitched 3D reinforcing structures 36 2.3.5 Adhesively-bonded 3D reinforcing structures 36 2.3.6 Discussion of available 3D reinforcing structures 36 2.4 Woven 3D cellular structures 37 2.5 Conclusion based on literature review 37 3 RESEARCH AIMS AND OBJECTIVES 39 4 PRELIMINARY INVESTIGATION INTO IMPACT BEHAVIOR OF MINERAL-BONDED COMPOSITE REINFORCED WITH WOVEN 3D CELLULAR STRUCTURE 41 4.1 Introduction 41 4.2 Materials under investigation 43 4.2.1 Reinforcement - Reference woven 3D cellular structure 3DWT Ref 43 4.2.2 Matrix - Fine-grained concrete Pagel TF10 44 4.2.3 Comparing reinforcement - Warp knitted 2D structure 2D BZT2 44 4.3 Specimen labeling 45 4.4 Methodology of small-scale plate impact test 46 4.4.1 Specimen preparation 46 4.4.2 Test setup 47 4.5 Preliminary small-scale plate impact test results 47 4.6 Summary and conclusion of preliminary investigation 58 4.7 Derivation of requirements and procedure for developing impact-resistant woven 3D cellular reinforcement 59 5 DEVELOPMENT OF STRUCTURE SYSTEMATICS FOR IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 63 5.1 Fundamentals of woven 3D cellular structure 64 5.1.1 Conventional woven structure 64 5.1.2 Elements of woven 3D cellular structure 65 5.1.3 Formation principles of woven 3D cellular structure 66 5.1.4 Variation possibilities within woven 3D cellular structure 68 5.2 Design concept of mineral-bonded strengthening layers against impact 71 5.3 Requirements for impact-resistant woven 3D cellular reinforcement 73 5.4 Two-plane woven 3D cellular reinforcements 77 5.4.1 Two-plane woven 3D cellular reinforcements with biaxial grids 77 5.4.2 Two-plane woven 3D cellular reinforcements with triaxial grids 81 5.4.3 Two-plane woven 3D cellular reinforcements with quadriaxial grids 82 5.5 Three-plane 3D cellular reinforcements 83 5.6 Material variation 85 5.6.1 Double yarns 85 5.6.2 Hybrid yarns 86 5.7 Selected impact-resistant woven 3D cellular reinforcements for realization and investigation 86 6 DEVELOPMENT OF WEAVE PATTERN FOR IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 89 6.1 Introduction 89 6.2 Two-plane reference structure 3DWT Ref 90 6.3 Two-plane double yarn structure 3DWT DbWi 92 6.4 Three-plane structure 3DWT DbLyr 93 6.5 Two-plane pyramid structure 3DWT Pyr 95 7 DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL SOLUTIONS FOR THE MANUFACTURE OF IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 101 7.1 3D cellular weaving technology 101 7.2 Manufacture of two-plane double yarn structure 3DWT-DbWi 107 7.3 Manufacture of three-plane structure 3DWT-DbLyr 108 7.4 Manufacture of two-plane pyramid structure 3DWT-Pyr 112 8 TENSILE BEHAVIOR OF SHCC CONTAINING IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 117 8.1 Quasi-static tension tests 117 8.1.1 Specimen preparation 117 8.1.2 Test setup 118 8.1.3 Quasi-static tension test results 119 8.2 High-speed tension tests 126 8.2.1 Specimen preparation 126 8.2.2 Test setup 126 8.2.3 High-speed tension test results 127 9 ENHANCEMENT OF IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 131 9.1 Concept of enhanced impact-resistant 3D cellular reinforcement 131 9.2 Weave pattern development of enhanced impact-resistant reinforcement 3DWT Pyr Hyb 134 9.3 Manufacture of enhanced impact-resistant reinforcement 3DWT Pyr Hyb 136 9.3.1 Material selection 136 9.3.2 Carbon rovings impregnation 142 9.3.3 Steel wires straightening and preshaping 142 9.3.4 Weaving and realized structure 143 10 PERFORMANCE OF MINERAL-BONDED STRENGTHENING LAYER WITH IMPACT-RESISTANT WOVEN 3D CELLULAR REINFORCEMENT 147 10.1 Tensile behavior of SHCC reinforced with 3DWT Pyr Hyb 147 10.1.1 Specimen preparation 147 10.1.2 Quasi-static tension test results 148 10.1.3 Dynamic tension test results 154 10.2 Impact behavior of SHCC reinforced with 3DWT Pyr Hyb 157 10.2.1 Materials under investigation 157 10.2.2 Small-scale plate impact test results 159 10.3 SHCC reinforced with 3DWT Pyr Hyb as strengthening layer on the impacted side of concrete core 169 10.4 Summary and conclusion of the performance investigation on mineral-bonded strengthening layer reinforced with 3DWT Pyr Hyb 173 11 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS 175