No description available.

No description available.

This thesis is focused on the development of multiple experimental frameworks to characterize the material properties of composite materials for the LS-DYNA MAT213 model. The main objective is to characterize these properties based on the full-field capture of the evolution of strain and stress fields in coupon-level tests at multiple scales (i.e. macroscopic and microscopic). The experimental work characterized the full-field stress-strain curves and subsequently derived the material properties of T700G/LM-PAEK thermoplastic composites. The data was later successfully utilized to generate the deformation and damage sub-models in the LS-DYNA MAT213 model for the material. Additionally, a three-point bending test methodology was created using a size effect study and geometrically scaled coupons to investigate the Mode-II interlaminar fracture toughness of the material. The experimental frameworks developed herein were also extended to characterize other composite materials, such as those produced via additive manufacturing techniques. Future experimental work will investigate fatigue failure methods for three-point bending in T700G/LM-PAEK. The experimental methods described herein will also continue to support analytical efforts that seek to develop a simulation tool based on the LS-DYNA MAT213 model for modeling the temperature and strain rate-dependent impact damages in composites under multi-axial loading.

Der komplexe Verarbeitungsprozess endlosfaserverstärkter Textilthermoplaste beeinflusst maßgeblich die resultierende textile Struktur und damit im gleichen Maße die strukturellen Eigenschaften des Verbundes. Zur vollständigen Ausschöpfung des vielversprechenden Potentials dieser innovativen Werkstoffgruppe ist es daher notwendig, die Fertigungssimulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der komplexen Deformationsphänomenologie von Textilthermoplasten beim Thermoformen vorgenommen, wobei die eingehende Analyse der lokalen Textilthermoplaststruktur und -verformung fokussiert wird. Auf Grundlage eines umfangreichen experimentellen Prüfprogramm wird abschließend zur modellbasierten Beschreibung der Deformationsvorgänge ein neuartiges Multi-Skalen-Modell entwickelt, mit dem sich die auftretende Phänomenologie virtuell wiedergeben lässt.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension des mécanismes d'endommagement et à l'identification d'un critère de durée de vie du polyamide 6,6 renforcé à 30% en masse de fibres de verre courtes (PA66GF30), obtenu par moulage par injection, en prenant en compte les effets de la température, de la teneur en eau et des orientations de fibres induites par le procédé de fabrication. Ainsi, dans un premier temps, une campagne d'essais de caractérisation du comportement mécanique du PA66GF30, pour différentes orientations de fibres, températures, teneurs en eau et vitesses de sollicitation, a été menée. Ceux-ci ont mis en évidence le rôle de la matrice polyamide 6,6 (PA66) dans la dépendance à la température, à la teneur en eau et à la vitesse de sollicitation du comportement du PA66GF30. Dans ce sens, une triple équivalence Temps-Température-Teneur en eau du comportement du PA66 a été démontrée à l'aide de courbes maîtresses obtenues par DMA. Une nouvelle expression de la vitesse équivalente à une température et une teneur en eau de référence en a alors été déduite, dans l'objectif de pouvoir rendre compte de cette triple sensibilité dans un futur modèle de comportement. Ensuite, une campagne d'essais de fatigue dans des conditions environnementales contrôlées, a permis d'étudier les effets de l'orientation des fibres, de la température et de la teneur en eau, sur la tenue en fatigue d'éprouvettes en PA66GF30. L'analyse mécanique de ces essais a abouti à l'identification d'un critère de durée de vie, tenant compte de l'ensemble des facteurs influents. Enfin, la microtomographie des rayons X sous faisceau synchrotron a été utilisée pour étudier les mécanismes d'endommagement en fatigue présents dans le PA66GF30, suite à des analyses post-mortem et des expériences in-situ. Le dépouillement de ces observations a permis de faire la lumière sur les mécanismes d'endommagement, et de proposer un nouveau scénario d'endommagement en fatigue. / The work discussed in this thesis is a contribution to the understanding of damage mechanisms and identifying a fatigue criterion of polyamide 6,6 reinforced with 30 wt% of short glass-fibres (PA66GF30), obtained by injection molding, taking into account the effects of temperature, water content and fiber orientations induced by the process. Thus, in a first step, the characterization of the mechanical behavior of PA66GF30 for different fiber orientations, temperatures, moisture contents and strain rates, was conducted. They have highlighted the role of the polyamide matrix (PA66) in the temperature, water content and strain rate behavior dependence of PA66GF30. In this sense, Time-Temperature-Water content equivalence of mechanical behaviour of PA66 was demonstrated using master curves obtained by DMA. A new expression of the equivalent strain rate at temperature reference and a water content reference was then deduced, and it is now possible to relay the triple sensitivity to strain rate, temperature and water content in only one term. Then, a fatigue test campaign in controlled environmental conditions, allowed to study the effects of fiber orientation, temperature and water content on the fatigue behaviour of PA66GF30 specimens. The mechanical analysis of these tests has led to the identification of a fatigue life criterion, taking into account all the influencing factors. Finally, the X-ray microtomography under synchrotron beam was used to study the mechanisms in fatigue damage present in the PA66GF30, following post-mortem analysis and in-situ experiments. The analysis of these observations has shed light on the mechanisms damage and, it has been proposed a new fatigue damage scenario.

Innovative 3D spacer fabrics made from individual planes and connecting layers present great potential as complexly shaped textile preforms in lightweight composite applications. As one of the most flexible textile manufacturing methods, flat knitting enables the production of intricately shaped textile structures. The major advantages coupled with flat knitting techniques include the ability to produce multi-layer reinforcements, a diminishing waste, reducing production time and near-net shaping. This research includes the further development of flat knitting technology and the manufacturing processes of innovative, customized 3D spacer fabrics for high performance composite applications. Novel 3D spacer fabrics have been developed in different geometries using glass-polypropylene commingled hybrid yarns for complex shaped thermoplastic composite components. Reinforcement yarns have been integrated into spacer fabric structures with up to 4 reinforcement layers to improve mechanical performance. Furthermore, the successful addition of “sensor networks” created by integrating functional yarns into the 3D spacer fabrics could be used for structural health monitoring. Innovative integration concepts, which accommodate different positioning of the reinforcement yarns into the knit structures, can be used to adjust the mechanical properties of the finished knit composites. Moreover, the tensile properties have been accurately predicted based on the mathematical models formulated. The developed flat knitted 3D spacer fabrics are very promising for applications in lightweight composites, mechanical engineering, protective textiles, civil engineering and architectural designs. / Innovative 3D-Spacer Fabrics bestehend aus individuellen Deckflächen und Verbindungsstegen bieten ein großes Potential als komplex geformte textile Halbzeuge für Leichtbauverbundwerkstoffanwendungen. Mit Hilfe des Flachstrickens, welches einer der flexibelsten textilen Herstellungsprozesse ist, lassen sich komplex geformte textile Strukturen herstellen. Belastungsgerechte Verstärkungen, Abfallreduzierung, endkonturnahe Fertigung sind nur einige der großen Vorteile der modernen Flachstricktechnik. Die Forschungsarbeit beinhaltet die Entwicklung der Flachstricktechnologie und des Herstellungsprozesses für innovative 3D-Spacer Fabrics für Hochleistungsverbundwerkstoffe. Neuartige 3D-Spacer Fabrics wurden in unterschiedlichen Geometrien entwickelt, in dem Glas-/ Polypropylen Commingling-Hybridgarn für komplex geformte thermoplastische Verbundwerkstoffkomponenten eingesetzt wird. Verstärkungsfäden wurden für hochmechanische Belastungen in die Spacer-Fabric-Strukturen in bis zu 4 Verstärkungschichten integriert. Die erfolgreiche Umsetzung und Entwicklung von Sensornetzwerken durch die Integration von funktionalen Fäden in die 3D-Spacer Fabrics kann für die strukturelle Zustandsüberwachung genutzt werden. Die innovativen Integrationskonzepte erlauben die differenzierte Orientierung von Verstärkungsfäden in den Gestrickstrukturen, wodurch eine starke Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Gestrickverbundwerkstoffe herbeigeführt wird. Darüber hinaus wurden die Zugeigenschaften basierend auf den entwickelten mathematischen Modellen vorhergesagt. Die entwickelten flachgestrickten 3D-Spacer Fabrics sind sehr vielversprechend beispielweise für die Anwendung in Leichtbauverbundwerkstoffen, im Maschinenbau, in Schutztextilien, im Bauingenieurwesen und Architekturdesign.

Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκε μία γενικευμένη μεθοδολογία βελτιστοποίησης των διεργασιών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μορφοποίηση και συνένωση κατασκευαστικών στοιχείων από σύνθετο υλικό, με κριτήριο την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος. Στην μεθοδολογία που προτείνεται, η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της μονάδας παραγωγής, μορφοποίησης ή συγκόλλησης των κατασκευαστικών στοιχείων θεωρούνται μεταβλητές. Επομένως, για την βελτιστοποίηση της αντίστοιχης διεργασίας με κριτήρια την ποιότητα και το κόστος του παραγόμενου προϊόντος θεωρούνται ως μεταβλητά μεγέθη τόσο οι τιμές των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. πίεση, θερμοκρασία, χρόνος κλπ.) όσο και η διάταξη και τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά της σχετικής μονάδας για την εφαρμογή της διεργασίας (π.χ. διάταξη και τεχνικά χαρακτηριστικά της μονάδας θέρμανσης). Η μεθοδολογία μπορεί να εφαρμοστεί στο σύνολο των διεργασιών που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά και ευκολότερα σε διεργασίες στις οποίες είναι δυνατή η άμεση επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας και η μεταβολή των διατάξεων της χρησιμοποιούμενης συσκευής∙ βασίζεται στην θεώρηση ότι σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το κόστος καθώς και την ποιότητα του παραγόμενου προϊόντος είναι ο κύκλος θέρμανσης που θα επιλεγεί. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει την πειραματική διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της διεργασίας και ειδικότερα του κύκλου θέρμανσης στα προκαθορισμένα χαρακτηριστικά ποιότητας του παραγόμενου προϊόντος (π.χ. κρίσιμες μηχανικές ιδιότητες) καθώς και συσχέτιση των παραπάνω παραμέτρων με το τελικό κόστος παραγωγής, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της εκτίμησης κόστους με βάση τη δραστηριότητα (Activity Based Costing method). Από την παραπάνω διερεύνηση προκύπτουν οι συναρτήσεις ποιότητας, οι οποίες κυρίως από το υλικό που χρησιμοποιείται, και οι συναρτήσεις εκτίμησης κόστους, οι οποίες εξαρτώνται κυρίως από την διεργασία. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνται για τον προσδιορισμό των παραπάνω συναρτήσεων είναι διαθέσιμα, κυρίως από την βιομηχανία. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας στις περιπτώσεις που δεν είναι διαθέσιμα επαρκή πειραματικά δεδομένα, γίνεται προσομοίωση του κύκλου θέρμανσης με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με την βοήθεια της οποίας κατασκευάζονται παραμετρικά μοντέλα, όπου εφαρμόζεται ‘εικονικά’ ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών κύκλων θέρμανσης και υπολογίζονται τα θερμικά μεγέθη που αντιστοιχούν στον καθένα (χρόνος και ρυθμός θέρμανσης, θερμοκρασία υλικού και κατανομή αυτής κλπ.). Τα μεγέθη αυτά αξιοποιούνται στην συνέχεια για τον υπολογισμό των μεγεθών ποιότητας και του κόστους κάνοντας χρήση των Συναρτήσεων Ποιότητας και των Συναρτήσεων Εκτίμησης Κόστους αντίστοιχα. Ο βέλτιστος συνδυασμός των παραμέτρων της διεργασίας και του κύκλου θέρμανσης καθώς και των ορίων που μπορούν να κυμαίνονται αυτά ώστε να ικανοποιείται η απαίτηση για την εξασφάλιση των προκαθορισμένων χαρακτηριστικών ποιότητας με το μικρότερο δυνατό κόστος, προκύπτει μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας βελτιστοποίησης. Για την εφαρμογή της παραπάνω μεθοδολογίας βελτιστοποίησης αναπτύχθηκε και προτείνεται ένα υπολογιστικό εργαλείο-λογισμικό, το LTSM-OPT (Laboratory of Technology and Strength of Materials Process Optimization Tool). Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δύο νέες διεργασίες που χρησιμοποιούνται στα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά, την διεργασία ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα (‘cold’ diaphragm forming) και την διεργασία συγκόλλησης με λέιζερ (laser transmission welding). Στο πλαίσιο αυτό, ο κύκλος θέρμανσης, που περιλαμβάνεται και στις δύο υπό εξέταση διεργασίες, προσομοιώθηκε με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό την ‘εικονική’ εφαρμογή των αντίστοιχων κύκλων θέρμανσης στο υλικό που εξετάστηκε. Στην συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό LTSM-OPT, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι των παραπάνω διεργασιών και οι αντίστοιχοι κύκλοι θέρμανσης για την παραγωγή του θόλου ελικοπτέρου καθώς και για την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στο εσωτερικό μέρος της ατράκτου αεροσκαφών, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας αξιολογήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν από την εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων EUROCOPTER και την εταιρεία κατασκευής αεροσκαφών AIRBUS για την εγκατάσταση μίας νέας μονάδας ‘ψυχρής’ μορφοποίησης με διάφραγμα και την παραγωγή πρωτοτύπων θόλων ελικοπτέρου, καθώς και για την ρύθμιση της διάταξης του υπάρχοντος συστήματος συγκόλλησης με λέιζερ διόδου και την συγκόλληση ενισχυτικών δοκών στην άτρακτο αεροσκαφών, αντίστοιχα. / In the framework of the current PhD thesis, a generic concept for the optimization of manufacturing processes of composite material components with regard to product’s quality and cost is introduced. In the proposed concept the configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. For processes offering flexibility in selecting process features and parameters, the concept can be applied straight forward. The proposed concept relies on the consideration of the processes thermal cycle as essential for both the quality and cost of the produced part. It involves a quality sensitivity analysis based on experimental data, which relates the values of the thermal cycle parameters to predefined quality characteristics (e.g. critical mechanical properties) as well as a cost analysis by relating the parameters of the thermal cycle to cost data using the Activity Based Costing (ABC) methodology. Outcome of the above analyses is the derivation of the material dependent Quality Functions (QFs) along with the derivation of the process dependent Cost Estimation Relationships (CERs). The configuration of the manufacturing unit is considered as an option for optimizing families of products with regard to quality and cost. To achieve this, the heating process has been simulated by developing a parametric Finite Element model, so as to virtually conceive heating units and calculate the corresponding thermal cycles. The latter are exploited to calculate quality and cost values using the derived QFs and CERs. The optimal thermal cycle which leads to minimum cost that satisfies the design and quality requirements, along with the allowable thermal cycle windows, is derived, by involving an iterative optimization procedure. To carry out the optimization procedure a suitable software tool, the LTSM-OPT tool, is developed and introduced. The proposed concept has been applied to optimize the ‘cold’ Diaphragm Forming (CDF) process, as well as, the Laser Transmission Welding process (LTW). The thermal sub-process involved in the processes under consideration is numerically simulated such as to allow for the virtual application of the respective thermal cycle on the material. Using the developed software the features of the CDF heating system and the LTW system configuration along with the optimal thermal cycle for producing a helicopter canopy as well as for welding stiffeners on the aircraft fuselage skin, respectively, were obtained. The results of the first study were successfully exploited by EUROCOPTER to install a new flexible CDF facility and produce helicopter canopies by applying the derived optimal thermal cycle. As well, the results of the latter analysis were successfully exploited by AIRBUS to configure and adapt a laser diode source device to weld stiffeners and riblets to the aircraft fuselage skin, and thus produce integral aeronautic structures, by applying the optimized solution derived from the present study.

A utilização de compósitos com matrizes termoplásticas na indústria aeronáutica aparece com forte tendência de utilização na construção de aeronaves, dado o seu potencial de produção a baixo custo, a sua possibilidade de reciclagem e a facilidade na execução de reparos. Dentre os polímeros termoplásticos utilizados em compósitos, o PEEK (poli(éter-éter-cetona)) tem atraído considerável interesse como um polímero avançado de engenharia, devido ao seu desempenho mecânico, que reforçado com fibras de carbono apresenta características de resistência mecânica desejáveis para serem utilizadas em estruturas de alto desempenho. Entretanto, os compósitos poliméricos podem apresentar mecanismos de degradação quando expostos a ambientes agressivos como a elevada temperatura e umidade e também, a radiação ultravioleta. Neste sentido, o objetivo do presente trabalho é avaliar a influência do condicionamento higrotérmico e da radiação ultravioleta na propriedade mecânica de resistência ao cisalhamento interlaminar (ILSS) e no comportamento viscoelástico (DMTA) do compósito termoplástico de PEEK/fibra de carbono, assim como, avaliar a influência dos parâmetros de processamento na obtenção do compósito via moldagem por compressão a quente. Os resultados mostram que no processamento, a utilização constante de pressão durante a etapa de resfriamento do compósito é fundamental para a sua consolidação, refletindo no ensaio de resistência ao cisalhamento interlaminar (18,4 MPa). As análises viscoelásticas das amostras submetidas aos condicionamentos ambientais (higrotérmico e ultravioleta) mostram que o condicionamento que mais afetou o compósito foi o higrotérmico. As análises demonstraram que a temperatura de transição vítrea das amostras ensaiadas por condicionamento higrotérmico (Tg=115 C) foi muito afetada, comparativamente as amostras não condicionadas (Tg=147 C), indicando o efeito deletério do condicionamento higrotérmico nas amostras. / The use of thermoplastic matrix composites in the aerospace industry comes up with a strong tendency to use in airplane applications, because of potential low cost production, recyclability and making repairs facilities. Among the thermoplastic polymers used in composites, PEEK (poly(ether ether ketone)) has attracted considerable interest as an advanced engineering polymer due to its mechanical performance which reinforced with carbon fibers, provides mechanical strength characteristics desirable for use in high performance structures. However, polymeric composites can present degradation mechanisms when exposed to aggressive atmosphere such as high temperature and moisture, also ultraviolet (UV) radiation. This way, the aim of this study is to evaluate the influence of hygrothermal conditioning and ultraviolet radiation on the interlaminar shear strength (ILSS) mechanical property and the viscoelastic behavior (DMTA) of the PEEK/carbon fiber thermoplastic composite, and also to evaluate the processing parameters influence to make the composite via hot compression molding. The results show in this method that, the use of constant pressure is critical to its consolidation during the composite cooling step, reflecting the shear strength testing (18.4 MPa). The samples viscoelastic analysis subjected to the environmental conditioning (hygrothermal and UV) show that the hygrothermal conditioning the most affected the composite. Analysis showed that the samples glass transition temperature tested by hygrothermal conditioning (Tg=115 C) was very affected compared to non-conditioned samples (Tg=147 C), indicating the hygrothermal conditioning deleterious effect on the samples.

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.

Der komplexe Verarbeitungsprozess endlosfaserverstärkter Textilthermoplaste beeinflusst maßgeblich die resultierende textile Struktur und damit im gleichen Maße die strukturellen Eigenschaften des Verbundes. Zur vollständigen Ausschöpfung des vielversprechenden Potentials dieser innovativen Werkstoffgruppe ist es daher notwendig, die Fertigungssimulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der komplexen Deformationsphänomenologie von Textilthermoplasten beim Thermoformen vorgenommen, wobei die eingehende Analyse der lokalen Textilthermoplaststruktur und -verformung fokussiert wird. Auf Grundlage eines umfangreichen experimentellen Prüfprogramm wird abschließend zur modellbasierten Beschreibung der Deformationsvorgänge ein neuartiges Multi-Skalen-Modell entwickelt, mit dem sich die auftretende Phänomenologie virtuell wiedergeben lässt.