Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Das Ziel des vorliegenden Projektes war es, eine sortenreine und gewichtsoptimierte Betonbauweise unter Einsatz mineralischer und lastpfadgerechter Faserverbundbewehrungen zur vorwettbewerblichen Anwendung weiterzuentwickeln, um damit neue Geschäftsfelder für KMU im Bereich des Bauwesens zu eröffnen sowie längerfristig den Technologiestandort Baden-Württemberg zu stärken. Dabei knüpft das Projekt nahtlos an die Arbeiten aus dem SPP 1542 – Leicht bauen mit Beton – an. Der vorliegende Kurzbericht fasst die Forschungsergebnisse zusammen. Für eine ausführlichere Beschreibung der Arbeiten sowie die Darstellung der Ausgangslage wird auf [1] sowie auf die Homepage [2] verwiesen. / The objective of the current project is to further develop a weight-optimised concrete construction method using mineral and load-path compatible fibre-composite reinforcements for pre-commercial applications. The outcome of the project could open new business opportunities for small- and mid-size enterprises in the construction sector and, in the longer term, strengthen Baden-Württemberg as a technology hub. The project seamlessly ties in with the previous work from SPP 1542, the results of which are summarised in this short report. For a more detailed description of the work readers are referred to [1] as well as to the homepage [2].

Les matériaux architecturés attirent de plus en plus d’attentions de par leur capacité à combiner différentes propriétés ciblées. Dans ce contexte, les matériaux enchevêtrés, et plus particulièrement les matériaux monofilamentaires enchevêtrés, présentent des propriétés intéressantes en terme de légèreté, de ductilité, et de facteur de perte. En raison de l’architecture interne complexe de ces matériaux, leur caractérisation et la compréhension des mécanismes de déformation nécessitent une méthodologie adaptée. Dans cette étude, l’enchevêtrement est réalisé manuellement pour différents fils d’acier et soumis à une compression oedométrique. De manière à étudier le comportement sous charge de ce type de matériaux, un dispositif de compression uniaxiale guidée a été mis en place dans le tomographe. Il est ainsi possible de suivre, à l’aide de mesures quantitatives, la déformation de l’échantillon et l’évolution du nombre de contacts pour différentes fraction volumiques. L’utilisation de ces données microstructurales a permis un meilleure compréhension du comportement mécanique de tels enchevêtrements. Une rigidité pouvant varier de 20 à 200 MPa en fonction des paramètres de mise en forme (diamètre et forme du fil, fraction volumique, matériau constitutif) a été déterminé. Un matériau homogène de rigidité plus faible a pu être obtenu en pré-déformant le fil sous forme de ressort avant enchevêtrement. Le facteur de perte du matériau a ensuite été mesuré à la fois sous chargement statique et dynamique. L’analyse mécanique dynamique a mis en évidence la capacité de ce matériau à absorber de l’énergie avec une valeur de facteur de perte d’environ 0.25. Les propriétés mécaniques du matériau ont tout d’abord été modélisées analytiquement par un modèle de poutres et un bon accord avec les résultats expérimentaux a pu être obtenu en définissant un paramètre d’orientation equivalent, spécifique à la compression oedométrique de matériaux enchevêtrés. En parallèle, un modéle éléments discrets a été developé afin de simuler le comportement en compression de matériaux monofilamentaires enchevêtrés. Ce modèle s’appuie sur une discrétisation du fil en éléments sphériques, acquise à partir de données de tomographie. Bien que seul le comportement élastique du fil constitutif ait été pris en compte, une bonne adéquation entre résultats numériques et expérimentaux a été obtenu en ajustant les coefficients de frottement du modèle. / Playing with the architecture of a material is a clever way of tailoring its properties for multi-functional applications. A lot of research have been made, in the past few years, on what is now referred to as “architectured materials” (metal foams, entangled materials, steel wool, etc), mostly for their capacity to be engineered in order to present specific properties, inherent to their architecture. In this context, some studies have been carried out concerning entangled materials but only a few on monofilament entangled materials. Such a material, with no filament ends, could exhibit interesting properties for shock absorption, vibration damping and ductility. In this study, entanglements were manually produced, using different types of wire, and submitted to constrained (inside a PTFE die) in-situ compressive tests within the laboratory tomograph. This technique enabled a 3D, non destructive, microstructural characterization of the complex architecture of these materials, along with the analysis of their macroscopic mechanical properties. The stiffness of this material was found to be in a 20-200 MPa range and homogeneous samples could be obtained, while lowering their stiffness, by pre-deforming the initial wire as a spring. Damping measurements were performed using different types of entanglements (constitutive materials, volume fraction, wire diameter, wire shape) under both monotonic and dynamic loadings and directly linked to the measurements of the number of contacts. The Dynamic Mechanical Analysis underlined the great capacity of this material to absorb energy with a loss factor of about 0.25 and damping was found to decrease with the stiffness of the entanglement. The mechanical properties of this material were first modeled using an analytical “beam” model based on the experimental evolution of the mean distance between contacts and a good agreement was found with the experimental results. In parallel, a Discrete Element Method was used in order to model the compressive behaviour of Monofilament Entangled Materials. Although purely elastic properties were taken into account in the model, a very good agreement with the experimental results was obtained by adjusting the friction coefficients of the model. This tends to prove that the plasticity of these entangled materials is rather due to the structure (friction) than to the constitutive material itself.

Das Forschungsvorhaben liefert einen Beitrag zum Schweißen von Gleich- und Mischmaterialverbindungen aus Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) sowie deren Verarbeitung im Compoundieren und Spritzguss. Es wurde holzfasergefülltes (WPC) und flachsfasergefülltes (FFC) Polypropylen (PP) mit unterschiedlichen Füllgraden verwendet. Der Einsatz synthetisch-organsicher Fasern (PET-Fasern) im Compound zielte darauf ab, besonders die Schlagzähigkeit zu verbessern. Im Bereich des Urformens wurden Aussagen zur Verarbeitbarkeit, zu rezepturabhängigen Kurz- und Langzeiteigenschaften sowie Aussagen zur Dauergebrauchsfähigkeit erarbeitet. Die Anwendbarkeit der Fügeverfahren Heizelement- (HE-Schweißen) und Vibrationsschweißen (VIB-Schweißen) konnte für Gleich- und Mischmaterialverbindungen sowohl ohne als auch mit angepasster Energieeinbringung nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang können Aussagen zur Rezepturabhängigkeit, Verfahrensführung, Parameterauswahl, Prüfkriterien sowie den technischen Grenzen der Schweißverbindung unter kurzzeitmechanischer Beanspruchung getroffen werden. Weiterhin wird ein Beitrag zur Dauergebrauchsfähigkeit unter UV-Globalbewitterung und thermischer Alterung sowie zu langzeitmechanischen Eigenschaften von NFK-Schweißverbindungen geliefert.

Man-made materials such as fiber-reinforced composites (FRCs) can be tailored for optimum performance in product design applications in terms of strength and weight. The current work is aimed at studying the behaviors of composite laminates based on E-glass CSM (Chopped Strand Mat) or WRM (Woven Roving Mat) plies with a polyester resin for impact protection applications. Detailed mechanical characterization of CSM and WRM laminates till failure is carried out for tensile, compressive and shear loads by varying manufacturing process, number of plies, and laminate thickness. The effect of fiber volume fraction on mechanical properties is shown. The efficacy of CSM and WRM laminates as energy- absorbing countermeasures is studied by performing quasi-static and axial impact tests on cylindrical tubes made of the stated FRCs. In addition to load-displacement and specific energy absorption attributes, failure modes are of interest in such studies. The potential of FRC laminates for protection against projectile impact is investigated by performing low velocity impact perforation tests with a falling tup fitted with an indentor, and medium to high velocity projectile impact tests in a gas gun-based device. The valuable results generated are used for the validation of nonlinear finite element-based CAE (Computer-Aided Engineering) procedures including application of a multi-modal failure criterion for explicit dynamic analysis. The present study not only throws light on complex mechanical behavior of an important class of lightweight materials under static and dynamic loads, but also simulation tools for the design of impact safety countermeasures such as bullet-proof laminates and energy–absorbing components for automotive body structures.

Die vollständige Ausnutzung des Leichtbaupotentials bei der Dimensionierung von mehrschichtigen endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen erfordert die Bereitstellung von geeigneten Optimierungswerkzeugen, da bei der Auslegung eine große Anzahl von Entwurfsvariablen zu berücksichtigen sind. In dieser Arbeit werden Optimierungsalgorithmen und -strategien zur Lösung wissenschaftlicher Fragestellungen für industrielle Anwendungen bei der Konstruktion von entsprechenden Faserkunststoffverbunden entwickelt und bewertet. Um das breite Anwendungsspektrum aufzuzeigen, werden drei unterschiedliche repräsentative Problemstellungen bearbeitet. Dabei wird für Mehrschichtverbunde die Festigkeitsoptimierung hinsichtlich eines bruchtypbezogenen Versagenskriteriums vorgenommen, ein Dämpfungsmodell zur Materialcharakterisierung entworfen sowie eine bivalente Optimierungsstrategie zur Auslegung von gewickelten Hochdruckbehältern erstellt. Die Grundlage der entwickelten Methoden bilden dabei jeweils stochastische naturanaloge Optimierungsheuristiken, da die betrachteten Aufgabenstellungen nicht konvex sind und derartige Verfahren flexibel eingesetzt werden können. / The full utilization of the light weight potential in the dimensioning of multilayer fiber reinforced composites requires suitable optimization tools, since a large number of design variables has to be taken into account. In this work, optimization algorithms and strategies for the solution of scientific questions for industrial applications are developed and evaluated in the design of corresponding fiber-plastic composites. In order to show the wide range of applications, three different representative topics have been chosen. It will carry out a strength optimization for multilayer composites with regard to a type-related failure criterion, devolop a damping model for material characterization and established a bivalent optimization strategy for the design of wound high-pressure vessels. The developed methods are based on stochastic natural-analog optimization heuristics, since the considered tasks are not convex and such methods can be used in a very flexible manner.

Das Forschungsvorhaben liefert einen Beitrag zum Schweißen von Gleich- und Mischmaterialverbindungen aus Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) sowie deren Verarbeitung im Compoundieren und Spritzguss. Es wurde holzfasergefülltes (WPC) und flachsfasergefülltes (FFC) Polypropylen (PP) mit unterschiedlichen Füllgraden verwendet. Der Einsatz synthetisch-organsicher Fasern (PET-Fasern) im Compound zielte darauf ab, besonders die Schlagzähigkeit zu verbessern. Im Bereich des Urformens wurden Aussagen zur Verarbeitbarkeit, zu rezepturabhängigen Kurz- und Langzeiteigenschaften sowie Aussagen zur Dauergebrauchsfähigkeit erarbeitet. Die Anwendbarkeit der Fügeverfahren Heizelement- (HE-Schweißen) und Vibrationsschweißen (VIB-Schweißen) konnte für Gleich- und Mischmaterialverbindungen sowohl ohne als auch mit angepasster Energieeinbringung nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang können Aussagen zur Rezepturabhängigkeit, Verfahrensführung, Parameterauswahl, Prüfkriterien sowie den technischen Grenzen der Schweißverbindung unter kurzzeitmechanischer Beanspruchung getroffen werden. Weiterhin wird ein Beitrag zur Dauergebrauchsfähigkeit unter UV-Globalbewitterung und thermischer Alterung sowie zu langzeitmechanischen Eigenschaften von NFK-Schweißverbindungen geliefert.