Continuous fibre-reinforced thermoplastics often are offered as impregnated and consolidated semi-finished products which are known as organic sheets. The thermoplastic matrix leads to several advantages including the thermoformability and weldability. Parts made of organic sheets are frequently produced by forming the semi-finished product into half-shells and stiffening those shells in the course of the process e.g. by the injection moulding of ribs. Larger and more complex parts with hollow body structures can be manufactured e.g. by forming the semi-finished products into half-shells and joining the half-shells. However, the currently available manufacturing technologies for parts made of organic sheets have cap profile shaped joints which prevent the use of the reinforcing fibres across the joint plane. Investigations have proven that overlapping weld joints in organic sheets show much higher strengths than cap profile shaped joints which can be explained by the fibre use across the joint plane. Furthermore, the infrared welding technology was verified as an appropriate process for the welding of organic sheets since no need for additional welding material is given, short heating times can be realized and no contact of the infrared emitters to the joining parts is required. Therefore, the present study shall reveal the high potential of the overlapping welding of organic sheets. Influences on the weld strengths of infrared welded organic sheets are described and potential improvements concerning the materials to be welded as well as the welding process are shown.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste werden oftmals als imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge angeboten. Solche thermoplastischen Prepregs werden üblicherweise als Organobleche bezeichnet. Die thermoplastische Matrix ermöglicht unter anderem die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit von Organoblechen. Organobleche sind, durch die ausschließliche Möglichkeit sie mittels Thermoformen umzuformen, in ihrer Formgebung auf halbschalige Strukturen beschränkt, welche begrenzte Torsions-, Verwindungs- und Beulsteifigkeiten aufweisen. Um die Steifigkeiten dieser schalenförmigen, offenen Bauteile zu erhöhen, können z. B. versteifende Rippen oder Verstärkungssegmente eingebracht werden. Aufgrund des Thermoformprozesses sind mit Organoblechen, verglichen mit duroplastischen Systemen, jedoch nur kleine und einfache Bauteilgeometrien realisierbar. Um neben der Steifigkeitserhöhung auch größere und komplexere Bauteile herzustellen, können die schalenförmigen Organobleche während des Umformvorgangs gefügt werden. Auf diese Weise werden Hohlkörper in Doppelhutprofilform gefertigt. So werden, auch ohne Einbringung von Rippen o. ä., hohe Bauteilsteifigkeiten erreicht. Die Doppelhutprofilform hat jedoch eine nicht optimale Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg zur Folge, da die Fasern von der Belastungsrichtung abweichend umgelenkt werden. Im vorliegenden Beitrag wird daher das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen behandelt, was eine Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg ermöglicht. Die Prozess- und Werkstoffeinflüsse auf die Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Möglichkeiten zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften dargestellt. Des Weiteren werden Optimierungskriterien für überlappende Infrarotschweißungen an den untersuchten Organoblechen festgelegt. Die im Verlauf der Forschungsarbeiten umzusetzenden Verfahrensvarianten zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen aus Organblechen werden zudem vorgestellt.

The increased use of thermoplastics in load carrying components, especially in the automotive industry, drives the needs for a better understanding of its complex mechanical properties. In this thesis work for a master degree in solid mechanics, the mechanical properties of a PA 6/66 resin with and without reinforcement of glass fibers experimentally been investigated. Topics of interest have been the dependency of fiber orientation, residual strains at unloading and compression relative tension properties. The experimental investigation was followed by simulations implementing existing and available constitutive models in the commercial finite element code LS-DYNA. The experimental findings showed that the orientation of the fibers significantly affects the mechanical properties. The ultimate tensile strength differed approximately 50% between along and cross flow direction and the cross-flow properties are closer to the ones of the unfilled resin, i.e. the matrix material. An elastic-plastic model with Hill’s yield criterion was used to capture the anisotropy in a simulation of the tensile test. Residual strains were measured during strain recovery from different load levels and the experimental findings were implemented in an elastic-plastic damage model to predict the permanent strains after unloading. Compression tests showed that a stiffer response is obtained for strains above 3% in comparison to tension. The increased stiffness in compression is although too small to significantly influence a simulation of a 3 point bend test using a material model dependent of the hydrostatic stress.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.

Das Ultraschall-Punktschweißen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen hat in der letzten Zeit bei Forschern in der Luftfahrt- und Automobilindustrie großes Interesse hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung zum Verbinden großer thermoplastischer Verbundbauteile durch Punktschweißen mit einem hohen Automatisierungsgrad. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschallschwingungsenergie an der gewünschten Fügestelle zwischen zwei Fügepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten untersucht. Bei diesem untersuchten Verfahren waren keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den Fügepartnern erforderlich, um die Vibrationsenergie zu fokussieren. Es wurde festgestellt, dass es durch Schweißen der Laminate zwischen einer Sonotrode und einem Amboss möglich war, eine lokalisierte Wärme durch Reibung zu erzeugen in dem die Sonotrode eine größere Kontaktfläche mit dem Laminat als mit dem Amboss aufwies. In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte Erwärmung abgeschwächt. Folglich zentrierte sich die zyklische Verformung in diesen abgeschwächten Grenzflächen. Die Annahme des Vorhandenseins der Reibung und ihres Einflusses auf die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer FEM-Analyse untersucht. Die mikroskopische Analyse des Schweißpunktes lieferte schließlich den Beweis für die Schmelzauslösung an einem Ring um den Schweißpunkt und das anschließende Punktwachstum. Um die räumliche Verteilung der Temperatur und ihre zeitliche Entwicklung in der Schweißzone während des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, wurde das thermische Problem numerisch modelliert. Zur Verifizierung der mathematischen Modelle wurden die berechneten Zeitverläufe der Temperatur im Schweißpunktzentrum mit den experimentell ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass nach einer bestimmten Schweißzeit die Temperatur im Schweißzentrum plötzlich anstieg und das Polymer an der Schweißstelle überhitzt und die Zersetzung begann. Es wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf der verbrauchten Leistungskurve durch das Schweißgerät einem ähnlichen Muster folgte, wie der Zeitverlauf der Temperatur in der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeitliche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit überwacht. Sobald ein kritischer Wert überschritten wurde, wurde die Ultraschallschwingungsamplitude aktiv durch einen Mikrocontroller eingestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Temperatur im Schweißpunkt indirekt gesteuert, um während der gesamten Schweißdauer in einem optimalen Bereich zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißprozesses wurden mittels Temperaturmessungen und Computertomographie bewertet. Aus der Studie wurde der Schluss gezogen, dass das leistungsgesteuerte Ultraschall-Punktschweißverfahren eine effiziente und stabile Methode zum automatischen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Teilen ist.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix / The ultrasonic spot welding of fibre-reinforced thermoplastic composites has recently received strong interest among researchers mainly in the fields of aerospace and automotive industries. It offers an efficient solution to join large thermoplastic composite parts through the spot welding approach with a high level of automation. In this study, a new technique for focusing the ultrasonic vibration energy at the desired spot between two mating thermoplastic composite laminates was investigated. In this method, no additional energy directing protrusions between the weldments were required to focus the vibration energy. It was found that by welding the laminates amid an ultrasonic sonotrode and an anvil in which the prior had a larger contact surface with the laminate as the latter, it was possible to generate a localised frictional heating. In the initial phase of the welding, the frictional heating softened the interfacial layers and thus caused the focusing of the strain energy in the weld spot centre. The assumption for the presence of the friction and its influence on the heat generation was investigated by means of finite element method analysis. Microscopic analysis of the weld spot delivered the proof for the melt initiation at a ring around the weld spot and subsequent inwards growth of the weld spot. In order to gain a better understanding of the temperature spatial distribution and its temporal development in the weld zone during the ultrasonic welding process, the thermal problem was analysed using the explicit finite difference method. The mathematical model was verified through a comparison between the calculated temperature curves and the experimentally obtained counterparts. It was found that after a certain weld duration the temperature in the weld centre underwent a sudden increase and caused the overheating and decomposition of the polymer in the weld spot. It was observed that the time trace of the consumed power curve by the welder followed a similar pattern as the time trace of the temperature in the weld spot centre. Based on this observation, a control system was developed accordingly. The time derivative of the weld power was monitored in real time and as soon as it exceeded a critical value, the ultrasonic vibration amplitude was actively adjusted through a microcontroller. In this approach, the temperature in the weld spot was indirectly controlled to remain within an adequate range throughout the welding duration. The results of the controlled welding process were evaluated by means of temperature measurements and computed tomography scans. It was concluded from the study that the power-controlled differential ultrasonic spot welding process could be an efficient method to fusion bond the fibre-reinforced thermoplastic parts in an automated manner.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix

Continuous fibre-reinforced thermoplastics often are offered as impregnated and consolidated semi-finished products which are known as organic sheets. The thermoplastic matrix leads to several advantages including the thermoformability and weldability. Parts made of organic sheets are frequently produced by forming the semi-finished product into half-shells and stiffening those shells in the course of the process e.g. by the injection moulding of ribs. Larger and more complex parts with hollow body structures can be manufactured e.g. by forming the semi-finished products into half-shells and joining the half-shells. However, the currently available manufacturing technologies for parts made of organic sheets have cap profile shaped joints which prevent the use of the reinforcing fibres across the joint plane. Investigations have proven that overlapping weld joints in organic sheets show much higher strengths than cap profile shaped joints which can be explained by the fibre use across the joint plane. Furthermore, the infrared welding technology was verified as an appropriate process for the welding of organic sheets since no need for additional welding material is given, short heating times can be realized and no contact of the infrared emitters to the joining parts is required. Therefore, the present study shall reveal the high potential of the overlapping welding of organic sheets. Influences on the weld strengths of infrared welded organic sheets are described and potential improvements concerning the materials to be welded as well as the welding process are shown.

Endlosfaserverstärkte Thermoplaste werden oftmals als imprägnierte und konsolidierte Halbzeuge angeboten. Solche thermoplastischen Prepregs werden üblicherweise als Organobleche bezeichnet. Die thermoplastische Matrix ermöglicht unter anderem die Warmformbarkeit und Schweißbarkeit von Organoblechen. Organobleche sind, durch die ausschließliche Möglichkeit sie mittels Thermoformen umzuformen, in ihrer Formgebung auf halbschalige Strukturen beschränkt, welche begrenzte Torsions-, Verwindungs- und Beulsteifigkeiten aufweisen. Um die Steifigkeiten dieser schalenförmigen, offenen Bauteile zu erhöhen, können z. B. versteifende Rippen oder Verstärkungssegmente eingebracht werden. Aufgrund des Thermoformprozesses sind mit Organoblechen, verglichen mit duroplastischen Systemen, jedoch nur kleine und einfache Bauteilgeometrien realisierbar. Um neben der Steifigkeitserhöhung auch größere und komplexere Bauteile herzustellen, können die schalenförmigen Organobleche während des Umformvorgangs gefügt werden. Auf diese Weise werden Hohlkörper in Doppelhutprofilform gefertigt. So werden, auch ohne Einbringung von Rippen o. ä., hohe Bauteilsteifigkeiten erreicht. Die Doppelhutprofilform hat jedoch eine nicht optimale Nutzung der Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg zur Folge, da die Fasern von der Belastungsrichtung abweichend umgelenkt werden. Im vorliegenden Beitrag wird daher das überlappende Infrarotschweißen von Organoblechen behandelt, was eine Faserverstärkung über die Fügeebene hinweg ermöglicht. Die Prozess- und Werkstoffeinflüsse auf die Verbindungseigenschaften werden beschrieben und Möglichkeiten zur Optimierung der Schweißnahteigenschaften dargestellt. Des Weiteren werden Optimierungskriterien für überlappende Infrarotschweißungen an den untersuchten Organoblechen festgelegt. Die im Verlauf der Forschungsarbeiten umzusetzenden Verfahrensvarianten zur Herstellung von Hohlkörperbauteilen aus Organblechen werden zudem vorgestellt.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Spritzgießwerkzeug mit einem neuartigen Mehrschichtverbundheizsystem zur dynamischen Temperierung entwickelt und umgesetzt. Dabei wurde das ausgewählte Heiz‐ und Kühlsystem unter theoretischen und praktischen Gesichtspunkten betrachtet und für den variothermen Fertigungsprozess verifiziert. Aus den ersten durchgeführten praktischen Versuchen zeigte sich, dass dieses Heizsystem zur dynamischen Temperierung von Formwerkzeugen geeignet ist. Anschließend wurden mit dem realisierten Spritzgießwerkzeug Versuchskörper mit spezieller Oberflächenstrukturierung und variierenden Werkzeugwandtemperaturen angefertigt und untersucht. Ziel war es, über diese Strukturierung eine Beeinflussung der Glasfaserverteilung im Formteilrandbereich zu erreichen und die tribologischen Eigenschaften bei Kunststoff‐Kunststoff‐Gleitpaarungen hinsichtlich Reibung und Verschleiß zu verbessern. Mit einer kleinen Auswahl an Strukturen und entsprechenden thermoplastischen Polymermaterialien wurden praktische Versuche zur tribologischen Prüfung durchgeführt. / In the present work an injection mould was developed and implemented with a novel multilayer composite heating system for dynamic temperature control. Here the selected heating and cooling system was considered from a theoretical and practical point of view and verified for the variothermal manufacturing process. The first practical tests showed that this heating system is suitable for the dynamic temperature control of tools. Subsequently, with this injection mould, test specimens with a special surface structure and varying mould wall temperatures were produced and examined. The aim was to achieve through this structuring an impact on the distribution of glass fibres in the edge region of mouldings and improve the tribological properties of plastic‐plastic‐pairings in terms of friction and wear. With a small selection of structures and corresponding thermoplastic polymeric materials practical experiments for tribological testing were performed.