Die Arbeit behandelt am Beispiel von flachsfaserverstärktem Polypropylen die Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten im Spritzgießverfahren und die resultierenden Verbundeigenschaften. Im Grundlagenteil der Arbeit werden die Flachsfasern mit ihren besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorgestellt, die theoretischen Grundlagen zur Suspensionsrheologie, der Beschreibung von räumlichen Orientierungszuständen, zur Faser-Makrostruktur-Ausbildung und zum Spannungs-Verformungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten dargelegt. Phänomenologisch wird das rheologische Verhalten der flachsfasergefüllten thermoplastischen Schmelze charakterisiert. Weiterhin wird der Formfüllvorgang simuliert. Für die Bewegung der in der Schmelze mitgeschleppten Fasern werden die für konventionelle Kurzfasern gebräuchlichen Berechnungsansätze benutzt und deren Vorhersagegenauigkeit für flachsfaserverstärktes Polypropylen anhand experimenteller Ergebnisse beurteilt. Die resultierende Verbundsteifigkeit wird mit einem analytischen Modell unter Berücksichtigung der Orientierungssituation und Zuhilfenahme von mikromechanisch berechneten Faserkennwerten bestimmt. Abschließend wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter dargelegt.

Die Arbeit behandelt am Beispiel von flachsfaserverstärktem Polypropylen die Verarbeitung von naturfaserverstärkten Thermoplasten im Spritzgießverfahren und die resultierenden Verbundeigenschaften. Im Grundlagenteil der Arbeit werden die Flachsfasern mit ihren besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften vorgestellt, die theoretischen Grundlagen zur Suspensionsrheologie, der Beschreibung von räumlichen Orientierungszuständen, zur Faser-Makrostruktur-Ausbildung und zum Spannungs-Verformungsverhalten von kurzfaserverstärkten Thermoplasten dargelegt. Phänomenologisch wird das rheologische Verhalten der flachsfasergefüllten thermoplastischen Schmelze charakterisiert. Weiterhin wird der Formfüllvorgang simuliert. Für die Bewegung der in der Schmelze mitgeschleppten Fasern werden die für konventionelle Kurzfasern gebräuchlichen Berechnungsansätze benutzt und deren Vorhersagegenauigkeit für flachsfaserverstärktes Polypropylen anhand experimenteller Ergebnisse beurteilt. Die resultierende Verbundsteifigkeit wird mit einem analytischen Modell unter Berücksichtigung der Orientierungssituation und Zuhilfenahme von mikromechanisch berechneten Faserkennwerten bestimmt. Abschließend wird der Einfluss technologischer und konstruktiver Parameter dargelegt.

Multi-material-design (MMD) is commonly realized through the combination of thin sheet metal and fibre reinforced plastics (FRP). To maximize the high lightweight potential of the material groups within a multi-material system as good as possible, a material-adapted and particularly fibre adjusted joining technology must be applied. The present paper focuses on two novel joining technologies, the Flow Drill Joining (FDJ) method and Spin-Blind-Riveting (SBR), which were developed for joining heavy-duty metal/composite hybrids. Tests were carried out with material combinations which are significant for lightweight constructions such as aluminium (AA5083) and carbon fibre-reinforced polyamide in sheet thickness of 1.8 mm. The mechanical testing and manufacturing of those multi-material joints was investigated.

The integration of shape memory alloys (SMAs) into textile-reinforced composites produces a class of smart materials whose shape can be actively influenced. In this paper, Ni-Ti SMA wires are inserted during the weaving of a glass fiber reinforcement textile. This ‘‘active’’ reinforcement is then combined with an elastomeric matrix to produce a highly flexible composite sheet, which maintains high rigidity in the longitudinal direction. By activating the SMAs, high deflection ratios of up to 35% (relative to the component’s length) are achieved. To adjust the composite’s deflection to defined values, a closed-loop control is set up to adjust the current flow through the SMA wires. A control algorithm is designed and evaluated for several test cases. The high deformability and the controllable behavior show the high potential of these materials for applications such as aerodynamic flow control, automation and architecture.

Multi-material-design (MMD) is commonly realized through the combination of thin sheet metal and fibre reinforced plastics (FRP). To maximize the high lightweight potential of the material groups within a multi-material system as good as possible, a material-adapted and particularly fibre adjusted joining technology must be applied. The present paper focuses on two novel joining technologies, the Flow Drill Joining (FDJ) method and Spin-Blind-Riveting (SBR), which were developed for joining heavy-duty metal/composite hybrids. Tests were carried out with material combinations which are significant for lightweight constructions such as aluminium (AA5083) and carbon fibre-reinforced polyamide in sheet thickness of 1.8 mm. The mechanical testing and manufacturing of those multi-material joints was investigated.

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

Die Vision bei diesem Projekt bestand darin, zukünftig anstelle massiver Betontragsysteme mit meist ungleichmäßiger Materialausnutzung am Kraftfluss orientierte, filigrane, stabartige Tragwerke zu entwerfen, die sich neben der Gewichtsreduktion und einer höheren Transparenz auch durch eine bessere Ressourcennutzung auszeichnen. Dabei wurde eine modulare Bauweise angestrebt, bei der die Einzelkomponenten Druckstab und vorgespannter Zugstab sowie Teile des Verbindungsknotenelements vorgefertigt und am Einsatzort zusammengefügt werden. Sowohl im Hinblick auf die Tragfähigkeits- und Verbundeigenschaften als auch auf die Dauerhaftigkeit sollten die Stäbe aus faserverstärktem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) hergestellt sowie ausschließlich mit nichtmetallischen Elementen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) bewehrt bzw. vorgespannt werden. Im geförderten Zeitraum lag das Hauptaugenmerk auf der Entwicklung filigraner, formoptimierter Druck- und vorgespannter Zugstäbe. Zum Knotenelement wurden theoretische Überlegungen sowie erste Tastversuche angestellt. [Aus: Projektidee und Zielsetzung] / The vision of this project was to replace massive concrete structures with mostly inhomogeneous material utilization in the future by designing filigree concrete truss supporting structures in accordance with the principle form follows force instead. Thus, besides weight reduction and a higher transparency also a higher resource efficiency can be achieved. A modular construction method, in which the components compression strut, prestressed tie and connection joint elements are prefabricated and joined together at the construction site, was aspired. With regard to load-bearing capacity and bonding behaviour as well as durability, the struts and ties are made of Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete (UHPFRC) and are reinforced or prestressed exclusively with non-metallic elements made of f bre-reinforced polymers (FRP). Within the funding period, the focus was on the development of f ligree, shape-optimized struts and prestressed ties. Regarding the connection joint element, theoretical considerations were made and first basic tests were carried out. [Off: Vision and objective]