Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), im Speziellen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), besitzen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen bei einer verhältnismäßig geringen Dichte hohe Festigkeitswerte. Die Anforderungen hinsichtlich Emissionsreduzierung und der dadurch gestiegene Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie macht die Verwendung von FVKs zunehmend interessanter. Ein sicherer Betrieb von FVKs über den gesamten Produktlebenslaufzyklus ist nur durch zerstörungsfreie Prüfungen der Bauteile nach definierten Lastzyklen oder Betriebszeiten möglich. Die Schallemissionsprüfung eignet sich hierzu besonders, da sie als passives Prüfverfahren während Belastungstests eingesetzt werden kann. Dabei basiert die Schallemissionsprüfung oder Acoustic Emission Testing (AET oder AT) auf der Detektierbarkeit dynamischer Verschiebungen im Nanometer-Bereich an der Oberfläche von belasteten Prüfobjekten durch hochempfindliche piezoelektrische Sensoren (Messbereich von ca. 50 kHz bis 1 MHz) und deren Umwandlung in weiter verarbeitbare elektrische Signale. Die spezifischen Verschiebungen an der Oberfläche werden durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) erzeugt, die durch temporäre, sehr kleine Materialverschiebungen, bedingt durch beispielsweise das Rückfedern des Materials bei schnell ablaufenden Prozessen wie Rissbildung, Rissausbreitung, Rissuferreibung etc., entstehen können. Die Schallemissionsprüfung bietet die Möglichkeit, dass aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale der jeweiligen schallemittierenden Quellen bei einer ausreichenden Anzahl an Sensoren (mindestens drei bei einer ebenen Ortung) der Ursprung der Schallemissionsquelle berechnet werden kann. Verschiedene Werkstoffkombinationen von FVKs weisen auch eine unterschiedliche Signalcharakteristik bei den emittierten Signalen auf. Die verwendeten Sensoren müssen folglich für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden. Störgeräusche können dabei herausgefiltert werden, wenn sie im für die Schädigung oder dem Schädigungsfortschritt untypischen Frequenzbereich liegen. Hierfür und für das Entfernen von elektromagnetischen Störungen müssen allerdings mehrere Sensoren auf dem Prüfling appliziert sein. In dieser Arbeit wurde die Schallemissionsprüfung als prüfstandsbegleitendes Bewertungsverfahren qualifiziert und zur Bestimmung des Zustandes von Probekörpern und Bauteilen nach und während unterschiedlicher Belastungstests eingesetzt. Dazu wurden Schallemissionsparameter in repräsentativem Umfang zur Bewertung der Strukturintegrität und zur Zuordnung der verschiedenen Schallemissionsparameter zu verschiedenen Schädigungsarten in FVKs ermittelt. Im Detail wurde der Zusammenhang zwischen verschiedenen Schädigungsmechanismen an Couponproben und CT-Aufnahmen untersucht. Des Weiteren wurden die identifizierten Schallemissionsparameter jeweils in Abhängigkeit der eingebrachten Belastung (Maximallast, Belastungshistorie, etc.) auf Couponproben und auf unterschiedlich komplex ausgeführten Demonstratorbauteilen ausgewertet. Hierzu wurde die Übertragbarkeit der bei den Grundlagenversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf Couponprobenebene auf komplexe Gesamtbauteile in zwei Schritten untersucht und validiert. Bei Untersuchungen an Demonstratorbauteilen mit komplexeren Geometrien wurden spezielle schallemissionstaugliche Niederlastprüfszenarien entwickelt und untersucht. Hier stand die Anforderung, das Bauteil bei der notwendigen Belastung für die passiv durchgeführte Schallemissionsanalyse nicht zu schädigen, im Vordergrund. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit dem dargelegten Ansatz eine Zuordnung von Schallemissionsparametern zu unterschiedlichen Schädigungsmechanismen möglich ist. Es ist weiterhin möglich, eine Aussage bezüglich der Strukturintegrität des aus FVKs hergestellten Prüflings zu treffen. Dies ist besonders im Hinblick auf Fragestellungen der Betriebsfestigkeit und der Bauteilzustandsbewertung bei der Bauteil- oder Komponentenentwicklung eine wichtige Zusatzinformation.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Faserverbundwerkstoffe (FVK) 3 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von faserverstärkten Kunststoffen 3 2.2 Schädigungsmechanismen und Versagensarten 5 2.2.1 Zwischenfaserbruch 6 2.2.2 Delamination 6 2.2.3 Faser Pull-Out 6 2.2.4 Debonding 7 2.2.5 Faserbruch 7 2.2.6 Zugversagen 8 2.2.7 Druckversagen 8 2.2.8 Biegeversagen 9 2.2.9 Torsionsversagen 9 3 ZfP für FVK 11 3.1 Allgemein 11 3.2 Grundlagen der Computertomographie 11 3.2.1 Die Röntgenstrahlung 11 3.2.2 Die kontinuierliche Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.3 Die charakteristische Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.4 Prinzip der Computertomographie 13 3.2.5 Computertomographie in der Werkstoff- und Bauteilprüfung 14 3.3 Schallemissionsanalyse im Speziellen 15 3.3.1 Besonderheit der Schallemissionsmessung an komplexen Strukturen/Bauteilen 19 3.3.2 Bisherige Erkenntnisse der Untersuchungen von CFK-Strukturen mit der Schallemissionsanalyse 21 3.3.3 Schallemissionsprozesskette 29 3.3.4 Schallemissionsparameter 37 3.3.5 Analysemöglichkeiten der Schallemissionsparameter 39 4 Verfahrensnachweis auf Couponebene 41 4.1 Vorbetrachtung 41 4.1.1 Testaufbau und Durchführung 41 4.1.2 Versuchskonzept / Auswahl geeigneter Schallemissionsparameter 45 4.2 Zerstörende Vorversuche 47 4.3 Ergebnisse zerstörende Vorversuche 52 4.3.1 Vergleich des Schallemissionsverhaltens konventioneller und zyklischer Versuchsdurchführung 52 4.3.2 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der Lagenanzahl 55 4.3.3 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit des Lagenaufbaus 56 4.3.4 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte der Materialien 60 4.4 Ableitung Versuchskonfiguration und Materialauswahl für nicht zerstörende Prüfung 61 4.4.1 Ergebnisse nicht zerstörende Prüfung 63 4.5 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse 75 4.6 Ergebnisse weitere Vorversuche mit Geometrievarianz 76 4.6.1 Varianz der Probenbreite bei taillierten Proben 77 4.6.2 Varianz der Probendicke durch Vergleich von 4-lagigen zu 6-lagigen Laminataufbauten 79 4.6.3 Varianz der Probengeometrie 80 4.7 Zuordnung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen mittels Computertomographie 83 4.7.1 In-situ Messung Schallemission und CT 86 4.7.2 Analyse und Ergebnisdiskussion 94 4.8 Ergebnisvergleich Vorversuche zu in-situ-Versuche 105 4.9 Schallemissionsergebnisse in Korrelation der CT-Aufnahmen 115 4.10 Zusammenfassung in-situ-Versuche 128 4.11 Parameterstudie zum Einfluss auf Schallemissionsparameter 129 4.12 Zusammenfassung der Ergebnisse auf Couponebene 143 5 Generalisierung und Übertrag auf Bauteile 145 5.1 Vorbetrachtung 145 5.2 Unterschied zwischen Coupon- und Bauteilprüfung 146 5.3 Testaufbau und –durchführung 146 5.3.1 Zerstörende Tests 146 5.3.2 Zerstörungsfreie Tests 151 5.4 Ergebnisse 154 5.4.1 Ergebnisse Rohrprüfung 155 5.4.2 Ergebnisse Räderprüfung 171 6 Zusammenfassung und Ausblick 187

Introduktion: Spirometri är en metod som utförs för att utesluta eller bekräfta en lungsjukdom. Dynamisk spirometri innebär mätning av lungvolymsförändringar över tid och omfattar både långsam och forcerad spirometri. Vid långsam spirometri mäts vitalkapacitet (VK). Vid forcerad spirometri mäts forcerad exspiratorisk volym på en sekund (FEV1), forcerad vitalkapacitet (FVK) och FEV%. Spirometri utförs i sittande position men den kan också utföras i stående position. Syftet med studien var att jämföra och se om det föreligger en signifikant skillnad för VK, FVK, FEV1 och FEV% vid dynamisk spirometri mellan sittande och stående position hos studenter utan känd lungsjukdom.  Material och Metod: Studien bestod av 21 frivilliga studenter med åldrarna 21-32 år, där 18 var kvinnor och tre män. Datainsamlingen utfördes vid Örebro universitet och variablerna som mättes vid undersökningen var: VK, FVK, FEV1 och FEV%. Mätningarna upprepades minst tre gånger i både sittande och stående position och de fick inte skilja sig åt mer än 150 ml. Ett parat t- test användes för att se om det förelåg en statistisk signifikant skillnad i mätvärdena mellan sittande och stående position. Resultat: Det parade t-testet visade att det inte föreligger någon statistiskt signifikant skillnad i variablerna VK (p = 0,19), FVK (p = 0,87), FEV1 (p = 0,37) och FEV% (p = 0,26) mellan sittande och stående position. Slutsats: Det föreligger ingen statistiskt signifikant skillnad för dynamisk spirometri mellan sittande och stående position. För att få en uppfattning om hur kroppsposition påverkar spirometri behövs en större population. / Introduction: Spirometry is a method performed to rule out or confirm a lung disease. Dynamic spirometry involves measuring lung volume changes over time. The dynamic spirometry includes slow and forced spirometry. With slow spirometry, vital capacity (VC) is measured. In forced spirometry, forced exspiratory volume of one second (FEV1), forced vital capacity (FVC) and FEV% are measured. Spirometry is performed in a sitting position but can also be performed in a standing position. The aim of the study was to compare whether there is a significant difference for VC, FVC, FEV1 and FEV% in dynamic spirometry between sitting and standing position in students without known lung disease. Method and Materials: The study consisted of 21 volunteer students aged 21-32, of whom 18 were women and three men. The data collection was performed at Örebro University and the variables that were taken into account when performing it were: VC, FVC, FEV1 and FEV%. The maneuvers were repeated at least three times in both sitting and standing positions and they did not differ more than 150ml. A paired t-test was performed to see if there is a statistically significant difference in the measured values between sitting and standing position. Result: The paired t-test showed that there is no statistically significant difference in the variables VC (p = 0.19), FVC (p = 0.87), FEV1 (p = 0.37) and FEV% (p = 0, 26) between sitting and standing position. Conclusion: There is no statistically significant difference for dynamic spirometry between sitting and standing position. To get an idea of how body position affects spirometry, a larger population is needed.

Im Automobilbau kommt zunehmend das sog. Multimaterial-Design zum Einsatz, um kostenattraktiven Leichtbau in Großserienanwendungen umzusetzen und das Leichtbaupotential von strukturellen Bauteilen in bislang meist monolithischer Bauweise zu erweitern. Die Patch-technologie, bei der die Strukturertüchtigung durch die lokale und anforderungsgerechte Einbringung von endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in dünnwandige metallische Bauteile erfolgt, ist eine zielführende Technologie, um einen hohen Leichtbaugrad zu generieren. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die dauerhafte, flächige Verbindung von Metall und thermoplastbasiertem FKV (TP-FKV) dar. Da die verwendeten Werkstoffe keine hinreichende chemische Kompatibilität aufweisen, wurden bislang Klebstoffe als Fügehilfsstoff genutzt, wodurch jedoch zusätzliche Prozessschritte notwendig wurden und damit verbunden häufig höhere Prozesszeiten auftraten. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Kompatibilisierung der beiden, das hybride Bauteil kennzeichnenden, Werkstoffkomponenten erarbeitet. Der Schwerpunkt wird dazu auf die Entwicklung und Charakterisierung einer inlinefähigen Vorbehandlungsmethode des metallischen Fügepartners in Kombination mit einer Modifikation des thermoplastischen FKV-Halbzeugs bzw. dessen Matrixsystems gelegt. Dabei werden die Einflüsse unterschiedlicher Vorbehandlungen und zugeordneter Vorbehandlungsparameter auf die physikalische und chemische Oberflächenbeschaffenheit des Metalls und das Haftniveau im TP-FKV/Metallverbund untersucht. Darüber hinaus werden mit Hilfe von Füllstoffen und Additiven verschiedene chemische Veränderungen des thermoplastischen Matrixsystems vorgenommen und deren Auswirkung auf die Adhäsion zwischen den Verbundpartnern charakteri-siert. Für die Anwendung des Verbundsystems TP-FKV/Metall in einem Automobil werden neben hohen mechanischen Eigenschaften (Verbundfestigkeit) insbesondere sehr gute Temperatur-, Klimawechsel- und Korrosionsbeständigkeiten gefordert, die in praxisnahen Untersuchungen nachgewiesen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zur prozessintegrativen Anpassung der Komponenten des Werkstoffverbundes werden anschließend in die Praxis übertragen. Dafür wird ein seriennaher Fertigungsprozess entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Einfluss der grundlegenden Prozessparameter Druck, Temperatur und Zeit auf die Güte der Verbindung wird evaluiert. Einfache bauteilnahe Demonstratoren werden genutzt, um die Tauglichkeit der Verbundstrategie und des entwickelten Fertigungskonzeptes der TP-FKV-Patchtechnologie für deren wirtschaftliche Anwendung in der Großserienfertigung im Umfeld der Automobilindustrie nachzuweisen.

Im Automobilbau kommt zunehmend das sog. Multimaterial-Design zum Einsatz, um kostenattraktiven Leichtbau in Großserienanwendungen umzusetzen und das Leichtbaupotential von strukturellen Bauteilen in bislang meist monolithischer Bauweise zu erweitern. Die Patch-technologie, bei der die Strukturertüchtigung durch die lokale und anforderungsgerechte Einbringung von endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) in dünnwandige metallische Bauteile erfolgt, ist eine zielführende Technologie, um einen hohen Leichtbaugrad zu generieren. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die dauerhafte, flächige Verbindung von Metall und thermoplastbasiertem FKV (TP-FKV) dar. Da die verwendeten Werkstoffe keine hinreichende chemische Kompatibilität aufweisen, wurden bislang Klebstoffe als Fügehilfsstoff genutzt, wodurch jedoch zusätzliche Prozessschritte notwendig wurden und damit verbunden häufig höhere Prozesszeiten auftraten. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Kompatibilisierung der beiden, das hybride Bauteil kennzeichnenden, Werkstoffkomponenten erarbeitet. Der Schwerpunkt wird dazu auf die Entwicklung und Charakterisierung einer inlinefähigen Vorbehandlungsmethode des metallischen Fügepartners in Kombination mit einer Modifikation des thermoplastischen FKV-Halbzeugs bzw. dessen Matrixsystems gelegt. Dabei werden die Einflüsse unterschiedlicher Vorbehandlungen und zugeordneter Vorbehandlungsparameter auf die physikalische und chemische Oberflächenbeschaffenheit des Metalls und das Haftniveau im TP-FKV/Metallverbund untersucht. Darüber hinaus werden mit Hilfe von Füllstoffen und Additiven verschiedene chemische Veränderungen des thermoplastischen Matrixsystems vorgenommen und deren Auswirkung auf die Adhäsion zwischen den Verbundpartnern charakteri-siert. Für die Anwendung des Verbundsystems TP-FKV/Metall in einem Automobil werden neben hohen mechanischen Eigenschaften (Verbundfestigkeit) insbesondere sehr gute Temperatur-, Klimawechsel- und Korrosionsbeständigkeiten gefordert, die in praxisnahen Untersuchungen nachgewiesen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse zur prozessintegrativen Anpassung der Komponenten des Werkstoffverbundes werden anschließend in die Praxis übertragen. Dafür wird ein seriennaher Fertigungsprozess entwickelt und prototypisch umgesetzt. Der Einfluss der grundlegenden Prozessparameter Druck, Temperatur und Zeit auf die Güte der Verbindung wird evaluiert. Einfache bauteilnahe Demonstratoren werden genutzt, um die Tauglichkeit der Verbundstrategie und des entwickelten Fertigungskonzeptes der TP-FKV-Patchtechnologie für deren wirtschaftliche Anwendung in der Großserienfertigung im Umfeld der Automobilindustrie nachzuweisen.:1 Motivation 1.1 Einleitung und Problemstellung 1.2 Zielsetzung und Lösungsansatz 2 Theoretische Grundlagen und Stand der Technik 2.1 TP-FKV/Metall-Verbunde 2.2 Fügetechnik von TP-FKV/Metall-Verbunden 2.3 Adhäsion in stoffschlüssigen FKV/Metall-Verbunden 2.3.1 Mechanische Adhäsion 2.3.2 Spezifische Adhäsion 2.3.2.1 Chemische Adhäsion (Chemisorption) 2.3.2.2 Adsorptionstheorie 2.3.2.3 Polarisationstheorie 2.4 Grenzschichtmodell des TP-FKV/Metall-Verbundes 2.4.1 Interleaf-Konzept 2.4.2 Wirkung von siliziumorganischen Verbindungen in der Grenzfläche 2.4.3 Grenzschichtmodell 2.5 Oberflächenbehandlung von Substraten 2.6 Methoden der Haftungsprüfung 2.7 Methoden zur Analyse von Kunststoffen 2.8 Prüfverfahren zur Alterung automobiler Bauteile 2.9 Verfahren zur prozessintegrativen Herstellung hybrider Bauteile 3 FKV-Patchen als hybride Leichtbautechnologie 3.1 Duroplastpatchtechnologie 3.2 Thermoplastpatchtechnologie 3.3 Ableitung der Notwendigkeit zur Eigenentwicklung 3.3.1 Einsatzpotentiale der TP-FKV-Patchtechnologie 3.3.2 Anforderungen an TP-FKV/Metall-Bauteile für automobile Rohbauanwendungen 3.3.3 Schlussfolgerung zur Eigenentwicklung 4 Konzeption eines Fertigungsprozesses für TP-FKV/Metall-Verbunde 4.1 Vorüberlegungen zum Fertigungsprozess 4.2 Voruntersuchungen 4.2.1 Strategien zur Herstellung von TP-FKV/Metall-Hybridverbunden 4.2.2 Schlussfolgerungen zur Herstellung von FKV/Metall-Hybridverbunden 5 Funktionalisierung der Komponenten des Hybridverbundes 5.1 Modifikation der metallischen Verbundkomponente 5.1.1 Vorbehandlungsmethoden 5.1.2 Einfluss der Vorbehandlung auf die Haftung im TP-FKV/Metall-Verbund 5.1.3 Zusammenfassung zur Vorbehandlung der metallischen Komponente 5.2 Modifikation des thermoplastischen Matrixwerkstoffs 5.2.1 Anforderungen an die Modifikation 5.2.2 Materialauswahl zur Modifikation des TP-FKV-Matrixwerkstoffs 5.2.3 Herstellung modifizierter Thermoplasthalbzeuge 5.2.4 Eigenschaften modifizierter Thermoplasthalbzeuge 5.2.5 Einfluss der Thermoplastmodifikation auf die Verbundfestigkeit 5.2.6 Zusammenfassung zur Modifikation des thermoplastischen Matrixwerkstoffs 5.3 Übertragung der Laborerkenntnisse auf einen praxisgerechten Prozess 5.3.1 Vorbehandlung des metallischen Substrats mittels SaCo-Saugstrahlen 5.3.2 Herstellung matrixmodifizierter TP-FKV-Halbzeuge 5.3.3 Charakterisierung der Verbundfestigkeit von TP-FKV/Metall-Hybridverbunden 5.3.4 Zusammenfassung der Verbundstrategie des TP-FKV/Metall Hybridverbundes 6 Entwicklung eines durchgängigen und seriennahen Produktionsprozesses und Nachweis der Praxisfähigkeit am Beispiel eines Technologiedemonstrators 6.1 Serienkonzept 6.2 Ableitung eines Technologiedemonstrators 6.3 Anlagentechnik 6.4 Fertigungsparameter zur Herstellung des Technologiedemonstrators 6.5 Abhängigkeit der Randschichtausbildung von der Profilgeometrie 6.6 Einfluss des automobilen Fertigungsprozesses auf die Bauteilmaßhaltigkeit 6.7 Validierung des Technologiedemonstrators 7 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang A Schneckenkonfiguration und Extrusionsparameter zur Herstellung modifizierter PA6-Granulate B Extrusionsparameter zur Herstellung modifizierter PA6-Folien C Untersuchung der rheologischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von modifiziertem Polyamid 6 C1. Rheologische Eigenschaften – Bestimmung der Scherviskosität C2. Mechanische Eigenschaften – temperaturabhängiger Elastizitätsmodul C3. Thermisches Ausdehnungsverhalten – Bestimmung des differentiellen Wärmeausdehnungskoeffizienten D Bruchverhalten randschichtmodifizierter FKV-Halbzeuge im TP-FKV/Metall-Verbund E Mikroskopie gepatchter Demonstratorprofile

Die Vision bei diesem Projekt bestand darin, zukünftig anstelle massiver Betontragsysteme mit meist ungleichmäßiger Materialausnutzung am Kraftfluss orientierte, filigrane, stabartige Tragwerke zu entwerfen, die sich neben der Gewichtsreduktion und einer höheren Transparenz auch durch eine bessere Ressourcennutzung auszeichnen. Dabei wurde eine modulare Bauweise angestrebt, bei der die Einzelkomponenten Druckstab und vorgespannter Zugstab sowie Teile des Verbindungsknotenelements vorgefertigt und am Einsatzort zusammengefügt werden. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeits- und Verbundeigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit sollten die Stäbe aus faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) bewehrt bzw. vorgespannt werden. Im geförderten Zeitraum lag das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung filigraner, formoptimierter Druck- und vorgespannter Zugstäbe. Zum Knotenelement wurden theoretische Überlegungen sowie erste Tastversuche angestellt. [Aus: Projektidee und Zielsetzung] / The vision of this project was to replace massive concrete structures with mostly inhomogeneous material utilization in the future by designing filigree concrete truss supporting structures in accordance with the principle form follows force instead. Thus, besides weight reduction and a higher transparency also a higher resource efficiency can be achieved. A modular construction method, in which the components compression strut, prestressed tie and connection joint elements are prefabricated and joined together at the construction site, was aspired. With regard to load-bearing capacity and bonding behaviour as well as durability, the struts and ties are made of Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) and are reinforced or prestressed exclusively with non-metallic elements made of f bre-reinforced polymers (FRP). Within the funding period, the focus was on the development of f ligree, shape-optimized struts and prestressed ties. Regarding the connection joint element, theoretical considerations were made and first basic tests were carried out. [Off: Vision and objective]