Verkehr und Mobilität gehören in unserer Gesellschaft zu den wichtigsten Schlüsselthemen der Gegenwart und Zukunft. Um im Bereich von Spitzentechnologien auch im heute weltweit stattfindenden Wettbewerb mithalten zu können ist die Bearbeitung von Innovationsfeldern eine entscheidende Voraussetzung. Dazu zählt im Besonderen auch die Verkehrstechnik. Mobilität ist aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Das Verkehrswachstum wächst nach wie vor unaufhaltsam und scheinbar unbegrenzt auch in wirtschaftlich schwierigen Zeiten. Besonders dort, wo aufgrund von Massereduzierung, Energieeinsparung, Gewichtskraftverringerung oder Geschwindigkeitserhöhung bei bewegten Massen erzielt werden kann, werden immer neue Einsatzgebiete erschlossen. So ist es nicht verwunderlich, dass sich gerade die TUC und herausragende Industriepartner der Region wie die Firma Lätzsch GmbH auf der Basis eines Verbundprojektes mit der Themenstellung „Entwicklung von Herstellungstechnologien für belastungsgerechte Strukturgelege und deren Anwendung in Bauteilen der Verkehrstechnik“ befasst. Dieses Thema wurde im Rahmen des InnoRegio- Programms als Forschungsthema 10/2002 begonnen und 12/2005 zum Abschluss gebracht. Als Themenschwerpunkt in der Entwicklungstätigkeit wurden Massenverkehrsmittel wie Reisebusse und Schienenfahrzeuge im Besonderen betrachtet. Strukturkonzepte unter Einsatz von Glas- und Kohlenstofffasern haben während der Themenbearbeitung hochinteressante Einsatzfelder ergeben. So haben die in der Baugruppe verbleibenden Bauteile mehrere, multiple Aufgaben. Das Spektrum der Veränderlichkeit ist dabei recht breit gefächert und reicht von der Schwerpunktverlagerung bis zu Änderungen der Eigenfrequenz.

Gewebeverstärkte Thermoplaste lassen sich durch Thermoformen zu räumlich gekrümmten Bauteilen verarbeiten. Durch die eingehende Analyse des Thermoformvorgangs konnte die Einsicht in die parallel verlaufenden Teilprozesse verstärkt werden. Interlaminare Scherung, der Wärmeaustausch und die Reibvorgänge zwischen Laminat und Werkzeug und die Stempeldeformationen werden eingehend experimentell untersucht. Für die Untersuchung der Reibverhältnisse zwischen Laminat und Werkzeug und des interlaminaren Gleitens werden neue Versuchsanordnungen vorgestellt. Außerdem wurden theoretische Modelle hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschreibung dieser Effekte untersucht und gegebenenfalls angepasst. Durch die Aufteilung des Gesamtprozesses in zeitliche Phasen und die Entkopplung der physikalischen Vorgänge in der Beschreibung konnte ein Ansatz zur mathematischen Beschreibung des Gesamtprozesses gefunden werden, der für eine Implementierung in Simulationsprogrammen geeignet erscheint. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden praktische Schlussfolgerungen für die Gestaltung von Werkzeugen und Prozessen abgeleitet.

Verkehr und Mobilität gehören in unserer Gesellschaft zu den wichtigsten Schlüsselthemen der Gegenwart und Zukunft. Um im Bereich von Spitzentechnologien auch im heute weltweit stattfindenden Wettbewerb mithalten zu können ist die Bearbeitung von Innovationsfeldern eine entscheidende Voraussetzung. Dazu zählt im Besonderen auch die Verkehrstechnik. Mobilität ist aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Das Verkehrswachstum wächst nach wie vor unaufhaltsam und scheinbar unbegrenzt auch in wirtschaftlich schwierigen Zeiten. Besonders dort, wo aufgrund von Massereduzierung, Energieeinsparung, Gewichtskraftverringerung oder Geschwindigkeitserhöhung bei bewegten Massen erzielt werden kann, werden immer neue Einsatzgebiete erschlossen. So ist es nicht verwunderlich, dass sich gerade die TUC und herausragende Industriepartner der Region wie die Firma Lätzsch GmbH auf der Basis eines Verbundprojektes mit der Themenstellung „Entwicklung von Herstellungstechnologien für belastungsgerechte Strukturgelege und deren Anwendung in Bauteilen der Verkehrstechnik“ befasst. Dieses Thema wurde im Rahmen des InnoRegio- Programms als Forschungsthema 10/2002 begonnen und 12/2005 zum Abschluss gebracht. Als Themenschwerpunkt in der Entwicklungstätigkeit wurden Massenverkehrsmittel wie Reisebusse und Schienenfahrzeuge im Besonderen betrachtet. Strukturkonzepte unter Einsatz von Glas- und Kohlenstofffasern haben während der Themenbearbeitung hochinteressante Einsatzfelder ergeben. So haben die in der Baugruppe verbleibenden Bauteile mehrere, multiple Aufgaben. Das Spektrum der Veränderlichkeit ist dabei recht breit gefächert und reicht von der Schwerpunktverlagerung bis zu Änderungen der Eigenfrequenz.

Gewebeverstärkte Thermoplaste lassen sich durch Thermoformen zu räumlich gekrümmten Bauteilen verarbeiten. Durch die eingehende Analyse des Thermoformvorgangs konnte die Einsicht in die parallel verlaufenden Teilprozesse verstärkt werden. Interlaminare Scherung, der Wärmeaustausch und die Reibvorgänge zwischen Laminat und Werkzeug und die Stempeldeformationen werden eingehend experimentell untersucht. Für die Untersuchung der Reibverhältnisse zwischen Laminat und Werkzeug und des interlaminaren Gleitens werden neue Versuchsanordnungen vorgestellt. Außerdem wurden theoretische Modelle hinsichtlich ihrer Eignung zur Beschreibung dieser Effekte untersucht und gegebenenfalls angepasst. Durch die Aufteilung des Gesamtprozesses in zeitliche Phasen und die Entkopplung der physikalischen Vorgänge in der Beschreibung konnte ein Ansatz zur mathematischen Beschreibung des Gesamtprozesses gefunden werden, der für eine Implementierung in Simulationsprogrammen geeignet erscheint. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden praktische Schlussfolgerungen für die Gestaltung von Werkzeugen und Prozessen abgeleitet.

In dieser Arbeit wird das Verhalten von Normal- und Stahlfaserbeton (engl. steel fiber reinforced concrete (SFRC)) unter quasi-statischer und dynamischer Belastung untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf den Untersuchungen unter dynamischer Belastung. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass die Zugabe von Stahlfasern viele der gewünschten technischen Eigenschaften des erhärteten Betons, wie Bruchzähigkeit, Biegefestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit sowie Rissbildung, erheblich verbessern kann. In diesem Zusammenhang weisen viele experimentelle und numerische Studien darauf hin, dass die Festigkeit solcher Verbundwerkstoffe ratenabhängig ist, d.h. sie wird durch die Erhöhung der dynamischen Belastung stark beeinflusst. Dieser Effekt gilt sowohl für die Verbundwerkstoffkomponenten Beton und Stahlfasern als auch für die Verbundwechselwirkung zwischen ihnen. Das Phänomen ist allgemein als Dehnraten-Effekt bekannt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden numerische Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss der Zugabe von Stahlfasern in die Betonmatrix systematisch zu analysieren und die Abhängigkeit dieses Materials von der Belastungsrate zu untersuchen. Es wurden drei numerische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde das Verbundverhalten zwischen Stahlfaser und der angrenzenden Betonmatrix mit verschiedenen Ansätzen mit der Finite-Elemente-Software LS-DYNA untersucht. Die Ergebnisse wurden mit zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verglichen. In der zweiten Studie wurde das Verhalten von unverstärktem und stahlfaserverstärkten Betonplatten unter Impakt-Belastung untersucht. Die Modelle wurden entwickelt und kalibriert. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Modelle wurden in einer Reihe von numerischen Fallstudien bewertet. Die berechneten Ergebnisse wurden durch Vergleich mit den zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verifiziert. Das dynamische Verhalten von unverstärktem Beton und faserverstärktem Beton wurde in der dritten Studie untersucht, wobei sowohl das Druck- als auch das Zugverhalten untersucht wurden. Diese Untersuchungen zielten darauf ab, den Beitrag der Stahlfasern zur globalen Festigkeit bzw. zum Widerstandsverhalten von unverstärktem und faserverstärktem Material unter dynamischer Belastung zu untersuchen, wobei dem Einfluss der Stahlfasern auf die Rissentwicklung des faserverstärkten Betons wenig Beachtung geschenkt wurde. Darüber hinaus sind der Beitrag des Materialeffekts und seine Fähigkeit, das dynamische Verhalten von glattem und faserverstärktem Beton zu erfassen, von Interesse. Der Schwerpunkt liegt hier auf dem vorgeschlagenen Materialmodell für den Beton. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Betonmodell das druck- und zugdynamische Verhalten des unverstärkten und des faserverstärkten Betons gut abbilden und die experimentellen Ergebnisse realistisch vorhersagen kann. Schließlich folgten numerische Fallstudien zur Abhängigkeit der Ergebnisse von der Netzgröße, dem Fasergehalt, dem Verhältnis von Faserlänge zu -durchmesser, der Betonfestigkeit und der Belastungsrate. Die Parameter mit dem größten Einfluss wurden identifiziert und analysiert, und eine Schlussfolgerung wurde gezogen. Es wurde gezeigt, dass die zuvor genannten Parameter aktiv am Gesamtverhalten der Materialien beteiligt sind und eine wesentliche Rolle dabei spielen können.

Die im Forschungsprojekt MAI Skelett erarbeitete Skelettbauweise konnte das Potential endlos, kohlenstofffaserverstärkter Thermoplastprofile aufzeigen. Um das gesamte wirtschaftliche Potential dieser Hybridbauweise nutzten zu können, bedarf es der weitergehenden Analyse des parallelen Einsatzes unterschiedlicher Verstärkungsfasern. In dieser Arbeit wird das Verhalten von Kohlenstofffaser-, Glasfaser- und deren Hybridprofilen mit einem Querschnitt von exemplarisch 10 mm x 10 mm unter den Hauptbelastungsarten betrachtet. Hierfür werden die Profile mechanisch charakterisiert und die Übertragbarkeit der Eigenschaften auf reale Bauteile am Beispiel des Windlaufs einer Fahrzeugkarosserie simulativ und experimentell überprüft. Zudem wird eine Materialauswahl, unter Nutzung von Optimierungsalgorithmen, in den Auslegungsworkflow der Skelettbauweise integriert. Diese werden zur Minimierung der Materialkosten bei Einhaltung der mechanischen Randbedingungen genutzt.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Betrachtete Materialien 5 Charakterisierung endlosfaserverstärkter Thermoplastprofile 6 Bauteilauswahl und -optimierung 7 Experimentelle Validierung der Optimierung am Beispiel des Windlaufs 8 Zusammenfassung und Ausblick / The so called „Skeleton Design“ was developed within the research project MAI Skelett. It showed the potential of continuous fiber reinforced thermoplastic materials. In order to exploit the total economic potential of this hybrid design, the parallel usage of different reinforcement fibers must be investigated. In this thesis the mechanical behavior of carbon, glass and hybrid fiber reinforced profiles with a cross-section of exemplary 10 mm x 10 mm under the main loading conditions are examined. These mechanical properties are investigated regarding their potential to be transferred to real parts using experimental testing and simulation. In order to identify suitable parts within the automotive body in white structure a valuation method is developed for objective selection of expedient parts using the load exposure and function of the single part within the whole body in white structure. Furthermore, a material selection method is integrated into the design process of parts in „Skeleton Design“. Therefore, optimization algorithms are used in order to minimize the material costs under mechanical boundary conditions.:1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 4 Betrachtete Materialien 5 Charakterisierung endlosfaserverstärkter Thermoplastprofile 6 Bauteilauswahl und -optimierung 7 Experimentelle Validierung der Optimierung am Beispiel des Windlaufs 8 Zusammenfassung und Ausblick

Durch die Ergänzung von Organoblechen mit gewebten Strukturen aus Metalldrähten können hochbelastbare Bauteile gleichzeitig mit einer abschirmenden Wirkung versehen werden und ermöglichen so Anwendungen wie beispielsweise im Umfeld der Elektromobilität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein polypropylen-basierter Schichtverbund aus thermoplastischen Hochleistungsfaserverbunden und Metalldrahtgewebe hinsichtlich seiner Eignung zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen für Gehäusestrukturen und seiner Verarbeitbarkeit im Spritzgießen näher analysiert. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss von Defekten, wie sie bei der Herstellung realer Bauteile entstehen können, und deren Auswirkung auf die Abschirmwirkung des Bauteils. Darüber hinaus werden mit Vibrations-,Infrarot- und Heißgasschweißen mögliche Fügeverfahren aufgezeigt und hinsichtlich ihrer Abschirmwirkung bewertet, die auch eine elektrische Kontaktierung über die Fügestelle hinweg ermöglichen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung / By combining endless glass fiber reinforced thermoplastic semifinished products with embedded metal wire meshes it is possible to produce highly stressable parts, which additionally allow shielding of electromagnetic waves. Therefore these party can be used for electric cars. In this study a multi-layer film, consisting of polypropylene-based organosheets, PPGF30 and metal wire meshes, is analyzed regarding its suitability for shielding against electromagnetic waves and its processability in injection molding. The analysis show the influences defects, which accure during the production of housings, and their impact of the shielding effectiveness. Moreover possible joining technologies, such as infraredwelding, vibrationwelding and ultrasonicwelding, are studied and evaluated whether it’s possible to create a electrically conductive joint.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Experimentelles 4 Analyseverfahren 5 Untersuchungsergebnisse 6 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 7 Zusammenfassung

Non-crimp fabrics (NCFs), especially multi-axial warp-knitted fabrics, are used as reinforcement materials for fiberreinforced composites. The manufacturing of multi-axial warp-knitted fabrics by a conventional stitch bonding process to produce NCF has several disadvantages, such as filament damage, low production speed, yarn disorientation, etc. In order to overcome the existing limitations, the idea of using an adhesive binder to attach the fabric layers is a promising approach, so that the use of stitching yarns can be eliminated. The fundamental investigations presented in this paper show that the selection of the binder material has a major influence on the parameters of the textile products. Whereas the tested hotmelt adhesives offer a short curing time and a small but nevertheless sufficient bonding strength between bonded yarns, the tested reactive adhesives show a bonding strength up to 10 times higher, but at a considerably longer curing time. The reason for the different bonding strength is identified in the different penetration into the yarns. The experiments also show a significant influence of the fiber type and sizing, which needs to be taken into account when selecting fabric binders.

Gegenstand dieser Arbeit ist ein neuartiges Direktverarbeitungsverfahren zur Integration von Dehnungssensoren in rotationsförmige Faser-Kunststoff-Verbundbauteile mit dem Ziel einer präzisen, schnellen, robusten, kraftflussgerechten und kostengünstigen Echtzeitüberwachung des Verhaltens versagensrelevanter Strukturen. Der Fokus der Arbeit liegt dafür in der Erforschung eines metalldrahtbasierten und während der Bauteilfertigung in-situ hergestellten strukturintegrierten Sensors (AMBOS: Adapted Metal Wire Based and Fiber Oriented Sensor), dessen Position im Verbundwerkstoff mit hoher Genauigkeit der Verstärkungsfaserorientierung einer Einzelschicht entspricht. Neben der Bestimmung mechanischer Kennwerte der Drähte, dem Abzugsverhalten, einer Analyse des Sensordrahteinflusses auf die Verbundeigenschaften, der Bestimmung des Sensorauszugsverhalten sind auch die Sensorapplikation mittels Direktverarbeitung, die Untersuchung zum Schädigungsverhalten des Sensordrahtes während der Verarbeitung, die Positionierung im Verbundwerkstoff und die Isolierung des Sensordrahtes wesentlicher Forschungsgegenstand. Die Verifizierung des AMBOS-Systems erfolgt mit typischen Belastungszuständen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Druckbehälters mit Betrachtung der Temperaturkompensation und den Wechselwirkungen des neuen Sensorsystems mit der Umgebung.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung 3. Faserparalleler Drahtsensor für Wickelstrukturen 4. Charakterisierung der Drahtsensorsysteme 5. Validierung des neuen Messsystems an einem Seriendruckbehälter 6. Zusammenfassung und Ausblick / The subject of this work is a novel direct processing method for the integration of strain sensors into rotational fiber-reinforced plastic components with the goal of precise, fast, robust, load-path-adapted and cost-effective real-time monitoring of the behavior of failure-relevant structures. To this end, the focus of the work is on research into a metal wire-based structure-integrated sensor (AMBOS: Adapted Metal Wire Based and Fiber Oriented Sensor) manufactured in-situ during component manufacturing, whose position in the composite corresponds with high accuracy to the reinforcing fiber orientation of a single layer. In addition to the determination of mechanical characteristics of the wires, the pull-off behavior, an analysis of the sensor wire influence on the composite properties, the determination of the sensor pull-out behavior, the sensor application by means of direct processing, the investigation of the damage behavior of the sensor wire during processing, the positioning in the composite material and the insulation of the sensor wire are also essential objects of the research. The verification of the AMBOS system is carried out with typical loading conditions of a fiber-reinforced plastic composite pressure vessel with consideration of the temperature compensation and the interactions of the new sensor system with the environment.:1. Einleitung 2. Stand der Forschung 3. Faserparalleler Drahtsensor für Wickelstrukturen 4. Charakterisierung der Drahtsensorsysteme 5. Validierung des neuen Messsystems an einem Seriendruckbehälter 6. 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.