Tagungsband

Textilbeton ist ein Verbundwerkstoff aus einer Feinbetonmatrix und einer textilen Bewehrung, die aus sogenannten Rovings besteht. Nach Reißen der spröden Matrix sind diese Rovings in der Lage, die Risse in der Matrix zu überbrücken. In diesem Beitrag wird ein analytisches Modell vorgestellt, welches den Einfluss der Rovings auf das Rissverhalten erfassen kann. Die Wirkung der Fasern wird durch rissüberbrückende Spannungen approximiert. Dabei kommt unter Annahme linear elastischen Materialverhaltens das bruchmechanische Konzept der Methode der Gewichtsfunktionen zum Einsatz. Als ein spezielles Anwendungsgebiet des vorgestellten bruchmechanischen Konzeptes werden Risse im Bereich von Übergreifungen der textilen Bewehrung untersucht. Hier kann es, abhängig von der vorhandenen Übergreifungslänge, zum Auszug der Rovings kommen. Um diesen Versagensmechanismus zu verhindern, ist eine Mindestübergreifungslänge erforderlich.

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

Das Löten wird als ein Fügeverfahren charakterisiert, bei dem die thermische Beeinflussung der Fügepartner minimal ist. Gleichzeitig ist damit jedoch der prinzipielle Mangel einer Lötverbindung verbunden, denn durch den Verzicht auf das Aufschmelzen des Grundwerkstoffs erreichen die Festigkeiten in der Regel nicht die der Grundwerkstoffe. Diesem Mangel läßt sich einerseits durch Überlapp- oder Steckverbindungen begegnen andererseits bilden sich bei sehr kleiner Lötspaltbreiten ( < 0,02 mm) und in Verbindung mit einem geeigneten Lot-Grundwerkstoff-System sog. Stengelkristallite aus, die über die Lötnaht wachsen und die Festigkeit des Lötverbundes nachhaltig verbessern. Es wird ein Konzept vorgestellt, mit dem der Anwendungsbereich der Stengelkristallite auf industrieübliche Lötspaltbreiten von bis zu 0,2 mm ausgebreitet wird. Die theoretischen Grundlagen werden durch umfangreiche Versuchsplanung und -durchführung bestätigt. Die Bewertung dieses Verbindungstyps im Vergleich zu Verbindungen ohne Stengelkristallite wird in umfangreichen statischen und dynamischen Festigkeitsuntersuchungen dargelegt. Metallographische Untersuchungen bestätigen den Einfluss auf die Festigkeitserhöhung.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien. Zum einen werden poröse Kohlenstoffe (C) für die Anwendung in Siliziumcarbid (SiC) faserverstärkten Verbundwerkstoffen (SiC/C) untersucht, deren Kohlenstoffmatrix definierte Porengrößen im einstelligen Mikrometerbereich aufweisen sollen, um anschließend über das Flüssigsilizierverfahren (LSI) eine stöchiometrische Umsetzung dieser mit flüssigen Silizium zu einer Siliziumcarbid-Matrix zu gewährleisten. Erhalten wird ein keramischer SiC/SiC-Faserverbundwerkstoff, der aufgrund seiner Beständigkeit in Hochtemperatur-Sauerstoffatmosphäre, für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt geeignet ist. Für dieses Ziel wurden verschiedene Kohlenstoffprecursoren, die Resole, Novolake und stickstoffhaltigen Phenolharze unter Zugabe von β-Naphthol, entwickelt. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Herstellung von porösen Kohlenstoffschäumen. Dafür wurden organische Carbonate dargestellt, deren Substituenten einer Stufenwachstumspolymerisation befähigt sind. In der Schmelze polymerisieren diese Säure-katalysiert und setzen dabei Kohlenstoffdioxid frei, welches gleichzeitig das Polymer schäumt. Die Zugabe eines geeigneten Tensides stabilisiert die Kohlenstoffdioxidblasen und generiert Schäume unter einer hohen Volumenexpansion. Die organischen Carbonate wurden zudem simultan mit Zwillingsmonomeren kationisch polymerisiert um einen Hybridmaterialschaum zu synthetisieren, der anschließend in hierarchisch strukturierte poröse Kohlenstoff- und Siliziumdioxidschäume umgewandelt werden kann. Neben klassischen Methoden zur Aufklärung der molekularen Strukturen, wie der Kernspinresonanz- (NMR) und Infrarot (IR)-Spektroskopie, wurden Morphologie und Porosität mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) beziehungsweise Stickstoffsorption und Quecksilberporosimetrie untersucht. Überdies kamen DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie) und TGA (Thermogravimetrische Analyse) zur Untersuchung des thermischen Verhaltens der Monomere und Polymere zum Einsatz.:1 Einleitung 2 Motivation und Zielsetzung 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Poröse Materialien und deren Charakterisierung 3.1.1 Einteilung nach der Porengröße 3.1.2 Einteilung nach der Porenmorphologie 3.1.3 Beschreibung und Bestimmung von der Porosität 3.1.4 Charakterisierung von Mikro- und Mesoporen 3.2 Herstellung von porösen Kohlenstoff- und Siliziumdioxidmaterialien 3.2.1 Harttemplatsynthesen 3.2.2 Weichtemplatsynthesen 3.2.3 Gelsynthesen und Emulsionstechniken 3.2.4 Schäumungsprozesse 3.2.5 Hybridmaterialien 3.2.6 Zwillingspolymerisation 3.2.7 Hierarchisch strukturierte Kohlenstoffmaterialien mittels Zwillingspolymerisation 3.3 Verwendung von porösen Kohlenstoffmaterialien 3.3.1 SiC/SiC-Faserverbundwerkstoffe 4 Ergebnisse und Diskussion 4.1 Synthese von Phenolharzen als Kohlenstoffprecursoren für SiC/C Faserverbundwerkstoffe 4.1.1 Anforderungen an die Kohlenstoffprecursoren für eine SiC-Matrix 4.1.2 Resole 4.1.3 Novolake und stickstoffhaltige Phenolharze 4.1.4 Molmassen 4.1.1 DSC- und Rheologie-Untersuchungen 4.1.2 Aushärtung der flüssigen Harzformulierungen 4.1.2.1 13C-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.1.3 Herstellung von Kohlenstoffen 4.1.4 Untersuchung der Morphologie und Porosität 4.1.4.1 Ausgehärtete Harze 4.1.4.2 Kohlenstoff 4.1.5 Herstellung und Charakterisierung der SiC/C-Faserverbundwerkstoffe 4.1.6 Untersuchung zur Struktur des Kohlenstoffs 4.1.7 Silizierung der Kohlenstoffe 4.1.8 Porosität durch Catecholoxalat 4.2 Kationische Polymerisation von organischen Carbonaten 4.2.1 Synthese organischer Carbonate 4.2.2 Polymerisationsverhalten organischer Carbonate 4.2.3 Kationische Polymerisation organischer Carbonate 4.2.4 Molmassen und thermisches Verhalten 4.2.5 Morphologie der Polymerschäume 4.2.6 Molekulare Struktur 4.2.7 Poröse Kohlenstoffe 4.3 Simultane Polymerisation von organischen Carbonaten und Zwillingsmonomeren 4.3.1 Theoretische Betrachtungen 4.3.2 Polymerisationsverhalten der Monomermischungen 4.3.3 Variation der Reaktionsbedingungen 4.3.4 Morphologie der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5 Molekulare Struktur der Organik/SiO2-Hybridmaterialschäume 4.3.5.1 13C {1H} CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.2 29Si-{1H}-CP-MAS-NMR-Spektroskopie 4.3.5.3 ATR-FTIR-Spektroskopie 4.3.5.4 Extraktionsversuche der Hybridmaterialien 4.3.5.5 Elementverteilung mittels Energiedispersiver Röntgenspektroskopie 4.3.6 Herstellung poröser Kohlenstoff- und SiO2-Schäume aus Hybridmaterialschäumen 4.3.6.1 Zusammensetzung des Hybridmaterial- und C/SiO2-Schaums 4.3.6.2 Morphologie der Kohlenstoff- und SiO2-Schäume 4.3.7 Porositätsuntersuchungen an porösen Kohlenstoff- und SiO2-Schäumen 4.3.7.1 Stickstoffsorption 4.3.7.2 Quecksilberporosimetrie 5 Zusammenfassung und Ausblick 6 Experimenteller Teil 6.1 Chemikalien 6.2 Charakterisierungsmethoden 6.3 Synthesen 6.3.1 Herstellung von Resolen 6.3.2 Herstellung eines Novolaks 6.3.3 Herstellung eines stickstoffhaltigen Phenolharzes 6.3.4 Herstellung einer flüssigen Harzmischung 6.3.5 Aushärtung der flüssigen Harze und Harzmischungen 6.3.6 Pyrolyse der ausgehärteten Phenolharze und Harzmischungen 6.3.7 Herstellung von SiC-faserverstärkten Kohlenstoffen (SiC/C) 6.3.8 Silizierung von Kohlenstoffen 6.3.9 1,1'-methylenebis(naphthalen-2-ol) 6.3.10 Catecholoxalat 6.3.11 Bis(furan-2-ylmethyl) carbonat (Difurfurylcarbonat DFC) 6.3.12 Bis(p-methoxybenzyl) carbonat (pC) 6.3.13 Bis(m-methoxybenzyl) carbonat (mC) 6.3.14 Tetrafurfuryloxysilan (TFOS) 6.3.15 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (Spiro) 6.3.16 Polymerisation von mC, pC und DFC 6.3.17 Simultane Polymerisation von Carbonaten mit Zwillingsmonomeren 6.3.18 Extraktion 6.3.19 Pyrolyse der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.20 Siliziumdioxid-Ätzen 6.3.21 Oxidation der Organik/SiO2-Hybridmaterialien 6.3.22 Oxidation der Kohlenstoff/SiO2-Materialien Anhang Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Persönliche Daten Ausbildung und beruflicher Werdegang Liste der Publikationen, Vorträge und Posterpräsentationen

Zur Erfassung der mechanischen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von Einzelfaser-Modellverbunden und deren Veränderung bei zyklischer Beanspruchung wurde ein elektronisches Mess- und Auswerteverfahren entwickelt. Der Hysteresemessplatz wird bezüglich der Messwerterfassung und Auswertung erweitert und dadurch dessen Messgenauigkeit und Anwendbarkeit verbessert. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen anhand des Hysteresemessverfahren (langsamer Einstufenversuch, dynamischer Einstufenversuch, Laststeigerungsversuch) wurden quasistatische Faserauszugtests (Pull-out) [76] durchgeführt. Durch kleine Amplituden von 3 – 4 µm findet die Messung im Bereich des linear-elastischen Materialverhaltens statt, wodurch die gemessenen Eigenschaften im Grenzschichtbereich von der Amplitude unabhängig sind. Kleine Schädigungen treten nur durch zyklische Beanspruchung auf. Somit können die Ermüdungseigenschaften des Einzelfaser-Modellverbundes im Grenzschichtbereich beobachtet werden. Die Einzelfaser-Modellverbunde wurden unter reproduzierbaren Bedingungen auf einer Fasereinbettanlage hergestellt. Der Einzelfaser-Modellverbund stellt eine Abstraktion der Komplexität des makroskopischen Verbundes dar. Dadurch ist eine selektive, lokale Aussage über die mikromechanischen Eigenschaften der Faser-Matrix-Grenzregion ermöglicht. Die in der Grenzschicht zwischen der Glasfaser und der Epoxidharzmatrix hervorgerufene Wechselwirkung wird durch die Oberflächenmodifizierung der Faser beeinflusst. Als Oberflächenmodifizierungen werden Aminopropyltriethoxysilan (APS) in Kombination mit Polyurethan (nicht kompatibel) sowie Epoxid-Filmbildner (kompatibel) betrachtet. Als Modellfälle kommen ungeschlichtete sowie mit Polyvinylacetat geschlichtete Glasfasern zur Anwendung. Als Modellmatrix wird ein reaktives Epoxidharz eingesetzt. Anhand verschiedener Faser-Matrix-Systeme kann festgestellt werden, dass der eingesetzte Haftvermittler eine gute Faser-Matrix-Haftung bewirken, wohingegen Filmbildner die Haftung verschlechtern, insbesondere wenn sie inkompatibel zur verwendeten Matrix sind. Durch unterschiedliche Oberflächenbehandlungen wird die Faser-Matrix-Haftung verändert, was auch zur Veränderung der Ermüdungseigenschaften während der zyklischen Belastung führt. Bei den APS-Proben mit Haftvermittler wurden sehr gute Haftung (hohe Werte für die Scheinbare Scherfestigkeit) zwischen der Glasfaser und der Matrix und gute Ermüdungseigenschaften (geringe Veränderung der Werte für scheinbare Scherfestigkeit, E-Modul etc.) erreicht. Bei den APS/EP-Proben wird durch den Zusatz von Filmbildnern die direkte Verbindung zwischen der Glasfaseroberfläche und der Matrix zum Teil abgeschwächt, was sich im Abfall sowohl der mechanischen Eigenschaften (Abfall de Werte für E-Modul, Steifigkeit etc.) als auch in schlechten Ermüdungseigenschaften widerspiegelt. Der Filmbildner auf Basis von Epoxidharz nimmt offensichtlich während des Herstellungsprozesses an der Vernetzung im Grenzschichtbereich teil und es erfolgt eine gute Interdiffusion der Schlichte in die Matrix. Dies führt dazu, dass APS/EP-Proben im Vergleich zu den APS/PU-Proben ein besseres Eigenschaftsbild aufweisen. APS/PU-Proben zeigen gegenüber ungeschlichteten Fasern eine etwas erhöhte Faser-Matrix-Haftung im Faserauszugstest, jedoch im dynamischen Einstufenversuch ist die Veränderung der Eigenschaften zwischen Anfang und Ende der Messung am größten. Bei der Deformation im Grenzschichtbereich ist bei dem Laststeigerungsversuch ein großer plastischer Anteil vorhanden, was dazu führt, dass das Versagen beim dynamischen Einstufenversuch nicht plötzlich auftritt. Es wird vermutet, dass beim Filmbildner auf Basis von Polyurethan nur eine geringe Interdiffusion in die Epoxidmatrix stattfindet. Bei den PVAc-Proben verleiht der PVAc-Filmbildner der Grenzschicht ebenfalls, trotz geringer Haftung zwischen Faser und Matrix, eine gewisse Plastizität und Fähigkeit, Energie zu dissipieren. Diese Eigenschaft der Schlichte kann auch bei den Laststeigerungsversuchen beobachtet werden. Die schwache Haftung führt jedoch beim Faserauszugtest zu kleinen scheinbaren Scherfestigkeiten. Ungeschlichtete Glasfasern bilden keine signifikante Faser-Matrix-Haftung, verbessert durch Wechselwirkung, aus, die der Dauerbelastung stand halten. Sehr kleine Werte für scheinbare Scherfestigkeiten im Faserauszugtest gehen konform mit einem spröden Versagen im Grenzschichtbereich, was sich in einem plötzlichen Abfall der Eigenschaften bei zyklischer Belastung bemerkbar macht. Im Vergleich zu den zyklischen Untersuchungen an Einzelfaser-Modellverbunden ergeben quasistatische Untersuchungen, bedingt durch die Signifikanz der Grenzschicht, gleiche Tendenzen. Eine gute Korrelation kann zu den Ergebnissen des statischen Querzugversuches an Unidirektionalverbunden festgestellt werden, da hier ebenfalls die Grenzschicht einen dominanten Einfluss ausübt. Die zyklische Wechselbelastung der unidirektionalen Zugprüfkörper reflektiert neben dem Grenzschichteinfluss sehr stark die Faserfestigkeit sowie Probleme des Lasteintrages, die nur bedingt mit einem Debonding sowie einem Scherversagen in der Grenzschicht verglichen werden kann. Bedingt durch unterschiedliche „Dehnbarkeit“ im Grenzschichtbereich (in der Grenzschicht) können Korrelationen zu den mikromechanischen Versuchsergebnissen bei zyklischer Wechselbelastung festgestellt werden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die hohe Empfindlichkeit des Hysteresemessverfahrens es ermöglicht, in kurzer Zeit den Einfluss verschiedener Oberflächenmodifizierungen zu beurteilen und damit eine Vorauswahl über die im Verbund gebildeten Grenzschichten zu treffen.

In der vorliegenden Arbeit wird das bruchmechanische Verhalten von Materialien untersucht, welche mit einer Faserverstärkung ausgestattet sind. Dies geschieht unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Ergebnisse und Methoden aus der stochastischen Geometrie. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells einer stochastischen kohäsiven Zone, welche bruchmechanische Vorgänge nahe der Rissspitze faserverstärkter Materialien beschreibt. Hierbei können Eigenschaften der zufälligen Natur der Faserverstärkung wie z.B. die Verteilung der Faserlänge und -orientierung aber auch der Natur der zufälligen Lage der Fasern zueinander verwendet werden. Mit Hilfe dieser und weiterer Charakteristiken des faserverstärkten Materials kann sowie der mittlere mechanische Widerstand gegen Rissöffnung als auch die Varianz desselben berechnet werden. Damit bildet diese Arbeit eine wesentliche Erweiterung und Verallgemeinerung ähnlicher Ergebnisse aus der Vergangenheit, welche mit diesem Thema beschäftigten. Darin wird lediglich der mittlere mechanische Widerstand unter Annahme konstanter Faserlänge und isortroper Faserorientierung thematisiert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass für Materialien mit gestreuter Faserlänge diese Annahme zu erheblichen Modellierungsfehlern führen kann. Darüber hinaus wird ein numerisches Verfahren vorgeschlagen um die erarbeiteten mathematischen Gleichungen effizient auszuwerten. Mit Hilfe der damit verbundenen Berechnungen und praktischen Messungen an faserverstärkten Materialien konnten die Ergebnisse des stochastischen Modells validiert werden.:1. Einleitung 2. Grundlagen und Begriffe 3. Stochastische Darstellung von Fasersystemen 4. Modellierung des mittleren Spannungs-Separations-Verhaltens 5. Die Varianz des Separationswiderstands 6. Monte-Carlo-Simulation der Modus-I-Separation mit Fasern 7. Experimentelle Validierung und Anwendung des stocahstischen Modells 8. Zusammenfassung und Ausblick

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sollen in kommenden Fahrzeugprojekten in verstärkter Weise zur Reduzierung des Karosseriegewichtes beitragen. Neue Werkstoffe und Einsatzbedingungen erfordern jedoch in gleichem Maße angepasste Konstruktionen und innovative Fügetechnologien. Um die Realisierung der Gewichtseinsparpotenziale in wirtschaftlich attraktiver Weise zu ermöglichen, muss daher die Fügbarkeit von CFK-Stahl-Verbindungen mittels umformtechnischer Prozesse gewährleistet werden. Insbesondere der bisher unbekannte Einfluss von Fügeimperfektionen stellt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Hemmschwelle für den industriellen Einsatz von CFK im Karosseriebau dar. Um sowohl die Einflüsse von Seiten des umformtechnischen Fügens als auch des werkstofflichen Einsatzgebietes CFK zu berücksichtigen, werden im Rahmen dieser Arbeit alle Teilgebiete der Fügbarkeit inklusive der Wechselbeziehungen zwischen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung analysiert. Aus dem Verständnis der Fügbarkeit als ganzheitliche, globale Querschnittsfunktion und der damit notwendigen Einbeziehung der Produktentstehungs- und Produktnutzungsprozesse wird zudem eine Ergänzung der Fügbarkeit um den Prozesskettengedanken vorgenommen. Durch analytische und experimentelle Betrachtungen wurde eine auf Regressionsanalysen basierende Methodik, bestehend aus der Einbringung, Quantifizierung und Einflussbewertung von Imperfektionen, entwickelt und validiert. Über diese Methodik kann der Einfluss von Fügeimperfektionen gezielt untersucht und beschrieben werden. Die getätigten Untersuchungen wurden zudem zur Weiterentwicklung geeigneter Fügeverfahren für den Einsatz bei CFK-Mischverbindungen genutzt und die gesammelten Erkenntnisse anschließend in Konstruktionshinweise überführt. Nach der Bewertung aller Herausforderungen, die für das Fügen in der automobilen Prozesskette wesentlich sind, kann die Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen mittels umformtechnischer Prozesse als gegeben betrachtet werden. Somit ergibt sich für CFK als Leichtbauwerkstoff, neben der Luftfahrtindustrie, in der Automobilbranche ein weiteres Einsatzfeld im Transportwesen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse dienten so auch als Grundlage für den weltweit ersten industriellen Einsatz des Halbhohlstanznietens bei CFK-Stahl-Verbindungen im neuen BMW 7er.

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe sollen in kommenden Fahrzeugprojekten in verstärkter Weise zur Reduzierung des Karosseriegewichtes beitragen. Neue Werkstoffe und Einsatzbedingungen erfordern jedoch in gleichem Maße angepasste Konstruktionen und innovative Fügetechnologien. Um die Realisierung der Gewichtseinsparpotenziale in wirtschaftlich attraktiver Weise zu ermöglichen, muss daher die Fügbarkeit von CFK-Stahl-Verbindungen mittels umformtechnischer Prozesse gewährleistet werden. Insbesondere der bisher unbekannte Einfluss von Fügeimperfektionen stellt in diesem Zusammenhang eine entscheidende Hemmschwelle für den industriellen Einsatz von CFK im Karosseriebau dar. Um sowohl die Einflüsse von Seiten des umformtechnischen Fügens als auch des werkstofflichen Einsatzgebietes CFK zu berücksichtigen, werden im Rahmen dieser Arbeit alle Teilgebiete der Fügbarkeit inklusive der Wechselbeziehungen zwischen Werkstoff, Konstruktion und Fertigung analysiert. Aus dem Verständnis der Fügbarkeit als ganzheitliche, globale Querschnittsfunktion und der damit notwendigen Einbeziehung der Produktentstehungs- und Produktnutzungsprozesse wird zudem eine Ergänzung der Fügbarkeit um den Prozesskettengedanken vorgenommen. Durch analytische und experimentelle Betrachtungen wurde eine auf Regressionsanalysen basierende Methodik, bestehend aus der Einbringung, Quantifizierung und Einflussbewertung von Imperfektionen, entwickelt und validiert. Über diese Methodik kann der Einfluss von Fügeimperfektionen gezielt untersucht und beschrieben werden. Die getätigten Untersuchungen wurden zudem zur Weiterentwicklung geeigneter Fügeverfahren für den Einsatz bei CFK-Mischverbindungen genutzt und die gesammelten Erkenntnisse anschließend in Konstruktionshinweise überführt. Nach der Bewertung aller Herausforderungen, die für das Fügen in der automobilen Prozesskette wesentlich sind, kann die Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen mittels umformtechnischer Prozesse als gegeben betrachtet werden. Somit ergibt sich für CFK als Leichtbauwerkstoff, neben der Luftfahrtindustrie, in der Automobilbranche ein weiteres Einsatzfeld im Transportwesen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse dienten so auch als Grundlage für den weltweit ersten industriellen Einsatz des Halbhohlstanznietens bei CFK-Stahl-Verbindungen im neuen BMW 7er.:1 EINLEITUNG 2 STAND DER TECHNIK 2.1 Mischbau mit CFK im Karosseriebau 2.2 Fügbarkeit von CFK-Mischverbindungen 2.2.1 Fügeeignung von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 2.2.2 Fügemöglichkeit von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 2.2.2.1 Blindnieten 2.2.2.2 Fließformschrauben 2.2.2.3 Stanznieten mit Halbhohlniet 2.2.2.4 Stanznieten mit Vollniet 2.2.3 Fügesicherheit von FKV-Mischverbindungen im Karosseriebau 3 UNTERSUCHUNGSZIEL UND WISSENSCHAFTLICHER ANSATZ 4 ANALYTISCHE BETRACHTUNGEN UND MODELLBILDUNG 4.1 Fügeeignung 4.1.1 Bauteilimperfektionen 4.1.2 Fügeimperfektionen 4.1.2.1 Klassifizierung von Fügeimperfektionen 4.1.2.2 Entwicklung einer Methodik zur Einbringung von Fügeimperfektionen 4.1.2.3 Analyse der in-plane Schubfestigkeit 4.1.2.4 Analyse der Zugfestigkeit in x-Richtung 4.1.2.5 Analyse der Lochleibungsfestigkeit 4.1.2.6 Analyse des Elementdurchzugversagens 4.1.2.7 Analyse des Verhaltens von mit Klebstoff hybrid gefügten Fügeverbindungen 4.2 Fügemöglichkeit 4.2.1 Blindnieten 4.2.2 Fließformschrauben 4.2.2.1 Parameteruntersuchung: Bit-Kraft und Drehzahl 4.2.2.2 Parameteruntersuchung: Anzugsmoment 4.2.2.3 Parameteruntersuchung: Vorlochdurchmesser 4.2.2.4 Elemententwicklung 4.2.3 Stanznieten mit Halbhohlniet 4.2.4 Stanznieten mit Vollniet 4.2.5 Delta-Alpha-Problematik 4.3 Fügesicherheit 4.3.1 Analyse des Scherbruchversagens 4.3.2 Verhalten unter verschiedenen Belastungszuständen 5 EXPERIMENTELLE BETRACHTUNGEN 5.1 Untersuchungsmethodik 5.1.1 Versuchswerkstoffe 5.1.2 Fügeelemente 5.1.3 Probengeometrien 5.1.4 Fügeeinrichtungen 5.1.5 Prüfmethoden 5.2 Fügeeignung 5.2.1 Bauteilimperfektionen 5.2.2 Fügeimperfektionen 5.2.2.1 Validierung einer zerstörungsfreien Prüfmethodik 5.2.2.2 Validierung der entwickelten Methodik zur Einbringung von Fügeimperfektionen 5.2.2.3 Auswirkungen auf die in-plane Schubfestigkeit 5.2.2.4 Auswirkungen auf die Zugfestigkeit in x-Richtung 5.2.2.5 Auswirkungen auf die Lochleibungsfestigkeit 5.2.2.6 Auswirkungen auf das Elementdurchzugversagen 5.2.2.7 Auswirkungen auf das Verhalten von mit Klebstoff hybrid gefügten Verbindungen 5.3 Fügemöglichkeit 5.3.1 Fließformschrauben 5.3.1.1 Parameteruntersuchung: Bit-Kraft und Drehzahl 5.3.1.2 Parameteruntersuchung: Anzugsmoment 5.3.1.3 Parameteruntersuchung: Vorlochdurchmesser 5.3.1.4 Elemententwicklung 5.3.2 Stanznieten mit Halbhohlniet 5.3.2.1 Parameteruntersuchungen 5.3.2.2 Elemententwicklung 5.3.3 Stanznieten mit Vollniet 5.4 Fügesicherheit 5.4.1 Experimentelle Analyse des Scherbruchversagens 5.4.2 Verhalten unter quasistatischer Belastung 5.4.2.1 Verhalten bei Raumtemperatur 5.4.2.2 Verhalten bei verschiedenen Einsatztemperaturen 5.4.3 Verhalten unter dynamischer Belastung 5.4.3.1 Verhalten unter dynamisch crashartiger Belastung 5.4.3.2 Verhalten unter dynamisch zyklischer Belastung 5.4.4 Verhalten unter korrosiver Belastung 5.5 Ableitung von Konstruktionsrichtlinien 6 FÜGBARKEIT VON CFK-MISCHVERBINDUNGEN IM KAROSSERIEBAU 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Innerhalb dieser Arbeit wird ein Fertigungsverfahren entwickelt und erprobt, das den additiven Aufbau von großvolumigen faserverstärkten Kunststoffbauteilen in Skelettbauweise erlaubt. Dafür wird ein modifizierter Extruder zusammen mit einer speziellen Kinematik genutzt. Der Fokus liegt auf der Analyse des Einflusses der Steuergrößen auf geometrische und mechanische Eigenschaften, sowie Haftung im Bauteil. Hinsichtlich der geometrischen Eigenschaften wird ein Prozessmodell entwickelt, das die Abhängigkeit der Strangbreite und -höhe von den Steuergrößen darstellt. Durch experimentelle Untersuchungen werden die Prozessgrenzen und an diesen auftretende Effekte ermittelt. Das Verfahren weist hier große Freiräume auf. So können z.B. mit einer 1 mm Düse Strangbreiten von 1,2 bis 3,2mm erzielt werden. Die mechanischen Eigenschaften in Strangrichtung erreichen im 3D-Druck annähernd die Steifigkeit und Festigkeit der Spritzgießreferenz. Prozessbedingt ist eine Porosität im Material nicht ganz vermeidbar, allerdings sind die Fasern stark ausgerichtet und die Faserlänge im Granulat bleibt im Prozess weitestgehend erhalten. Mittels direktem 3D-Drucken auf endlosfaserverstärktes Tape kann mit Vorheizen des Tapes ein guter Haftverbund generiert werden. Ergänzend wurden zwei Komponenten entwickelt, die für eine Industrialisierung des Prozesses entscheidend sind: Zum einen wurde ein neues Düsenkonzept vorgestellt, das eine schnelle Anpassung des Massestroms während des 3D-Druckens ermöglicht. Zum anderen wurde eine Temperierdüse vorgestellt, mit der mittels Konvektion der abgelegte Strang gekühlt bzw. erhitzt werden kann.:1 Einleitung 2 Zielstellung 3 Literaturübersicht 4 Konzeption eines neuartigen 3D-Druck-Verfahrens 5 Analyse der kinematischen Eigenschaften 6 Betrachtung der Haftungsmechanismen 7 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 8 Weiterentwicklung von Anlagenkomponenten 9 Zusammenfassung und Ausblick / In this thesis, a manufacturing process is presented which enables the additive manufacturing of largevolume fibre-reinforced plastic components in skeleton construction by using an extruder together with special kinematics. The focus is on the analysis of the influence of the control variables on geometric and mechanical properties, as well as adhesion in the component. With regard to the geometric properties, a process model is being developed that shows the dependence of the strand width and height on the control variables. Experimental investigations are used to determine the process limits and the effects occurring at these limits. The procedure knows here large free spaces, so e.g. with a 1 mm nozzle strand widths of 1,2 bis 3,2mm can be obtained. The mechanical properties in the strand direction in 3D printing approximate the stiffness and strength of the injection molding reference. Due to the process, porosity in the material cannot be completely avoided, however, the fibers are strongly oriented and the fiber length in the granulate is largely retained in the process. Direct 3D printing on continuous fiber-reinforced tape can be used to generate a good adhesive bond by preheating the tape. In addition, two components were developed that are decisive for industrializing the process: On the one hand, a new nozzle concept was introduced that enables rapid adjustment of the mass flow during 3D printing. On the other hand, a nozzle was presented with which the deposited strand can be cooled or heated by convection.:1 Einleitung 2 Zielstellung 3 Literaturübersicht 4 Konzeption eines neuartigen 3D-Druck-Verfahrens 5 Analyse der kinematischen Eigenschaften 6 Betrachtung der Haftungsmechanismen 7 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 8 Weiterentwicklung von Anlagenkomponenten 9 Zusammenfassung und Ausblick