Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Darmstadt.

Thermoplastische Kunststoffe werden zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften häufig mit Kurzfasern verstärkt, wodurch sich jedoch eine anisotrope Eigenschaftscharakteristik einstellt. Dies führt oftmals zu ungewohntem Werkstoff- und Bauteilverhalten. Die Fertigungsparameter und -randbedingungen im Spritzgießprozess besitzen einen großen Einfluss auf lokale Faserorientierungen, wovon auch die globalen Bauteileigenschaften abhängen. Für eine werkstoffgerechte Auslegung von derartigen Bauteilen sind tiefgreifende Verständnisse über die mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie die Kopplung von Spritzgieß- und Bauteilsimulation unerlässlich. Diese sogenannte integrative Simulation wird am Beispiel eines Strukturbauteiles aufgezeigt.

X-ray dark-field imaging allows to resolve the conflict between the demand for centimeter scaled fields of view and the spatial resolution required for the characterization of fibrous materials structured on the micrometer scale. It draws on the ability of X-ray Talbot interferometers to provide full field images of a sample's ultra small angle scattering properties, bridging a gap of multiple orders of magnitude between the imaging resolution and the contrasted structure scale. The correspondence between shape anisotropy and oriented scattering thereby allows to infer orientations within a sample's microstructure below the imaging resolution. First demonstrations have shown the general feasibility of doing so in a tomographic fashion, based on various heuristic signal models and reconstruction approaches. Here, both a verified model of the signal anisotropy and a reconstruction technique practicable for general imaging geometries and large tensor valued volumes is developed based on in-depth reviews of dark-field imaging and tomographic reconstruction techniques. To this end, a wide interdisciplinary field of imaging and reconstruction methodologies is revisited. To begin with, a novel introduction to the mathematical description of perspective projections provides essential insights into the relations between the tangible real space properties of cone beam imaging geometries and their technically relevant description in terms of homogeneous coordinates and projection matrices. Based on these fundamentals, a novel auto-calibration approach is developed, facilitating the practical determination of perspective imaging geometries with minimal experimental constraints. A corresponding generalized formulation of the widely employed Feldkamp algorithm is given, allowing fast and flexible volume reconstructions from arbitrary tomographic imaging geometries. Iterative reconstruction techniques are likewise introduced for general projection geometries, with a particular focus on the efficient evaluation of the forward problem associated with tomographic imaging. A highly performant 3D generalization of Joseph's classic linearly interpolating ray casting algorithm is developed to this end and compared to typical alternatives. With regard to the anisotropic imaging modality required for tensor tomography, X-ray dark-field contrast is extensively reviewed. Previous literature is brought into a joint context and nomenclature and supplemented by original work completing a consistent picture of the theory of dark-field origination. Key results are explicitly validated by experimental data with a special focus on tomography as well as the properties of anisotropic fibrous scatterers. In order to address the pronounced susceptibility of interferometric images to subtle mechanical imprecisions, an efficient optimization based evaluation strategy for the raw data provided by Talbot interferometers is developed. Finally, the fitness of linear tensor models with respect to the derived anisotropy properties of dark-field contrast is evaluated, and an iterative scheme for the reconstruction of tensor valued volumes from projection images is proposed. The derived methods are efficiently implemented and applied to fiber reinforced plastic samples, imaged at the ID19 imaging beamline of the European Synchrotron Radiation Facility. The results represent unprecedented demonstrations of X-ray dark-field tensor tomography at a field of view of 3-4cm, revealing local fiber orientations of both complex shaped and low-contrast samples at a spatial resolution of 0.1mm in 3D. The results are confirmed by an independent micro CT based fiber analysis. / Die Röntgen-Dunkelfeld-Bildgung vermag den Widerspruch zwischen dem Bedarf nach großen Sichtfeldern im Zentimeterbereich und der nötigen Bildauflösung zur Charakterisierung von Fasermaterialien mit Strukturgrößen im Mikrometerbereich aufzulösen. Sie bedient sich dafür der Eigenschaft von Röntgen-Talbot-Interferometern, Ultrakleinwinkelstreueigenschaften einer Probe vollflächig abzubilden, womit eine Lücke von mehreren Größenordnung zwischen der Bildauflösung und der konstrastgebenden Strukturgröße überbrückt werden kann. Der Zusammenhang zwischen Strukturanisotropie und gerichteter Streuung ermöglicht dabei Rückschlüsse auf die Orientierung der Mikrostruktur einer Probe unterhalb der Bildauflösung. Erste Demonstrationen haben, basiered auf verschiedenen heuristischen Signalmodellen und Rekonstruktrionsansätzen, die grundsätzliche Erweiterbarkeit auf die Volumen-Bildgebung gezeigt. In der vorliegenden Arbeit wird, aufbauend auf einer umfassenden Analyse der Dunkelfeld-Bildgebung und tomographischer Rekonstruktionsmethoden, sowohl ein verifiziertes Modell der Signalanisotropie als auch eine Rekonstruktionstechnik entwickelt, die für große tensorwertige Volumina und allgemeine Abbildungsgeometrien praktikabel ist. In diesem Sinne wird ein weites interdisziplinäres Feld von Bildgebungs- und Rekonstruktionsmethoden aufgearbeitet. Zunächst werden anhand einer neuen Einführung in die mathematische Beschreibung perspektivischer Projektionen essenzielle Einsichten in die Zusammenhänge zwischen der greifbaren Realraum-Darstellung der Kegelstrahl-Geometrie und ihrer technisch relevanten Beschreibung mittels homogener Koordinaten und Projektionsmatrizen gegeben. Aufbauend auf diesen Grundlagen wird eine neue Methode zur Auto-Kalibration entwickelt, die die praktische Bestimmung von perspektivischen Abbildungsgeometrien unter minimalen Anforderungen an die experimentelle Ausführung ermöglicht. Passend dazu wird eine verallgemeinerte Formulierung des weit verbreiteten Feldkamp-Algorithmus gegeben, um eine schnelle und flexible Volumenrekonstruktion aus beliebigen tomographischen Bildgebungsgeometrien zu ermöglichen. Iterative Rekonstruktionsverfahren werden ebenfalls für allgemeine Aufnahmegeometrien eingeführt, wobei ein Schwerpunkt auf der effizienten Berechnung des mit der tomographischen Bildgebung assoziierten Vorwärtsproblems liegt. Zu diesem Zweck wird eine hochperformante 3D-Erweiterung des klassischen, linear interpolierenden Linienintegrationsalgorithmus von Joseph entwickelt und mit typischen Alternativen verglichen. In Bezug auf die anisotrope Bildmodalität, die die Grundlage der Tensortomographie bildet, wird der Röntgen-Dunkelfeld-Kontrast umfassend besprochen. Die vorhandende Literatur wird dazu in einen gemeinsamen Kontext und eine gemeinsame Nomenklatur gebracht und mit neuen Überlegungen zu einer konsistenten Darstellung der Theorie zur Dunkelfeldsignalentstehung vervollständigt. Zentrale Ergebnisse werden dabei explizit anhand experimenteller Daten verifiziert, wobei besonders die Tomographie und die Eigenschaften anisotroper, faseriger Streuer im Vordergrund stehen. Um die ausgeprägte Empfindlichkeit interferometrischer Bilder auf feinste mechanische Instabilitäten zu kompensieren, wird ein effizientes Optimierungsverfahren zur Auswertung der Rohdaten aus Talbot-Interferometern entwickelt. Schließlich wird die Anwendbarkeit von linearen Tensor-Modellen in Bezug auf die hergeleiteten Anisotropie-Eigenschaften des Dunkelfeld-Kontrastes diskutiert, und ein iteratives Verfahren für die Rekonstruktion tensorwertiger Volumen aus Projektionsbildern vorgeschlagen. Die entwickelten Methoden werden effizient implementiert und auf Proben aus faserverstärktem Kunstoff angewandt, die dafür an der Bildgebungs-Strahllinie ID19 des Europäischen Synchrotrons ESRF abgebildet wurden. Die Ergebnisse stellen eine bisher einmalige Demonstration von Röntgen-Dunkelfeld-Tensor-Tomographie mit einem Sichtfeld von 3-4cm dar, wobei lokale Faserorientierung sowohl für komplex geformte als auch kontrastarme Objekte mit einer räumlichen Auflösung von 0.1mm in 3D dargestellt werden kann. Ein unabhängiger Vergleich mit Mikro-CT basierter Faser-Analyse bestätigt die Ergebnisse.

Thermoplastische Kunststoffe werden zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften häufig mit Kurzfasern verstärkt, wodurch sich jedoch eine anisotrope Eigenschaftscharakteristik einstellt. Dies führt oftmals zu ungewohntem Werkstoff- und Bauteilverhalten. Die Fertigungsparameter und -randbedingungen im Spritzgießprozess besitzen einen großen Einfluss auf lokale Faserorientierungen, wovon auch die globalen Bauteileigenschaften abhängen. Für eine werkstoffgerechte Auslegung von derartigen Bauteilen sind tiefgreifende Verständnisse über die mechanischen, thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie die Kopplung von Spritzgieß- und Bauteilsimulation unerlässlich. Diese sogenannte integrative Simulation wird am Beispiel eines Strukturbauteiles aufgezeigt.

Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erzielen ihre herausragende Festigkeit und Steifigkeit durch exakte Anpassung der Faserverläufe im Bauteil an die im Einsatz wirkenden Belastungen. Für eine Qualitätskontrolle und eine Optimierung der Fertigungsverfahren ist daher ein Verfahren notwendig, das in der Lage ist, die Faserorientierung in 3D-Preforms (mehrlagigen, drapierten Vorformlingen aus trockenen Carbonfasern) und 3D-CFK zerstörungsfrei zu messen und mit der Soll-Faserorientierung zu vergleichen. Die derzeit für die Faserorientierungsmessung eingesetzten optischen bzw. Röntgen-CT-Verfahren sind hierfür nur beschränkt geeignet, da optische Verfahren auf die oberste Lage und Röntgen-CT-Verfahren auf Kleinproben beschränkt sind. In dieser Arbeit wird daher ein Verfahren entwickelt, das die Faserorientierung in mehrlagigen 3D-Carbonfaserpreforms und -CFK zerstörungsfrei messen kann. Grundlage hierfür ist die Hochfre-quenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der Verläufe der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen, übereinander gestapelten Lagen des CFK erlaubt. Um hierauf aufbauend eine vollauto-matische Faserorientierungsmessung zu schaffen, wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung komplex geformter 3D-Oberflächen entwi-ckelt. Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild der Oberfläche wird anschließend über einen auf lokaler Abwicklung und Fouriertransformation beruhenden Algorithmus die lokale Faserorientie-rung in den einzelnen Lagen gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die Messunsicherheit des Verfahrens wird anhand systematischer experimenteller Untersuchungen an 2-, 4-, 6- und 8-lagigen 2D-Gelegestapeln quantifiziert. Untersucht wird hierbei auch der Einfluss der Materialparameter (Gelegetyp) sowie der Messparameter (Spulenanordnung, Spulendurch-messer, Sensororientierung, Messfrequenz) auf die sich ergebende Messunsicherheit, woraus Empfehlungen für die Wahl von Sensor und Messfrequenz abgeleitet werden. Das entwickelte Messverfahren wird anschließend an zwei 3D-Anwendungsfällen validiert. Als erster Anwendungsfall wird ein vierlagiges, komplex geformtes CFK-Bauteil betrachtet. Es wird gezeigt, wie mithilfe des entwickelten Messverfahrens die Faserorientierung aller vier Lagen zerstörungsfrei erfasst werden kann. Verschiedene Exemplare desselben Bauteils werden hinsicht-lich der Faserorientierung verglichen. Anschließend wird im zweiten Anwendungsfall ein automati-scher Drapierprozess zu einer Halbkugel betrachtet, bei dem verschiedene, ein-, zwei und vierlagi-ge textile Halbzeuge hinsichtlich der sich ausbildenden Faserorientierung nach der Drapierung verglichen werden, mit dem Ziel, das Verformungsverhalten mehrlagiger Strukturen besser zu verstehen und Empfehlungen für die Halbzeugauswahl abzuleiten. In einem abschließenden Schritt werden Schnittstellen geschaffen, um die Faserorientierungsmes-sung in den CFK-Entwicklungsprozess zu integrieren. Zum einen wird durch eine Schnittstelle zur Drapiersimulation ein quantitativer Vergleich zwischen vorausgesagter und Ist-Faserorientierung möglich, zum anderen wird gezeigt, wie die gemessenen Faserorientierungen der Einzellagen direkt zur Parametrierung von Struktursimulationen verwendet werden können. Das entwickelte Verfah-ren ermöglicht damit eine fundierte Festigkeits- und Steifigkeitsanalyse mit den zerstörungsfrei gemessenen Faserorientierungen nach dem Umformprozess.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblick / The superior strength and stiffness of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) results from an exact adaptation of the component’s fiber orientation to the external loads during service. Quality control, as well as development and optimization of the production processes, thus require a method to non-destructively measure the fiber orientation in 3D preforms (draped multilayer stacks made of dry carbon fibers) and CFRP. Currently, this fiber orientation measurement is done by optical or X-ray computer tomography methods, which are limited, however to the uppermost, optical visible fabric layer (optical methods) or to small sample sizes (X-ray computer tomography). Therefore, this thesis develops a method to non-destructively measure the 3D fiber orientation in multi-layer 3D preforms and CFRP. The starting point for this development is the technique of high-frequency eddy current testing, which allows an imaging of the individual carbon yarn courses in multiple stacked textile layers. In order to develop a fully-automated fiber orientation measure-ment process with this technique, in a first step a robot path planning is developed that allows the complete scanning of a complexly-shaped 3D surface with an eddy current sensor. From the resulting 3D eddy current image of the surface, the local fiber orientation of the individual layers is measured by local development (flattening) of the surface and a Fourier transformation. The uncertainty of measurement for this method is quantified from experiments with 2-, 4-, 6- and 8-layer 2D non-crimp fabric stacks. The influence of the material parameters (type of fabric) as well as of the measurement parameters (sensor type, coil diameter, sensor orientation, measure-ment frequency) is evaluated. Recommendations for the choice of sensor and measurement frequency are derived. The developed measurement method is subsequently validated with two different 3D application cases. As a first application case, a four-layer, complexly-shaped CFRP component is analyzed. It is shown how the developed measurement method can be used to non-destructively measure the fiber orientation of all four layers. Different specimen of the same CFRP component are compared regarding fiber orientation. The second application case is an automated draping process to a hemispherical shape, for which one-, two- and four-layer textile fabrics are compared regarding the fiber orientation after draping, in order to better understand the forming properties of multi-layer structures and derive recommendations for the choice of textile. In the final step, software interfaces are developed to integrate the fiber orientation measurement into the CFRP design and development process. It is integrated with a draping simulation, to allow a quantitative comparison of the predicted and the measured fiber orientations. Furthermore, it is shown how the measured fiber orientation of the individual fabric layers can be used for the parametrization of finite element structural simulations. The developed measurement method thus lays the base for a substantiated strength and stiffness analysis based on the component’s actual as-is fiber orientation after the draping process.:1 Einleitung 2 Grenzen bestehender Verfahren zur Faserorientierungsmessung bei der CFK-Herstellung 3 Stand der Technik zur Wirbelstromprüfung von Carbonfasermaterialien 4 Entwicklung einer Roboter-Bahnplanung zur vollständigen Erfassung einer 3D-Oberfläche 5 Entwicklung einer Faserorientierungsmessung aus 3D-Wirbelstromdaten 6 Experimentelle Untersuchung der Messunsicherheit an 2D-Gelegestapeln 7 Verfahrenserprobung an mehrlagigen 3D-Preforms und CFK 8 Integration der Faserorientierungsmessung in den CFK-Entwicklungsprozess 9 Zusammenfassung und Ausblick

In this work, the material distribution, structure of fiber orientation and fiber attrition in sandwich and push-pull injection molded short fiber composites are investigated, regarding the effect of fiber content and processing parameters, given its direct relevance to mechanical properties. The prediction of the tensile strength of conventional, sandwich and push-pull injection molded short fiber composites are derived by an analytical method of modified rule of mixtures as a function of the area fraction between skin and core layers. The effects of fiber length and fiber orientation on the tensile strength are studied in detail. Modeling of the specialized injection molding processes have been developed and performed with the simulation program in order to predict the material distribution and the fiber orientation state. The secondorder orientation tensor (a11) approach is used to describe and calculate the local fiber orientation state. The accuracy of the model prediction is verified by comparing with corresponding experimental measurements to gain a further basic understanding of the melt flow induced fiber orientation during sandwich and push-pull injection molding processes.

Werkstoffe auf Basis duroplastischer Harze besitzen exzellente Gebrauchseigenschaften für viele Bereiche des industriellen Einsatzes. Vor allem durch die Spritzgießverarbeitung rieselfähiger duroplastischer Formmassen entsteht ein hohes Substitutionspotential gegenüber Bauteilen aus Metallen oder Hochleistungsthermoplasten. Jedoch führen bestehende Erkenntnisdefizite im Prozessverständnis zu Ressentiments hinsichtlich des Einsatzes duroplastischer Werkstoffe. Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit war die Ermittlung und Analyse der prozessinduzierten Werkstoffstruktur von spritzgegossenen technischen Phenolharzformteilen. Dabei wurden zum einen das Füllen der Werkzeugkavität und die sich ausbildende Faserorientierung untersucht und zum anderen die sich während des Temperns verändernde chemische Struktur. Anhand von Platten- sowie Zugprüfkörpern wurden sowohl beim Spritzgießen als auch beim Tempern Parametervariationen durchgeführt und die jeweils resultierende Werkstoffstruktur sowie deren Einfluss auf die Formteileigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsverhältnisse während der Werkzeugfüllung stark von den Prozessparametern und der Werkstoffzusammensetzung abhängig sind. Dadurch wird auch die Faserorientierung beeinflusst, sodass im Formteil lokal und richtungsabhängig stark unterschiedliche Eigenschaften entstehen können. Darüber hinaus konnte anhand einer alternativen Tempermethode geklärt werden, warum es beim Tempern zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften kommt und eine Möglichkeit zur Vermeidung gegeben werden. / Because of their excellent properties, thermosets can be applied in a bright range of industrial applications. Especially thermoset molding compounds can be processed highly effective by injection molding, which enables them to substitute metals or high performance thermoplastics. But there is a deficit in process understanding, which limits the industrial application. The objective of this work is the investigation and analysis of the process induced material structure of injection molded technical phenolic components. Therefor the filling of the cavity with the resulting fiber orientation and the chemical processes during post-curing were examined. A parameter variation with injection molded plate and tensile specimens were done and the resulting material structure and the effect on the component properties were analyzed. The results show a big influence of the process parameter and the material on the flow condition during the filling of the cavity. Thereby also the fiber orientation is affected. This leads to process-depending local and direction-depending properties. In addition, this work shows an alternative method for post-curing to avoid the decrease of mechanical properties.

Thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile im Automobil erfordern den Einsatz hochbeständiger Werkstoffe, bei gleichzeitig niedrigen Materialkosten und effizienter Verarbeitung. Rieselfähige Phenolharzformmassen zeichnen dabei eine Werkstoffklasse aus, die aufgrund ihres Eigenschaftsprofils neue Anwendungsbereiche für einen polymeren Werkstoffeinsatz ermöglichen können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden im Hinblick auf eine Bauteilentwicklung mithilfe der integrativen Simulation die Grundlagen einer ganzheitlichen Simulationskette der Prozess- und Struktursimulation von rieselfähigen Phenolharzen mit Kurz- und Langglasfaserverstärkung erarbeitet. Das auf Basis umfangreicher Prozessuntersuchungen abgeleitete Strömungsverhalten kann mithilfe des Block-/Scherströmungsmodells beschrieben werden. Die Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigen jedoch eine Orientierungsdynamik der Fasern, welche zum gegenwärtigen Zeitpunkt mithilfe der empirischen Modelle der klassischen Spritzgießsolver nicht abgebildet werden kann. Die mikromechanische Materialmodellierung erfolgt entsprechend an der experimentell ermittelten Mikrostruktur, welche die Berücksichtigung von Faserbündelungen und -krümmungen in der mechanischen Strukturanalyse erlaubt. Das abgeleitete elastoplastische Materialmodell wird zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens unter harmonischer und nichtharmonischer Schwingbeanspruchung um ein zyklisches Versagensmodell erweitert, welches eine mittellast- und temperaturunabhängige Berechnung unter Berücksichtigung der Anisotropie ermöglicht. Die Validierung der statischen und schwingenden Beanspruchung erfolgt an einer einfachen Probestabgeometrie sowie einem Strukturbauteil, einem PKW-Motorträger. / Thermally and mechanically highly stressed automotive components require the use of highly resistant materials, with low material costs and efficient processing. Phenolic resin molding compounds represent a class of materials, which can open up new applications for a polymeric material use due to their property profile. In the present work, the fundamentals of a simulation chain of fluid mechanical and structural simulation of phenolic resins with short and long glass fiber reinforcement are developed, with a view to component development using integrative simulation. Based on extensive process investigations the derived flow behavior can be described using the block/ shear flow model. However, the results of microstructure analysis show a dynamic of fiber orientation, which can not be predicted at the present time using the empirical models of classical injection molding simulation. Accordingly, the micromechanical modeling is carried out at the experimentally determined microstructure. That allows the inclusion of fiber bundling and bending in the mechanical structure analysis. The derived elastoplastic material model is extended by a fatigue failure model to predict the fatigue behavior under harmonic and non-harmonic cyclic stress which allows a calculation taking into account the anisotropy, the stress ratio and the temperature. The validation of the static stress and fatigue is performed both on a simple test bar geometry and a structural component, an automotive engine bracket.