The use of continuously reinforced thermoplastics have increased in recent years andoffer some significant advantages over their thermoset counterparts. The utilizationof these materials is however still limited due to the labour intensive processingand manufacturing. In the first part of this thesis, the aim is to investigate howcontinuously reinforced thermoplastics can be used in high volume manufacturingof complex components, specifically when combined with injection moulding. Thesecond part will attempt to develop a conceptual manufacturing process and designof a demonstrator part and perform a structural analysis of the component.To answer the first question, an extensive literature study on continuous fibre materialsand thermoplastics was conducted along with research on established and newlydeveloped manufacturing methods such as automated tape laying and fibre placement,tailored fibre placement and 3D printing combined with injection overmoulding. Theconceptual manufacturing process of the demonstrator part was then based on thisresearch and the design was modeled in using finite element analysis.The results shows that continuously reinforced thermoplastics can be used forhigh volume manufacturing of complex components when combined with injectionmoulding. While some of the processing methods are still in an early developmentstage, the techniques have been tested and implemented. The structural analysis of thedemonstrator part shows that the design can withstand the maximum external loadsthus and provide proof of concept. / Användningen av kontinuerligt fiberarmerade termoplaster har ökat under de senasteåren och erbjuder en del betydande fördelar jämfört med armerade härdplaster.Användningen av dessa material är dock fortfarande begränsad på grund av dearbetsintensiva bearbetnings- och tillverkningsmetoderna. I den första delen av dettaexamensarbete är syftet att undersöka hur kontinuerligt fiberarmerade termoplasterkan användas vid tillverkning med hög volym av komplexa komponenter , speciellti kombination med formsprutning. Den andra delen av arbetet kommer att försökautveckla en konceptuell tillverkningsprocess och design av en exempeldel och utföraen strukturell analys av komponenten.För att besvara den första frågan genomfördes en omfattande litteraturstudie omkontinuerliga fibermaterial och termoplaster samt om etablerade och nyutveckladetillverkningsmetoder som automatiserad tejpläggning och fiberplacering,skräddarsydd fiberplacering och 3D-skrivning kombinerat med formsprutning.Den konceptuella tillverkningsprocessen av exempeldelen baserades sedan pålitteraturstudien och designen modellerades och analyserades med finitaelementmetoden.Resultaten visar att kontinuerligt fiberarmerade termoplaster kan användas förhögvolymtillverkning av komplexa komponenter i kombination med formsprutning.Medan några av bearbetningsmetoderna fortfarande är i ett tidigt utvecklingsskede såhar teknikerna testats och implementerats. Den strukturella analysen av exempeldelenvisar att konstruktionen kan motstå de maximala belastningarna och påvisar på så sättgenomförbarhet.

The dominating support method for hard rock tunnels today is use of fibre reinforced shotcrete in combination with rock bolts. The fibre reinforced shotcrete secures smaller blocks, while rock bolts are used to support larger blocks in the rock. Application of shotcrete is done by spraying against the rock surface using compressed air. The use of accelerators result in fast strength development and adhesive properties, which are two characteristics of great importance when constructing tunnels. This thesis aims at increasing the understanding of climate impact from fibre reinforced shotcrete in tunnel construction. The focus is on reducing the climate impact with two methods: reducing the share of cement in the shotcrete mixture through substitution with addition materials and using better test methods for fibres. Cement is one of the most important ingredients in concrete, however also the largest contributor to CO2 emissions. Reducing the cement amount is therefore a way of reducing the emissions of concrete. In addition, when testing the performance of fibres, different methods can lead to a spread in the results, causing an overuse of fibres in the shotcrete. First, the thesis investigated the use of alternative binder materials, especially Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS), as a substitute for cement. Experimental testing was performed in a laboratory to evaluate the compressive strength for shotcrete with different amounts of GGBS. Testing was performed after one and seven days in order to evaluate the early strength. Second, the thesis investigated the use of fibre reinforcement and the possibilities of reducing the fibre dosage when changing fibre type and test method. Numerical modelling was performed for two test methods, beam and panel testing, based on experimental data. The thesis evaluated the environmental performance in terms of Global Warming Potential for both fibres and binder. The results show that substituting cement with GGBS has the largest potential to lower the CO2 emissions from fibre reinforced shotcrete. In addition, the fibre dosage can be lowered by changing fibre type, but also test method. Also this lowers the emissions, however the main emissions origins from the binder part. / Den dominerande förstärkningsmetoden för tunnlar i hårt berg idag är fiberarmerad sprutbetong i kombination med bergbultar. Den fiberarmerade sprutbetongen säkrar mindre block, medan bergbultar säkrar större block från att falla ner. Sprutbetongen appliceras genom sprutning direkt mot bergytan men hjälp av tryckluft. Användning av acceleratorer medför snabb hållfasthetsutveckling och vidhäftande egenskaper, vilka är av stor vikt vid tunnelkonstruktion. Syftet med examensarbetet är att öka förståelsen för klimatpåverkan från fiberarmerad sprutbetong i tunnelkonstruktion. Fokus är att undersöka minskningar i klimatpåverkan med två metoder: minska andelen cement i betongblandningen genom ersättning med alternativa material och använda bättre testmetoder för fibrer. Cement är en av de viktigaste ingredienserna i betong, men också den största bidragande faktorn till koldioxidutsläpp. Minskning av andelen cement är därför ett sätt att reducera utsläppen från betong. Dessutom kan valet av testmetod ha stor påverkan på vilken dosering av fibrer som krävs. Examensarbetet undersökte först användningen av alternativa bindemedelsmaterial, speciellt granulerad masugnsslagg, i sprutbetong som ett ersättningsmaterial till cement. Experiment i labb utfördes för att utvärdera tryckhållfastheten för gjuten sprutbetong med olika andelar granulerad masugnsslagg. Testning genomfördes efter en respektive sju dagar för att utvärdera hur slagg påverkar den tidiga hållfastheten. Användningen av fiberarmering och möjligheten att reducera fiberinnehållet vid byte av fibersort och testmetod undersöktes sedan. Numerisk modellering genomfördes för två testmetoder, balk- och plattest, baserat på experimentell data. Examensarbetet utvärderade klimatpåverkan i termer av Global Warming Potential, GWP, för både fibrer och bindemedel i sprutbetong. Resultaten visar att ersättning av cement med granulerad masugnsslagg har den största potentialen att minska koldioxidutsläppen från fiberarmerad sprutbetong. Dessutom kan fiberdoseringen minskas genom ändrad fibertyp samt ändrad testmetod, vilket också minskar utsläppen. Emellertid härstammar de största utsläppen från bindemedlet.

Das Infrarotschweißen ist ein industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Bauteilen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen. Die Prozesseinrichtung ist jedoch mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden, da komplexe Strahler-Werkstoff-Wechselwirkungen das Aufschmelzverhalten des Kunststoffbauteils bestimmen. In vielen industriellen Infrarotschweißprozessen ist daher ein Rauchen der infraroterwärmten Bauteilbereiche zu beobachten. Eine Erforschung des Zusammenhangs zwischen Rauchbildung, Kunststofftemperatur, thermisch-oxidativer Belastung des Kunststoffs und den resultierenden mechanischen Schweißnahteigenschaften steht bislang aus. Weiterhin sind in Infrarotschweißprozessen in der industriellen Fertigung oftmals hohe Umstellzeiten und schwankende Fügeteiltemperaturen festzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden erstmals die mechanischen Eigenschaften von Infrarotschweißverbindungen mit der Rauchbildung und thermisch-oxidativen Kunststoffbelastung korreliert und zwei Ansätze zur schonenden Erwärmung untersucht. Die Ergebnisse weisen nach, dass eine thermisch-oxidative Kunststoffschädigung zu einer Verschlechterung der mechanischen Schweißnahteigenschaften führt und bei der Auslegung industrieller Prozesse in Betracht gezogen werden muss. Das Schweißen in Argonatmosphäre und mit aktiver Strahlerleistungsregelung verhindern die Kunststoffzersetzung und führen in der Regel zu besseren mechanischen Schweißnahteigenschaften. Weiterhin wird deutlich, dass die Fügeteiltemperatur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Schweißnahteigenschaften hat, wohingegen Umstellzeiten ≥ 5 s eine erhebliche Reduzierung ebendieser zur Folge haben. Eine weitere Herausforderung ist das Infrarotschweißen (endlos-)faserverstärkter Kunststoffe. Die derzeit übliche Stumpfanordnung der Fügeteile führt zu einer Faserumlenkung in der Fügenaht und hat zur Folge, dass die Faserverstärkung nicht über die Fügeebene hinweg genutzt werden kann. Im Rahmen der Arbeit wird aufgrund dessen das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen untersucht. Um Bauteile aus Organoblechen mit erhöhter Komplexität, Größe und Steifigkeit herstellen zu können, werden zudem zwei industriell nutzbare Verfahrensvarianten auf Basis des Infrarotschweißens entwickelt. Unter Nutzung dieser, können Organoblechhohlkörper mit Überlappverbindungen gefertigt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl in Plattenprobekörpern als auch in Hohlkörpern eine Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg möglich ist.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick / The infrared welding is a well-established process in the industrial production of parts in various applications. However, the complex emitter-material interaction, which influences the meltdown behaviour of the plastic parts, results in a high effort for the process setup. A smoking of the plastic parts is to observe in numerous industrial infrared welding processes. The correlations between the smoking of the plastic, its temperature and thermal-oxidative degradation as well as the mechanical properties of the resulting welds are unidentified yet. Furthermore, in industrial infrared welding processes often high changeover times and varying joining part temperatures are existent. Therefore, within the present work the connections between the mechanical joint properties of infrared welds and the thermal-oxidative degradation of plastics are elaborated for the first time and two approaches for the gentle infrared heating are investigated. The findings prove that the thermal-oxidative degradation of the plastic substantially decreases the mechanical weld properties and needs to be taken into account when setting up the industrial infrared welding process. The welding in argon atmosphere and the use of an active infrared emitter power control, which ensures the heating of the plastic below the degradation temperature, lead to better mechanical weld properties. In addition, the outcome of this work shows that the influence of the temperature of the joining part is negligible regarding the mechanical joint properties, whereas changeover times greater than or equal to 5 s lead to a dramatical decrease in the mechanical properties. Another challenge is the infrared welding of fibre reinforced plastics. The butt welding of fibre reinforced thermoplastics is common practice and prevents the use of fibres in the joint plane due to the fibre deflection in this area. As a result, the overlapping welding of organo sheets is investigated as well. In order to produce large and complex parts with high stiffness made of organo sheets, two process variants on the basis of the infrared welding technology are developed, which can be used at the industrial scale to manufacture hollow bodies. The overlapping welds of specimens and in hollow bodes made of organo sheets, enable the fibre utilisation across the joint plane.:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Ergebnisse zum Stumpfschweißen 6 Ergebnisse zum Überlappschweißen 7 Bewertung der Ergebnisse 8 Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffklassen ermöglichen Hybridverbunde die Entwicklung von Strukturbauteilen, die sich beispielsweise durch eine hohe Festigkeit bei einem gleichzeitig geringen Gewicht auszeichnen. Trotz des großen Einsatzpotentials wurden Hybridverbunde, begründet durch eine kostenintensive und zeitaufwendige Fertigung, bislang nicht für Großserienbauteile vorgesehen. Mit der Konzeption intrinsischer, das heißt einstufiger, Produktionsprozesse wird es jedoch gelingen die Attraktivität zu steigern und damit die Anwendung von Hybridverbunden unter anderem auch in der Automobilindustrie zu etablieren. Exemplarisch soll im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines intrinsischen Hybridverbundes für crashbelastete Strukturbauteile simulativ begleitet werden. Der dabei betrachtete Hybridverbund besteht aus einem endlosfaserverstärktem Kunststoff, in den ein metallischer Einleger eingebracht ist. Zur Realisierung der Anbindung der Komponenten sieht das Konzept des Hybridverbundes die Kombination von Form- und Stoffschluss vor. Dabei resultiert der Stoffschluss aus der Beschichtung des metallischen Einlegers, die die Ausbildung eines Interface bewirkt. Zur Realisierung des Formschlusses werden während des überlagerten Umformprozesses lokal Formschlusselemente des metallischen Einlegers in den endlosfaserverstärkten Kunststoff gepresst. Dadurch weisen die resultierenden Bauteile eine komplexe innere Struktur auf, die die simulative Analyse und damit die Bauteilauslegung erschwert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Modellierung und Simulation dieses intrinsischen Hybridverbundes. Dazu ist zunächst das Materialverhalten aller Komponenten durch adäquate Materialmodelle für große Deformationen abzubilden. Für deren Entwicklung wird ein Konzept zur Materialmodellierung aufgegriffen und erweitert, das die Formulierung auf der Basis direkt verschalteter rheologischer Elemente ermöglicht. Nach entsprechenden Parameteridentifikationen werden die Materialmodelle im Rahmen von Finite-Elemente-Simulationen eines aus dem Hybridverbund gefertigten Demonstratorbauteils angewendet. Dabei ermöglicht das Vorgehen zur Modellerstellung die Berücksichtigung und Bewertung von Einflüssen der intrinsischen Fertigung auf das Bauteilverhalten. / Hybrid parts, combining for example low weight with high strength, are based on the combination of different material classes. Despite an enormous potential for applications, hybrid composites are not well established for large series parts due to the expensive and complex production. To increase the number of applications, intrinsic, i.e. single-step, manufacturing processes are designed. Within this work, the development of an intrinsic hybrid composite for crash-relevant structural parts is supported by simulations. The considered hybrid composite is made up of a fibre-reinforced polymer, in which a metallic insert is integrated. The connection between these components is based on a combination of geometrical form fit and adhesive bonding. On one hand, adhesive bonds result from a coating of the metallic insert. On the other hand, local form fit elements are pressed into the fibre reinforced polymer during the global forming process. Consequently, the resulting parts, manufactured in just one step, show a complex inner structure, which make simulative analyses and dimensioning more difficult. Within the work at hand, the main research goal is the modelling and simulation of this intrinsic hybrid composite. To this end, the mechanical behaviour of all individual components has to be described by appropriate material models at large strains. For those developments, a concept of material modelling, which enables the formulation based on directly connected rheological elements, is adopted and extended. After identifying the according material parameters, these material models are applied within finite element simulations of a demonstrator made up of the hybrid composite. Thereby, the applied procedure for creating finite element models allows to consider and evaluate how the intrinsic manufacturing process affects the mechanical behaviour of the parts.