Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Die Arbeit stellt ein Messsystem zur Überwachung von hochbelastbaren Leichtbauwerkstoffen, den Faserkunststoffverbunden vor. Speziell die Materialdehnung und die Eigenfrequenzen rotatorischer Systeme stellen als Schäden im makroskopischen Bereich eine Herausforderung an das Messsystem dar. Aber auch mikroskopische Erscheinungen wie Delaminationen oder Zwischenfaserbrüche gilt es an diesen Bauelementen zu erfassen.

Da in der Natur die Festigkeit der Stoffe bzw. Werkstoffe mit deren Massendichte korreliert [1], bieten sich dem Werkstoffingenieur zwei Möglichkeiten das genannte Ziel zu erreichen: Entweder er reduziert die effektive Dichte bereits sehr fester Werkstoffe durch konstruktive bzw. geometrische Optimierungen, oder es gelingt sehr leichte Werkstoffe mit deutlich gesteigerter Festigkeit herzustellen. Die erstgenannte Verfahrensweise stellt zu großen Teilen ein konstruktives bzw. fertigungstechnisches Problem dar. Von werkstoffwissenschaftlichem Interesse ist deshalb nur die zweite Möglichkeit. Dabei sollen sämtliche derzeit bekannte festigkeitssteigernde Faktoren und möglicherweise auch deren Synergien genutzt werden um einen hochfesten Leichtbauwerkstoff herzustellen. Dazu muss gleichzeitig ein neuartiges Hochumformverfahren für Leichtmetallverbundwerkstoffe erarbeitet werden, das diesen Anforderungen entspricht und eine dafür geeignete Werkstoffkombination gefunden werden. Konventionelle Verfahren zur Hochumformung erlauben häufig nur unter erheblichem Mehraufwand die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen, weshalb die Hochumformung von Leichtmetallverbundwerkstoffen zur Festigkeitssteigerung in der Literatur praktisch keine Rolle spielt. Deshalb soll in dieser Arbeit das Umformverfahren Rundkneten zur Anwendung kommen, das die Hochumformung auch sehr heterogener Werkstoffe erlaubt. Darüber hinaus wird eine zusätzliche positive Wirkung auf die Festigkeit durch eingebaute Grenzflächen auf den Gesamtverbund erwartet. Wie sich im Laufe der Arbeit heraus stellte, eignet sich das verwendete Verfahren nicht ausschließlich zur Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen. Durch die sehr regelmäßige und fraktale Anordnung der Komponenten im Gesamtverbund ergaben sich auch einige Anknüpfungspunkte, die weit über die Eignung im Sinne eines Leichtbauwerkstoffes hinaus gehen. Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt der Arbeit zwar auf der mechanischen Charakterisierung der hergestellten Verbunde, in Kapitel 6 werden aber auch weitere Nutzungsmöglichkeiten diskutiert. Die gewählte Materialkombination Titan-Aluminium ist als Beispiel zu verstehen. Prinzipiell ist das vorgestellte Verfahren auf viele weitere Materialkombinationen anwendbar, solange grundlegende umformtechnische Regeln beachtet werden. [1] Ashby, M. F.: Materials Selection in Mechanical Design. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2006. 648 S.

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

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.:Inhaltverzeichnis Inhaltverzeichnis 2 Danksagung 6 Verzeichnis der Abkürzungen, Symbole und Indizes 7 1. Einführung 11 1.1 Motivation 11 1.2 Neuartigkeit 12 1.3 Anwendungsgebiete 13 1.3.1 Industrielle Anwendung 13 1.3.2. Hi-Tech-Anwendung 18 2. Ziele der Arbeit und Aufgabenstellung 19 3. Literaturauswertung zum Stand der Technik 20 3.1 Fertigungsverfahren zur Herstellung von zellularen Mikrostrukturen 21 3.1.1 Entwicklung der technologischen Prozesse der Metallschaumherstellung 22 3.1.1.1 Offener Metallschaum bzw. metallische Schwämme 22 3.1.1.2 Geschlossener Metallschaum 24 3.1.2 Verfahren zur Hohlkugelherstellung 25 3.1.2.1 Pulvermetallurgische Verfahren 26 3.1.2.2 Sonderverfahren 28 3.1.2.3 Direkte Methode zur Herstellung aus der Schmelze 29 3.1.2.3.1 Mithilfe von amorphen Werkstoffen 29 3.1.2.3.2 Mithilfe von Metallen 30 3.1.2.3.3 Austauschbarkeit der metallischen Schäume durch hohlkugelige Strukturen 31 3.2 Blasengeneratoren 31 4. Theoretische Grundlagen zum Anlagenkonzept 33 4.1 Auftretende Phänomene beim Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls 34 4.1.1 Zusammenhang zwischen der Strahlgeschwindigkeit und Viskosität der Flüssigkeit 36 4.1.2 Reyleigh-Instabilität und Zerwellen 36 4.1.3 Idealisiertes Schema des Prozessablaufs und seine physikalische Beschreibung 38 4.1.3.1 Tropfen (Gleichgewicht, Variante 1) 39 4.1.3.2 Flüssigkeitsstrahl (Zerfall, Variante 2) 40 4.2 Temperaturverteilung und Wärmeaustausch im nicht geschlossenen System 40 4.2.1 Erstarrung des Einkomponentensystems 40 4.2.2 Werkstofferstarrung während des Prozessablaufs 41 4.3 Konstruktions- und steuerungsbezogene Kennwerte des Prozesses 43 4.3.1 Auswahl des Abstandes: Luftrohr-Düsenaustritt 43 4.3.1.1 Anlage bezogen 43 4.3.1.2 Druckluft bezogen 44 4.3.2 Benetzbarkeit und Kippwinkel des T-Stücks 46 5. Physikalische Grundlagen der metallischen Schmelze für die Hohlkugelherstellung 47 5.1 Wahl des Strömungsregimes für das Gasmedium 48 5.2 Rheologisches Verhalten der Werkstoffe 49 5.2.1 Klassifizierung des Werkstoffverhaltens von Flüssigkeiten 49 5.2.2 Charakteristische Kennwerte des flüssigen metallischen Werkstoffs 49 5.2.3 Thixotropes Verhalten 50 5.3 Viskosität und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 51 5.4 Dichte und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 53 5.5 Oberflächenspannung und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.6 Benetzbarkeit und ihre Abhängigkeit von der Temperatur 54 5.7 Prozesssteuerung durch Druckänderung 55 5.7.1 Problembeschreibung 55 5.7.2 Mathematisches Druckmodell für den Tropfenausflussregime 56 5.8 Prozesssteuerung durch Temperaturänderung 59 5.9 Blasenformen während der Gasbewegung durch die Schmelze 60 5.10 Anwendung der dimensionslosen Analyse (Ähnlichkeitstheorie) zur Feststellung des geometrischen und stofflichen Einflusses auf den Hohlkugelbildungsprozess 61 6. Machbarkeitstudie und Wahl der Werkstoffe 64 6.1 Bestimmung der Werkstoffe und das Herstellungsverfahren 64 6.1.1 Amorphe und kristalline Werkstoffe 64 6.1.2 Experimentelle Methoden 64 6.2 Einfluss des Bornitrides auf die Eigenschaften der Schmelze 64 6.3 Vorversuche 66 6.3.1 Untersuchungen zur Filmbildung beim Metall 67 6.3.1.1 Tauchversuch 67 6.3.1.2 Anpassung der Halterung an optimale Randbedingungen 67 6.3.1.3 Auswertung des Tauchversuchs 70 6.3.1.4 Wahl des Düsendurchmessers 70 6.3.2 Bestimmung der Krafteinwirkung der erwärmten Luft auf die Blasenbildung für verschiedene Werkstoffe 71 6.4 Luftausbreitung in der Schmelze 72 6.5 Schlussfolgerungen aus der Machbarkeitsstudie 75 7. Simulation 76 7.1 Simulation mithilfe des CFD-Programms FLUENT 6.3 76 7.2 Vorbereitung zur Simulationsdurchführung 78 7.3 Ergebnisse der Simulation 78 8. Beschreibung der experimentellen Anlage 80 8.1 Teststufen 80 8.2 Umbau der Anlage 81 8.3 Endgültige Modifikation der Anlage 82 8.3.1 Druckluftsteuerung 83 8.3.2 Führungsschienen und Einstellung des Tiegelkippwinkels 84 8.3.3 Luftzufuhr 84 8.3.4 Diagramm des Prozesses 87 8.3.5 Bestimmung der Durchflusswerte 88 8.3.6 Speisungsmöglichkeiten 89 8.3.7 Wasserbehälter 90 8.3.8 Wärmeverluste während der Druckluftzufuhr 90 8.3.9 Auslegung der Heizplatten 93 8.3.9.1 Berechnung der Heizleistung 93 8.3.9.2 Berechnung der Wärmeübertragung 94 8.4 Berechnung der Aufheizdauer der Heizplatten 95 8.4.1 Ermittlung der Temperaturverteilung mithilfe der Simulation 96 8.4.2 Messstellen 96 8.4.3 Ermittlung der Wärmeverteilung mithilfe einer Wärmebildkamera99 8.4.4 Temperaturfeld an der Ausgangsdüse 100 8.4.5 Temperaturfeld in der erstarrenden Schale 101 8.5 Prozessbeobachtung mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera102 9. Diskussion der Ergebnisse 105 9.1 Herstellung der Hohlkugeln und Granulate 105 9.2 Bestimmung des Schalenradiuses aus dem Gitterdurchpustversuch 106 9.3 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Kartuschenlötlampe in einem Atomisierungsregime 107 9.4 Ergebnisse der Versuche bei der Heizung durch Heizplatten 109 9.4.1 Zusammensetzung des statistischen Versuchsplans 109 9.4.2 Auswertung der Ergebnissen der statistischen Versuchsreih 111 9.4.3 Ergebnisse der statistischen Versuchsreihe 111 9.4.4 Temperaturausbreitung in der Schale und ihr Zusammenhang mit dem Hohlkugeldurchmesser 115 9.4.5 Nebenerzeugnisse 117 9.5 Metallo- und röntgenographische Vorarbeiten 121 9.5.1 Beurteilung des Hohlraums von Hohlkugeln mithilfe Röntgenbildern 121 9.5.2 Beurteilung der Wandstärke von Hohlkugeln mithilfe der lichtmikroskopischen Aufnahmen 122 9.5.3 Mikrostrukturuntersuchungen 123 10. Auswertung der ermittelten Ergebnisse mithilfe des syntaktischen Schaums mit einer Polymermatrix 124 10.1 Syntaktische Schäume 125 10.1.1 Definition und Herstellungsmerkmale 125 10.1.2 Festigkeit der eingebetteten Teilchen und des Schaum 127 10.1.3 Mischungsregel und Kontrolle von Hohlteilchen 128 10.2 Polymer-Wasser Wechselwirkung 129 10.3 Wärmeleitfähigkeit 130 10.4 Elastisch-plastische Eigenschaften 131 10.5 Beurteilung der Gewichtsreduzierung beim Einsatz von Hohlkugeln als Füllgut am Beispiel eines Verbundwerkstoff-Modells mit einer Silikon-Kautschuk-Matrix (SKM) 131 10.6 Probenvorbereitung 132 10.7 Versuchsteil 133 10.7.1. Wasseraufnahme 133 10.7.2. Wärmeleitfähigkeit 135 10.7.3 Elastisch-plastische Eigenschaften 137 10.7.4 Schwimmfähigkeit 140 11. Zusammenfassung und Ausblick 142 Literaturverzeichnis 145 Abbildungsverzeichnis 156 Tabellenverzeichnis 160 Anhang I-LVIII

Das Hauptanliegen des Bundesexellenzclusters MERGE: Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen ist die Verwendung von prozesstauglichen Technologien zur resourceneffizienten Herstellung von Leichtbaustrukturen in Mischbauweise. In der Interactive Domain (IRD): Modelling, Integrative Simulation and Optimization des Cluster of Excellence „MERGE“ werden ganzheitliche und durchgängige Simulationsketten entwickelt, um das Werkstoffverhalten von unterschiedlichen Materialgruppen unter Berücksichtigung prozessbedingter und belastungsspezifischer Restriktionen aufeinander abzustimmen. Die Bauteileigenschaften und Randbedingungen bei der Herstellung der Hybridbauteile hängen dabei, neben den verwendeten Materialkombinationen (Kunststoffe, Faserverbunde, Metalle), in starkem Maße von den zugrundeliegenden Fertigungsprozessen ab. Insbesondere die multikriterielle Optimierung -- von der Herstellung bis zum belasteten Bauteil -- benötigt eine Vielzahl an aufwändigen Simulationen die ein effizientes Datenmanagement sowie verteilten Berechnungsumgebungen erfordern. / The main objective of the Cluster of Excellence “MERGE”: Merge Technologies for Multifunctional Lightweight Structures is the use of process technologies suitable for resource-efficient production of lightweight structures in composite design. In the Interactive Research Domain (IRD): Modelling, Simulation and Optimization of Cluster of Excellence "MERGE" holistic and integrated simulation chains are designed to match the material behavior of different groups of materials under consideration of process-related and load specific restrictions. The component properties and constraints in the production of hybrid components depend in addition to the used material combinations (fiber reinforced plastics and metals) largely on the underlying production process. In particular, the multicriteria optimization - from manufacturing process until the loaded lightweight structure -- requires a large number of complex simulations which require an efficient data management and distributed computing environments.

Moderne architektonische Fassadengestaltungen und Ganzglaskonstruktionen fordern immer häufiger entmaterialisiert wirkende Ansichten mit maximaler Transparenz für eine edle Erscheinung und einen hohen Grad an natürlicher Belichtung. Damit gehen große Spannweiten einher. Diese führen zu stark dimensionierten Glasaufbauten und bringen hohes Eigengewicht in die Konstruktion ein. Die Verfügbarkeit von Dünnglas in bautechnisch relevanten Abmessungen ermöglicht neue gewichtssparende Konstruktionsprinzipien und innovative Materialkombinationen. Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bestehen aus einem leichten transparenten Kunststoffkern mit außenliegenden kratzbeständigen und dauerhaften Deckschichten aus Dünnglas. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, Dauerhaftigkeit und volle Transparenz bei geringem Eigengewicht. Die Aushärtung der Ausgangskomponenten des Kunststoffkerns erfolgt direkt zwischen den Deckschichten und erzeugt dadurch einen vollflächigen Verbund zwischen Glas und Kunststoff ohne zusätzliche Zwischenschichten. Im Bauwesen sind Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bislang unbekannt. Es liegen weder ausreichend Kenntnisse zu den Material- und Verbundeigenschaften vor noch sind die Eigenschaften als Bauprodukt entsprechend den hohen strukturellen und sicherheitstechnischen Anforderungen sowie den Ansprüchen an die Dauerhaftigkeit und an die optischen Eigenschaften nachgewiesen. Darüber hinaus fehlen konkrete Verbindungskonzepte zur Integration in das Bauwesen, um das Leichtbaupotenzial für entmaterialisiert wirkende transparente Konstruktionen auszunutzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmals Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten als innovatives Leichtbauprodukt systematisch untersucht und in das Bauwesen eingeordnet. Experimentelle und numerische Untersuchungen charakterisieren die Material- und Verbundeigenschaften mit zwei, am Markt verfügbaren, Kunststoffkernmaterialien – Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyurethan (PU), die jeweils für ein unterschiedliches Eigenschaftsspektrum stehen. Darüber hinaus wird zur Umsetzung maximaler Transparenz eine materialgerechte Verbindungstechnik entwickelt und deren mechanische Tragfähigkeiten charakterisiert. Zunächst werden in experimentellen Kleinteilprüfungen die thermophysikalischen und mechanischen Kennwerte der reinen Kunststoffkernmaterialien für die Beschreibung des Tragverhaltens im Verbund ermittelt. Anhand der Ergebnisse werden das PMMA als steifes, dauerhaftes, aber sprödes Material und das PU als vergleichsweise flexibles, zähes Material charakterisiert. Die experimentellen Untersuchungen zum Verbundverhalten fokussieren sich auf die Anforderungen für den Einsatz im Bauwesen. Eine numerische Strukturanalyse erweitert die Ergebnisse zum Tragverhalten und klärt offengebliebene Fragestellungen zum thermischen Ausdehnungsverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten ein effizientes Tragverhalten und eine signifikante Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichem monolithischem Glas und Verbundglas erreicht wird. Anhand der spezifizierten Verbundeigenschaften werden resultierende Anwendungspotenziale entsprechend der Materialkombination abgeleitet. Die weiterführende Entwicklung einer tragfähig in den Kunststoffkern integrierten Verbindungstechnik bietet innovative Anbindungsmöglichkeiten für Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten im Strukturleichtbau. Die Funktionsweise wurde anhand eines Konstruktionsbeispiels auf der „glasstec 2022“ demonstriert. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine strukturierte Kennwertsammlung zur erstmaligen ingenieurmäßigen Beschreibung des Material- und Verbundverhaltens von Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten mit zwei unterschiedlichen Kunststoffkernmaterialien. Die Materialkombination aus Dünnglas und PMMA-Kunststoffkern erzielt die größte Materialeffizienz für eine effektive Gewichtsreduktion und erfüllt die grundlegenden Anforderungen aus dem Bauwesen. Anhand der weiterführend entwickelten konstruktiven Verbindungstechnik wird ein breiter Anwendungsbereich erschlossen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit werden somit die Grundlagen für die Einführung als Bauprodukt und für eine gewichtssparende Konstruktionsweise zur Umsetzung maximaler Transparenz geschaffen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur / Modern façade designs and all-glass construction are increasingly calling for dematerialisation and maximum transparency for a sophisticated appearance and a high degree of natural lighting. This is accompanied by large glass spans leading to increasing thickness of glass panels that introduce a high dead load into the supporting structure. The availability of thin glass in architecturally relevant dimensions permits new lightweight design principles and innovative material combinations. Innovative thin glass-plastic-composite panels consist of a lightweight and transparent polymeric interlayer core with scratch-resistant and durable cover layers of thin glass. They offer high stiffness, durability and full transparency at a low specific weight. The raw components of the polymer core are directly cured between the cover layers resulting in a chemical bond between glass and polymer over the entire surface without the need for additional interlayers. The thin glass-plastic-composite panels are currently unknown in the building industry. There is a lack of knowledge about the material and its composite behaviour. It has not been verified as a building product in accordance with the high structural and safety requirements as well as the requirements for durability and optical properties. In order to employ the lightweight design potential for dematerialised and transparent construction suitable for the building industry, there is a need for specific and material-appropriate connection techniques. In the context of this thesis, the novel thin glass-plastic-composite panels are systematically investigated in order to assess them as an innovative lightweight product. For the first time, they are classified in detail for application in the building industry. Material and composite properties using two different polymeric interlayer core materials – polymethyl methacrylate (PMMA) and polyurethane (PU) – are characterised by means of experimental and numerical investigations. Moreover, to achieve maximum transparency, a material-specific connection technique is developed and a wide range of mechanical load-bearing capacities are specified. First of all, the thermophysical and mechanical parameters of the pure polymer core materials are determined in experimental small part tests for the description of the composite load-bearing behaviour. The results identify the PMMA as a stiff, durable but brittle material and the PU as a fairly flexible, viscoelastic material. The investigations on the composite behaviour focus on the demands for use in the building industry and include experimental tests on the durability, the adhesion, the composite load-bearing behaviour as well as the response to hard and soft body impacts. A numerical analysis extends the results of experimental investigations on the structural load-bearing behaviour and examines the thermal expansion behaviour. The results indicate that the new material combination achieves a highly efficient structural load-bearing behaviour and a significant weight reduction compared to conventional monolithic and laminated glass. Application possibilities are derived based on the observed interlayer core material and composite characteristics. Further development of a connection technique as an integrated design into the polymeric interlayer core offers wide-ranging concepts of connecting thin glass-plastic-composite panels. Its functionality and practicability have been demonstrated in a construction prototype exhibited at “glasstec 2022” fair. The present work contains a well-structured material dataset to describe the material and composite behaviour of thin glass-plastic-composite panels comprehensively with two different polymeric interlayer core materials in engineering methodology. The material combination of thin glass and PMMA interlayer core achieves outstanding material efficiency with an effective weight reduction and fulfils the general requirements for application in building industry. A wide range of applications is facilitated thanks to the further development of a slim and integrated structural connection technique. The results of this work provide the framework for the introduction of a new lightweight building product with an innovative structural design to realise maximum transparency of façades and all-glass structures.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur

Ein Blick in die Baugeschichte zeigt, dass sich in Abhängigkeit der vorhandenen Baumaterialien jeweils typische, sinnvolle Konstruktionsformen herausgebildet haben. Bereits vor mehr als 10.000 Jahren errichtete man Gebäude aus Ziegelmauerwerk [1]. Im antiken Rom erlebte der opus caementitium seine Glanzzeit [2]. Beide Materialien sind sehr druck-, aber wenig zugfest. Folglich findet man hauptsächlich druckbeanspruchte Strukturen wie Wände oder Kuppeln, für Decken wurde beispielsweise Holz genutzt. Für Naturbrücken aus zugfesten Pflanzenmaterialien hingegen sind Hängekonstruktionen prädestiniert. Mit Stahl und bewehrtem Beton können auch biegebeanspruchte Konstruktionen realisiert werden. Allerdings nimmt man hierbei in der Regel in vielen Tragwerksbereichen eine mangelhafte Materialausnutzung in Kauf. [Aus: Intention] / A look at the construction history shows that typical, sensible forms of construction have developed depending on the building materials available. More than 10,000 years ago, buildings were already made of brickwork [1]. In ancient Rome, the opus caementitium experienced its heyday [2]. Both materials were very resistant to pressure, but had little tensile strength. Consequently, one mainly finds structures subject to compressive stress such as walls or cupolas; for ceilings, for example, wood was used. For natural bridges made of tension-resistant plant materials, on the other hand, suspended structures are predestined. With steel and reinforced concrete, structural elements subject to bending stress can also be realised. However, in many areas of such structures, insufficient utilisation of the material is accepted. [Off: Intention]

Modeling sheet metal forming of materials for lightweight construction requires an understanding of their plastic behavior in different loading directions. The presented work focuses on twin-roll-casted magnesium alloy AZ31. It is characterized by unique mechanical properties compared to other magnesium alloys due to the employed twin-roll-casting-process. In general, magnesium alloys with their hexagonal closed-packed structure possess a complex forming behavior including a deformation-induced anisotropy evolution. In the context of a fast design approach, an adaptation of the Yield2000-2d criteria usually used for body-centered cubic or face-centered cubic materials is tested. The goal is a simple, versatile material model which parameters are determined just by tensile tests with moderate testing effort. In the investigated model, the yield locus definition is modified by adding a term for the yield exponent evolution during the forming process. The modeling approach is presented and the necessary tests for material data acquisition and evaluation are described. After experimental identification of the model parameters, the material model is applied in a forming simulation. The investigation provides promising results matching well with experimental data. Thus, the application of this model in a fast design step is feasible, offering valuable data like deformed shape, process-related material properties and induced stresses for further processing.

Polymerbasierte Leichtbaumaterialien (LMs) werden zunehmend als Konstruktionswerkstoffe im Transportwesen (Automobilbau, Luft- und Schifffahrt, Schienenverkehr), in der zivilen Infrastruktur, im Bauwesen und in der Energietechnik eingesetzt, um Energie, Gewicht und Ressourcen einzusparen, sowie den Ausstoß klimaschädlicher Treibhausgase zu reduzieren. Sie besitzen eine hohe Festigkeit, Stabilität, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und können energie-, kosten- und ressourceneffizient hergestellt werden. Stoffliche Änderungen können irreversible Schäden am LM hervorrufen und zum frühzeitigen Materialversagen führen. Daher ist eine Materialüberwachung sinnvoll. Die vorliegende Arbeit untersucht einen neuartigen Sensoransatz zur Zustandsüberwachung von LMs mittels passiver und strukturintegrierter elektromagnetischer Resonatorarrays (RAs). Sie zeichnen sich durch regelmäßig zueinander angeordnete Subwellenlängenresonatoren aus, die in Drucktechnologie umgesetzt und mittels Spritzgieß- oder Vakuum-Infusionstechnologie in die LMs integriert werden. Stoffliche Veränderungen bewirken ein verändertes elektromagnetisches Resonanzverhalten der RAs, dass per Reflexionsmessung kontaktlos ausgewertet werden kann. Es werden reflexionsbasierte Sensorkonzepte durch den Einsatz mehrlagiger RAs erarbeitet und das Reflexionsverhalten numerisch mittels der Finiten-Elemente-Methode analysiert und die betrachteten RAs exemplarisch umgesetzt, integriert und hinsichtlich ihrer Sensorfunktion bewertet.:1 Einleitung 2 Elektromagnetische Felder, Wellen und deren Wechselwirkung mit Materie 3 Entwicklung von Subwellenlängen Resonatorarrays 4 Realisierung eines Messverfahrens zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Resonatorarrays 5 Applikationsszenarien 6 Ergebnisbewertung und Auswertung Anhang