Die Dissertation widmet sich dem Schneiden von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem Laserstrahl. Herausforderung ist dabei der thermisch und optisch inhomogene Aufbau dieser Werkstoffklasse. Die Untersuchungen erfolgten an technisch relevanten Werkstoffen, basierend auf Glasfasern und thermoplastischer Matrix sowie Kohlenstofffasern mit duroplastischer Matrix. Eine grundlegende Betrachtung zur Werkstoff-Laserstrahl-Wechselwirkung zeigte zunächst den Einfluss der jeweiligen Einzelwerkstoffe und deren Mischungsverhältnis auf die absorbierten Anteile von einfallender Laserstrahlung mit den Wellenlängen λ = 1,07 µm und λ = 10,6 µm. Besondere Beachtung wurde dem Ansatz der simultanen Bearbeitung der Werkstoffe mit Laserstrahlung beider Wellenlängen gewidmet. Zielstellung war, bei gleichen optischen Randbedingungen die gute Fokussierbarkeit der Strahlung mit der Wellenlänge λ = 1,07 µm auszunutzen, um hohe Intensitäten auf dem Werkstoff zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm genutzt werden, um hohe absorbierte Anteile der einfallenden Laserstrahlung, vorranging im Matrixwerkstoff zu erhalten. Bei Verwendung eines Remote-Bearbeitungssystems können die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstoff minimiert und so hohe Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt werden. Mit dem Mischungsverhältnis der Laserleistungen der jeweiligen Strahlquellenanteile steht dem zukünftigen Anwender ein neuartiger Freiheitsgrad zur Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde der Einfluss dieses Parameters auf die Schneidbarkeit der Werkstoffe dargestellt. Der Endanwender erhält so eine grundlegende Orientierung zum Schneidverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge sowie der Schnittorientierung gegenüber der Faserorientierung der Werkstoffe.

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

Die Arbeit beschreibt die skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit textiler Verstärkungsstruktur, die ausgehend von den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile (Mikroskala) und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund (Mesoskala) die rechnerische Vorhersage des effektiven Materialverhaltens des Verbundes (Makroskala) ermöglicht. Neben Schädigungsprozessen beeinflusst insbesondere das dehnratenabhängige Materialverhalten der polymeren Matrix das mechanische Verhalten des Verbundes. Dieser Einfluss wird anhand verschiedener Glasfaser-Polypropylen-Verbunde numerisch untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell bildet dabei das nichtlineare Materialverhalten von Polypropylen ab. Die Modellierung der textilen Verstärkungsstruktur erfolgt durch Anwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Anhand des Vergleichs von rechnerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen erfolgt schließlich die Verifikation der vorgeschlagenen Modellierungsstrategie. / This contribution covers the trans-scale modelling and simulation of the mechanical behaviour of textile-reinforced polymers. Starting from the material properties of the individual constituents (micro-scale) and their geometrical arrangement (meso-scale), the effective material behaviour of the composite (macro-scale) is numerically predicted. In addition to damage processes, the inelastic deformation behaviour of the composite is influenced by the strain-rate dependent material behaviour of the polymeric matrix. This influence is numerically investigated for different glass-fibre-polypropylene composites. A viscoplastic material model accounts for the nonlinear mechanical behaviour of polypropylene. The complex textile reinforcement is modelled by the eXtended finite element method (XFEM). A comparison of computed and experimental results allows for the verification of the proposed modelling strategy.

In diesem Preprint werden grundlegende Gleichungen zur Behandlung von transversal isotropem Materialverhalten zusammengetragen. Wir betrachten ein transversal isotropes Materialgesetz mit linear elastischem Verhalten. Die angegebenen Materialgleichungen sind zur Beschreibung sowohl kleiner als auch großer Deformationen geeignet. Sie bilden eine wesentliche Grundlage zur Lösung statischer Probleme mit der Methode der finiten Elemente. Es werden Gleichungen für den ebenen Spannungszustand und den ebenen Verzerrungszustand hergeleitet.

Die Dissertation widmet sich dem Schneiden von Faser-Kunststoff-Verbunden mit einem Laserstrahl. Herausforderung ist dabei der thermisch und optisch inhomogene Aufbau dieser Werkstoffklasse. Die Untersuchungen erfolgten an technisch relevanten Werkstoffen, basierend auf Glasfasern und thermoplastischer Matrix sowie Kohlenstofffasern mit duroplastischer Matrix. Eine grundlegende Betrachtung zur Werkstoff-Laserstrahl-Wechselwirkung zeigte zunächst den Einfluss der jeweiligen Einzelwerkstoffe und deren Mischungsverhältnis auf die absorbierten Anteile von einfallender Laserstrahlung mit den Wellenlängen λ = 1,07 µm und λ = 10,6 µm. Besondere Beachtung wurde dem Ansatz der simultanen Bearbeitung der Werkstoffe mit Laserstrahlung beider Wellenlängen gewidmet. Zielstellung war, bei gleichen optischen Randbedingungen die gute Fokussierbarkeit der Strahlung mit der Wellenlänge λ = 1,07 µm auszunutzen, um hohe Intensitäten auf dem Werkstoff zu erzeugen. Gleichzeitig sollte die Strahlung mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm genutzt werden, um hohe absorbierte Anteile der einfallenden Laserstrahlung, vorranging im Matrixwerkstoff zu erhalten. Bei Verwendung eines Remote-Bearbeitungssystems können die Wechselwirkungszeit zwischen Laserstrahlung und Werkstoff minimiert und so hohe Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt werden. Mit dem Mischungsverhältnis der Laserleistungen der jeweiligen Strahlquellenanteile steht dem zukünftigen Anwender ein neuartiger Freiheitsgrad zur Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde der Einfluss dieses Parameters auf die Schneidbarkeit der Werkstoffe dargestellt. Der Endanwender erhält so eine grundlegende Orientierung zum Schneidverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge sowie der Schnittorientierung gegenüber der Faserorientierung der Werkstoffe.

Der großindustrielle Einsatz von langfaserverstärkten Kunststoffen in strukturell tragenden Strukturen steht aufgrund der komplexen Abhängigkeit des Eigenschaftsprofils von den gewählten Herstellungsrandbedingungen noch immer am Anfang. Während der Herstellung können sich die Fasern innerhalb der Polymermatrix, aufgrund von unterschiedlichen Wechselwirkungen umorientieren. Darüber hinaus kann es während der Formfüllung von komplexen Strukturbereichen zu einer Faser-Matrix-Separation (FMS) kommen. Eine zuverlässige Vorhersage des Bauteilverhaltens kann daher nur erreicht werden, wenn technologische Einflüsse aus der gesamten Historie des Herstellungsprozesses berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit einer vollständig durchgängigen virtuellen Prozesskette am Beispiel eines glasfaserverstärkten SMC-Werkstoffs entwickelt und anhand unterschiedlicher Kriterien bewertet. Aufgrund der großen Auswahl an unterschiedlichen Lösungsansätzen zur Umsetzung einer integrativen Simulationskette besteht aktuell noch eine große Unsicherheit bei der Nutzung und Anwendung der unterschiedlichen Tools. Dahingehend soll diese Arbeit dem Anwender eine Entscheidungshilfe geben, indem die vorgestellten Modelle anhand von zwei unterschiedlichen komplexen Bauteilformen mittels unterschiedlicher Kriterien sowohl in der Abschätzung der Herstellungsgenauigkeit als auch in der mechanischen Auslegung mittels einer integrativen Simulation getestet und verglichen werden.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung 2 Stand der Forschung 2.1 Sheet Moulding Compound 2.1.1 Definition und Charakteristika 2.1.2 Verarbeitung von SMC-Halbzeugen 2.2 Prozessinduzierte Eigenschaftsverteilung bei SMC-Werkstoffen 2.2.1 Faser-Suspensions-Regionen 2.2.2 Faserorientierungsverteilung 2.2.3 Faser-Matrix-Verteilung 2.2.4 Einfluss der Fasertopologie auf die mechanischen Eigenschaften von SMC-Werkstoffen 3 Integrative Simulation von langfaserverstärkten Pressmassen 3.1 Fließpresssimulation SMC 3.1.1 Grundlagen der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 3.1.2 Überblick Prozesssimulationsmethoden 3.1.3 Tensorbasierte Ansätze 3.1.4 Direktmodellierte Ansätze 3.2 Mappingverfahren für integrative Simulation 3.3 Struktursimulation für SMC-Werkstoffe 3.3.1 Grundlagen der Struktursimulation 3.3.2 Übersicht verwendeter Homogenisierungsansätze 3.3.3 Effektive-Feld-Theorie 3.3.4 Festigkeits- und Versagenskriterien 4 Materialcharakterisierung von SMC 4.1 Materialauswahl und Probenherstellung 4.1.1 Materialsystem 4.1.2 Probenherstellung 4.1.3 Bewertung der Pressprofile zur Probenherstellung 4.2 Ermittlung der prozesstechnischen Parameter 4.2.1 Dichte und thermische Eigenschaften 4.2.2 Rheologische Eigenschaften 4.2.3 Faser-Interaktionskoeffizienten 4.2.4 Mechanische Faserkennwerte 4.3 Analyse der Faserverteilung und -architektur 4.3.1 Präparation der Prüfkörper 4.3.2 Analyse des Faservolumengehalts 4.3.3 Analyse der Faserarchitektur 4.3.4 In-Situ CT-Analyse 4.4 Werkstoffmechanische Charakterisierung 4.4.1 Harzpaste 4.4.2 Zugversuch 4.4.3 Biegeversuch 4.4.4 Validierungstest auf Komponentenebene – Punchtest 4.4.5 Validierungstest auf Komponentenebene – Wabendrucktest 5 Ergebnisse der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 5.1 Kriterien zur Bewertung der SMC-Prozesssimulation 5.1.1 Annahmen 5.1.2 Bewertungskriterien 5.2 Prozesssimulation der Plattengeometrie 5.2.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.2.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.2.3 Kinematisches Modell 5.2.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.2.6 Bewertung und Vergleich 5.3 Prozesssimulation der Wabengeometrie 5.3.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.3.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.3.3 Kinematisches Modell 5.3.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.3.6 Bewertung und Vergleich 6 Integrative Struktursimulation für die SMC-Verarbeitung 6.1 Numerische Methoden – Annahmen und Modellbeschreibung 6.2 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Grundlagenversuche 6.2.1 CT-basierter Ansatz 6.2.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.2.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.2.4 Kinematisches Modell 6.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.2.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.2.7 Bewertung und Vergleich der Grundlagenversuche 6.3 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Wabendruckversuche 6.3.1 CT-basierter Ansatz 6.3.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.3.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.3.4 Kinematisches Modell 6.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.3.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.3.7 Bewertung und Vergleich der Wabendruckversuche 6.4 Fazit ganzheitlich integrativer Simulationsansätze für die SMC-Verarbeitung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Darstellung Faserorientierungszustände A.2 Analytische Lösung Eshelby Tensor A.3 Rekonstruktion des Faserorientierungstensors 4. Ordnung A.4 Übersicht Herstellungsbedingungen der SMC- und Reinharzprüfkörper A.5 Pressenverläufe der Wabenherstellung A.6 Reaktionsmodell SMC A.7 FVG Ergebnisse aus CT-Analyse der Wabenkonfiguration A und B A.8 Auswertung FOT Prozesssimulation UT30 und UT90 A.9 Herleitung Hele-Shaw-Ansatz A.10 Auswertung FVG der Wabenkonfiguration A und B – feines Netz A.10.1 Tensorbasiertes Modell A.10.2 Kinematisches Modell A.10.3 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung A.11 Auswertung Steifigkeit und Festigkeit – Grundlagenversuche A.12 Darstellung Kraft-Weg- und Energie-Weg-Verläufe – Wabendruckversuche

Mit multiaxialen Gelegen auf Basis der Kettenwirktechnik stehen hervorragende textile Halbzeuge für die Weiterverarbeitung als Verstärkungskomponente in Faser-Kunststoff-Verbunden zur Verfügung. Die bisherige Konfiguration der für die Herstellung dieser Textilien verwendeten Nähwirkmaschinen führt verfahrensbedingt zu einem unsymmetrischen Produktaufbau mit üblicherweise nur einer Fadenlage in Gelegelängsrichtung und ebenso zu Einschränkungen bei der Anordnung des Bindefadens im Textil. Durch die Erweiterung des Nähwirkprozesses wird es möglich, Nähwirkstoffe mit einer beliebigen Abfolge der Einzellagen herzustellen, zum Beispiel in symmetrischer Anordnung. Die neuen Varianten der Lagenanordnung und der Bindungskonstruktion bilden den Ausgangspunkt für die Produktentwicklung am Beispiel zweier Anwendungen aus den Bereichen der Faser-Kunststoff-Verbunde und des textilbewehrten Betons. Hier wird deutlich, dass über die Herstellung symmetrischer Gelege hinaus der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses die Eigenschaften der Gelege und der Endprodukte vorteilhaft beeinflussen kann. Aus den untersuchten Beispielen und grundsätzlichen Betrachtungen leitet sich ab, unter welchen maschinentechnischen Voraussetzungen der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses sinnvoll ist. Es wird ein Konzept entwickelt, auf dessen Grundlage Nähwirkstoffe mit variabler Lagenanordnung auf Nähwirkmaschinen gefertigt werden können. / Multiaxial multi-ply fabrics made by warp knitting are excellently suited for the application in fiber reinforced composites. The usual configuration of the stitch-bonding machines, which are used to produce these fabrics, necessarily leads to composite laminates with an asymmetric layer arrangement and only one layer of yarns in the zero degree direction of the fabric. The variability of patterning with the binding yarn is also limited. By completing the stitch-bonding process with an additional work step it is possible to produce stitch-bonded fabrics without any restrictions concerning the arrangement of the individual layers in the fabric, for example with a symmetric composition. This is the basis for the development of two exemplary products in the fields of textile reinforced plastics and textile reinforced concrete. It can be shown that the application of the extended stitch-bonding process is advantageous beyond the layer arrangement, positively affecting the mechanical properties of the fabric and the composite. From these examples, conclusions are drawn regarding the configuration of future stitch-bonding machines.

Die Arbeit beschreibt die skalenübergreifende Modellierung und Simulation des Werkstoffverhaltens von Faser-Kunststoff-Verbunden mit textiler Verstärkungsstruktur, die ausgehend von den konstitutiven Eigenschaften der Verbundbestandteile (Mikroskala) und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund (Mesoskala) die rechnerische Vorhersage des effektiven Materialverhaltens des Verbundes (Makroskala) ermöglicht. Neben Schädigungsprozessen beeinflusst insbesondere das dehnratenabhängige Materialverhalten der polymeren Matrix das mechanische Verhalten des Verbundes. Dieser Einfluss wird anhand verschiedener Glasfaser-Polypropylen-Verbunde numerisch untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell bildet dabei das nichtlineare Materialverhalten von Polypropylen ab. Die Modellierung der textilen Verstärkungsstruktur erfolgt durch Anwendung der erweiterten Finiten-Elemente-Methode (XFEM). Anhand des Vergleichs von rechnerisch und experimentell gewonnenen Ergebnissen erfolgt schließlich die Verifikation der vorgeschlagenen Modellierungsstrategie. / This contribution covers the trans-scale modelling and simulation of the mechanical behaviour of textile-reinforced polymers. Starting from the material properties of the individual constituents (micro-scale) and their geometrical arrangement (meso-scale), the effective material behaviour of the composite (macro-scale) is numerically predicted. In addition to damage processes, the inelastic deformation behaviour of the composite is influenced by the strain-rate dependent material behaviour of the polymeric matrix. This influence is numerically investigated for different glass-fibre-polypropylene composites. A viscoplastic material model accounts for the nonlinear mechanical behaviour of polypropylene. The complex textile reinforcement is modelled by the eXtended finite element method (XFEM). A comparison of computed and experimental results allows for the verification of the proposed modelling strategy.

Mit multiaxialen Gelegen auf Basis der Kettenwirktechnik stehen hervorragende textile Halbzeuge für die Weiterverarbeitung als Verstärkungskomponente in Faser-Kunststoff-Verbunden zur Verfügung. Die bisherige Konfiguration der für die Herstellung dieser Textilien verwendeten Nähwirkmaschinen führt verfahrensbedingt zu einem unsymmetrischen Produktaufbau mit üblicherweise nur einer Fadenlage in Gelegelängsrichtung und ebenso zu Einschränkungen bei der Anordnung des Bindefadens im Textil. Durch die Erweiterung des Nähwirkprozesses wird es möglich, Nähwirkstoffe mit einer beliebigen Abfolge der Einzellagen herzustellen, zum Beispiel in symmetrischer Anordnung. Die neuen Varianten der Lagenanordnung und der Bindungskonstruktion bilden den Ausgangspunkt für die Produktentwicklung am Beispiel zweier Anwendungen aus den Bereichen der Faser-Kunststoff-Verbunde und des textilbewehrten Betons. Hier wird deutlich, dass über die Herstellung symmetrischer Gelege hinaus der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses die Eigenschaften der Gelege und der Endprodukte vorteilhaft beeinflussen kann. Aus den untersuchten Beispielen und grundsätzlichen Betrachtungen leitet sich ab, unter welchen maschinentechnischen Voraussetzungen der Einsatz des erweiterten Wirkprozesses sinnvoll ist. Es wird ein Konzept entwickelt, auf dessen Grundlage Nähwirkstoffe mit variabler Lagenanordnung auf Nähwirkmaschinen gefertigt werden können. / Multiaxial multi-ply fabrics made by warp knitting are excellently suited for the application in fiber reinforced composites. The usual configuration of the stitch-bonding machines, which are used to produce these fabrics, necessarily leads to composite laminates with an asymmetric layer arrangement and only one layer of yarns in the zero degree direction of the fabric. The variability of patterning with the binding yarn is also limited. By completing the stitch-bonding process with an additional work step it is possible to produce stitch-bonded fabrics without any restrictions concerning the arrangement of the individual layers in the fabric, for example with a symmetric composition. This is the basis for the development of two exemplary products in the fields of textile reinforced plastics and textile reinforced concrete. It can be shown that the application of the extended stitch-bonding process is advantageous beyond the layer arrangement, positively affecting the mechanical properties of the fabric and the composite. From these examples, conclusions are drawn regarding the configuration of future stitch-bonding machines.

Derzeitige Entwicklungen auf dem Gebiet der Antriebstechnik sind einerseits geprägt durch stetig steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit technischer Erzeugnisse und andererseits durch eine zunehmende Verkürzung der Entwicklungs- und Produktlebenszyklen. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten in diesem Zusammenhang aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig hoher Flexibilität ein außergewöhnliches Potential für den Einsatz in Antriebswellen. Im Bereich der Lasteinleitungssysteme für Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise werden umfassende Untersuchungen zum Schädigungs- und Versagensverhalten bei Torsionsbelastung vorangetrieben. Eine praxistaugliche Methode zur effizienten Gestaltung und Auslegung derartiger hybrider Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise ist derzeit jedoch nicht verfügbar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise zur Erarbeitung praxistauglicher und werkstoffgerechter Gestaltungs- und Auslegungshinweise für hybride Antriebswellen in Metall/Faser-Kunststoff-Verbund-Bauweise am Beispiel der Pinverbindung erarbeitet. Dafür werden an der Pinverbindung die auftretenden Schädigungs- und Versagensphänomene bei der Einleitung von mechanischen Lasten identifiziert und modellhaft-experimentell untersucht. Basierend auf den dabei gewonnenen Erkenntnissen werden im Ingenieuralltag einsetzbare Gestaltungs- und Auslegungshinweise abgeleitet.:1 Einleitung 1 1.1 Zielstellung und Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Literaturübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 Struktur und Schädigungsverhalten der Pinverbindung unter Torsionslast 11 2.1 Die Pinverbindung als Lasteinleitung in Faserverbund-Antriebswellen . 11 2.2 Fertigungstechnologie und Verbundstruktur . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Verformungs- und Schädigungsvorgänge im Lasteinleitungsbereich . . . 23 3 Numerische Beanspruchungsanalyse der Gesamtverbindung 29 3.1 Modellbeschreibung und Simulationsplanung . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Ergebnisdarstellung und -interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4 Experimentelle Schädigungsanalyse und Kennwertermittlung 46 4.1 Planung und Spezifikation der Strukturversuche . . . . . . . . . . . . . 46 4.2 Prüfkörperfertigung und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . 47 4.3 Verhalten der Pinverbindung unter Torsionslast . . . . . . . . . . . . . 50 4.4 Ermittlung technologiespezifischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . 59 4.5 Zusammenfassende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 Numerische Versagensanalyse 67 5.1 Makroskopische Versagensanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . 67 5.1.1 Werkstoffmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.2 Modellierung der Gesamtstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.1.3 Schädigungsanalyse der metallischen Lasteinleitung . . . . . . . 72 5.1.4 Parametervariation und -analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Mesoskopische Versagensanalyse der Faserverbund-Welle . . . . . . . . 79 5.2.1 Skalenübergreifendes FE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Anstrengungen des Laminates im Pineinflussbereich und im freien Wellenbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.3 Ergebnisinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6 Schädigungs- und Versagensbedingungen und Interaktionsanalyse 90 6.1 Relevante Schädigungs- und Versagensmoden und korrelierende Parameter 90 6.2 Formulierung der Versagensbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3 Parameterinteraktionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7 Praxisgerechte Gestaltungs- und Auslegungshinweise 97 7.1 Gestaltungs- und Auslegungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.1.1 Phase 1: Gestaltung und Auslegung der Welle . . . . . . . . . . 99 7.1.2 Phase 2: Gestaltung und Auslegung der Nabe . . . . . . . . . . 102 7.1.3 Phase 3: Auslegung der Pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.2 Exemplarische Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 8 Zusammenfassung 121 Literaturverzeichnis 123 A Anhang 137 A.1 Experimentelle Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 A.2 Numerische Schädigungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 A.3 Ergänzungen zur exemplarischen Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . 145 A.4 Ingenieurschaubilder und -tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149