Diese Dissertation setzt sich mit der Effizienz von Maßnahmen mit Gewichtsauswirkung in der PKW-Entwicklung auseinander. Sie vermittelt eine andere Sichtweise zur Ermittlung und Beurteilung der Effizienz von Maßnahmen. Maßnahmeneffizienz bedeutet heute, bezogen auf die Fahrzeugentwicklung, nicht mehr unbedingt nur die Kosten zu senken, schwere Werkstoffe durch leichtere zu ersetzen oder gesetzte Ziele zu erreichen. Vielmehr geht es darum, durch die Einbeziehung verschiedener Betrachtungsgruppen z. B. Gewicht, Kosten, Emission, Sensitivitäten, Nutzen von Zielerreichungen etc. eine gesamtheitliche Effizienzaussage zu treffen und ggf. die Effizienz verbessernde Handlungen einzuleiten, um dadurch einen deutlichen Fortschritt in der Gesamteffizienz der Maßnahmen zu erreichen. Die entscheidende Zielsetzung dabei ist, die wirkungsintensiven technischen und wirtschaftlichen Eingangsgrößen zu dieser Maßnahme zu erfassen, diese Vielzahl von Größen in thematisierte Module zu ordnen und aus diesen Bewertungsmodulen unter Zuhilfenahme erweiterter Bewertungsmethoden und neuer Ansätze die Einzel- und Gesamteffizienzwerte abzuleiten. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für einen sich anschließenden Iterationsprozess, der einen Beitrag zur Verbesserung der Maßnahmeneffizienz (Qualität) und Nachhaltigkeit im Sinne von Ressourcenverbrauch (Materialeinsatz) sowie Wettbewerbsfähigkeit leistet. Die bestmögliche Effizienz leistet einen Teilbeitrag zur langfristigen Überlebensfähigkeit einer Unternehmung (vgl. Keuper, F. und Brösel, G. (2005), S. 214). / This dissertation deals with the efficiency of measures regarding the impact of weight in passenger car development. It conveys a different perspective concerning the determination and evaluation of the efficiency of measures. The efficiency of measures today regarding vehicle development doesn ́t necessarily mean just lowering costs, replacing heavy materials with lighter ones, or reaching targets. Even more it has to do with making an all inclusive statement about efficiency and where applicable to take action to improve efficiency by the inclusion of groups of influencing factors, for example, weight, cost, emission, sensitivities between input and output variables, benefits of reaching targets, etc., in order to achieve considerable progress in the total efficiency of the measure. The key objective in doing this is to determine extremely effective technical and economic input parameters for this measure, to organize this large number of parameters into topic-based modules and to derive single and total efficiency values from these assessment modules with the help of advanced assessment methods and new approaches. These results form the foundation for a subsequent iteration process which contributes to the improvement of the efficiency of the measure (quality) and sustainability in the sense of consumption of resources (material usage) as well as competitiveness. The best possible efficiency contributes to the long term competitiveness and viability of a company (compare Keuper, F. and Brösel, G. (2005), p 214).

Der großindustrielle Einsatz von langfaserverstärkten Kunststoffen in strukturell tragenden Strukturen steht aufgrund der komplexen Abhängigkeit des Eigenschaftsprofils von den gewählten Herstellungsrandbedingungen noch immer am Anfang. Während der Herstellung können sich die Fasern innerhalb der Polymermatrix, aufgrund von unterschiedlichen Wechselwirkungen umorientieren. Darüber hinaus kann es während der Formfüllung von komplexen Strukturbereichen zu einer Faser-Matrix-Separation (FMS) kommen. Eine zuverlässige Vorhersage des Bauteilverhaltens kann daher nur erreicht werden, wenn technologische Einflüsse aus der gesamten Historie des Herstellungsprozesses berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit einer vollständig durchgängigen virtuellen Prozesskette am Beispiel eines glasfaserverstärkten SMC-Werkstoffs entwickelt und anhand unterschiedlicher Kriterien bewertet. Aufgrund der großen Auswahl an unterschiedlichen Lösungsansätzen zur Umsetzung einer integrativen Simulationskette besteht aktuell noch eine große Unsicherheit bei der Nutzung und Anwendung der unterschiedlichen Tools. Dahingehend soll diese Arbeit dem Anwender eine Entscheidungshilfe geben, indem die vorgestellten Modelle anhand von zwei unterschiedlichen komplexen Bauteilformen mittels unterschiedlicher Kriterien sowohl in der Abschätzung der Herstellungsgenauigkeit als auch in der mechanischen Auslegung mittels einer integrativen Simulation getestet und verglichen werden.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung und Zielsetzung 2 Stand der Forschung 2.1 Sheet Moulding Compound 2.1.1 Definition und Charakteristika 2.1.2 Verarbeitung von SMC-Halbzeugen 2.2 Prozessinduzierte Eigenschaftsverteilung bei SMC-Werkstoffen 2.2.1 Faser-Suspensions-Regionen 2.2.2 Faserorientierungsverteilung 2.2.3 Faser-Matrix-Verteilung 2.2.4 Einfluss der Fasertopologie auf die mechanischen Eigenschaften von SMC-Werkstoffen 3 Integrative Simulation von langfaserverstärkten Pressmassen 3.1 Fließpresssimulation SMC 3.1.1 Grundlagen der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 3.1.2 Überblick Prozesssimulationsmethoden 3.1.3 Tensorbasierte Ansätze 3.1.4 Direktmodellierte Ansätze 3.2 Mappingverfahren für integrative Simulation 3.3 Struktursimulation für SMC-Werkstoffe 3.3.1 Grundlagen der Struktursimulation 3.3.2 Übersicht verwendeter Homogenisierungsansätze 3.3.3 Effektive-Feld-Theorie 3.3.4 Festigkeits- und Versagenskriterien 4 Materialcharakterisierung von SMC 4.1 Materialauswahl und Probenherstellung 4.1.1 Materialsystem 4.1.2 Probenherstellung 4.1.3 Bewertung der Pressprofile zur Probenherstellung 4.2 Ermittlung der prozesstechnischen Parameter 4.2.1 Dichte und thermische Eigenschaften 4.2.2 Rheologische Eigenschaften 4.2.3 Faser-Interaktionskoeffizienten 4.2.4 Mechanische Faserkennwerte 4.3 Analyse der Faserverteilung und -architektur 4.3.1 Präparation der Prüfkörper 4.3.2 Analyse des Faservolumengehalts 4.3.3 Analyse der Faserarchitektur 4.3.4 In-Situ CT-Analyse 4.4 Werkstoffmechanische Charakterisierung 4.4.1 Harzpaste 4.4.2 Zugversuch 4.4.3 Biegeversuch 4.4.4 Validierungstest auf Komponentenebene – Punchtest 4.4.5 Validierungstest auf Komponentenebene – Wabendrucktest 5 Ergebnisse der Prozesssimulation für die SMC-Verarbeitung 5.1 Kriterien zur Bewertung der SMC-Prozesssimulation 5.1.1 Annahmen 5.1.2 Bewertungskriterien 5.2 Prozesssimulation der Plattengeometrie 5.2.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.2.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.2.3 Kinematisches Modell 5.2.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.2.6 Bewertung und Vergleich 5.3 Prozesssimulation der Wabengeometrie 5.3.1 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 5.3.2 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 5.3.3 Kinematisches Modell 5.3.4 Stokes’sches-Dynamik-Modell – schwache Kopplung 5.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 5.3.6 Bewertung und Vergleich 6 Integrative Struktursimulation für die SMC-Verarbeitung 6.1 Numerische Methoden – Annahmen und Modellbeschreibung 6.2 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Grundlagenversuche 6.2.1 CT-basierter Ansatz 6.2.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.2.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.2.4 Kinematisches Modell 6.2.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.2.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.2.7 Bewertung und Vergleich der Grundlagenversuche 6.3 Validierung des prozesssimulations-basierten integrativen Simulationsansatzes – Wabendruckversuche 6.3.1 CT-basierter Ansatz 6.3.2 Tensorbasiertes Modell – 2D-Formulierung 6.3.3 Tensorbasiertes Modell – 3D-Formulierung 6.3.4 Kinematisches Modell 6.3.5 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung 6.3.6 Keine Berücksichtigung von prozessintegrierten Daten 6.3.7 Bewertung und Vergleich der Wabendruckversuche 6.4 Fazit ganzheitlich integrativer Simulationsansätze für die SMC-Verarbeitung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Darstellung Faserorientierungszustände A.2 Analytische Lösung Eshelby Tensor A.3 Rekonstruktion des Faserorientierungstensors 4. Ordnung A.4 Übersicht Herstellungsbedingungen der SMC- und Reinharzprüfkörper A.5 Pressenverläufe der Wabenherstellung A.6 Reaktionsmodell SMC A.7 FVG Ergebnisse aus CT-Analyse der Wabenkonfiguration A und B A.8 Auswertung FOT Prozesssimulation UT30 und UT90 A.9 Herleitung Hele-Shaw-Ansatz A.10 Auswertung FVG der Wabenkonfiguration A und B – feines Netz A.10.1 Tensorbasiertes Modell A.10.2 Kinematisches Modell A.10.3 Stokes’sches-Dynamik-Modell – starke Kopplung A.11 Auswertung Steifigkeit und Festigkeit – Grundlagenversuche A.12 Darstellung Kraft-Weg- und Energie-Weg-Verläufe – Wabendruckversuche

In der Arbeit wird die Entwicklung einer Herstellungstechnologie für Hohlkugeln (HK) und Schalen mit ihrem anschließenden Einsatz als Füllgut in einem syntaktischen Schaum mit Polymermatrix dargestellt. Die Technologie basiert auf einem Übergangsprozess der Erstarrung einer Zinnschmelze, in dem die Gestaltsgebung von HK durch die Wirkung eines Gasmediums stattfindet. Eine entsprechende Pilot-Anlage mit der Steuerung der Druck- oder Temperaturwerte wurde aufgebaut und unter verschiedenen technologischen Bedingungen getestet. Es wurde ein theoretisches Druck- und Temperaturmodell, die als Steuerfunktionen genutzt werden können, vorgeschlagen. Während der Entwicklungsstufe wurden die Konstruktion und die Simulation der relevanten physikalischen Prozesse durchgeführt und mithilfe von Nebenversuchen verifiziert. Zur qualitativen und quantitativen Bewertung der ermittelten Ergebnisse ist die statistische Versuchsplanung herangezogen worden. Anschließend sind die Erzeugnisse metallographisch und röntgenographisch untersucht worden.

Da in der Natur die Festigkeit der Stoffe bzw. Werkstoffe mit deren Massendichte korreliert [1], bieten sich dem Werkstoffingenieur zwei Möglichkeiten das genannte Ziel zu erreichen: Entweder er reduziert die effektive Dichte bereits sehr fester Werkstoffe durch konstruktive bzw. geometrische Optimierungen, oder es gelingt sehr leichte Werkstoffe mit deutlich gesteigerter Festigkeit herzustellen. Die erstgenannte Verfahrensweise stellt zu großen Teilen ein konstruktives bzw. fertigungstechnisches Problem dar. Von werkstoffwissenschaftlichem Interesse ist deshalb nur die zweite Möglichkeit. Dabei sollen sämtliche derzeit bekannte festigkeitssteigernde Faktoren und möglicherweise auch deren Synergien genutzt werden um einen hochfesten Leichtbauwerkstoff herzustellen. Dazu muss gleichzeitig ein neuartiges Hochumformverfahren für Leichtmetallverbundwerkstoffe erarbeitet werden, das diesen Anforderungen entspricht und eine dafür geeignete Werkstoffkombination gefunden werden. Konventionelle Verfahren zur Hochumformung erlauben häufig nur unter erheblichem Mehraufwand die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen, weshalb die Hochumformung von Leichtmetallverbundwerkstoffen zur Festigkeitssteigerung in der Literatur praktisch keine Rolle spielt. Deshalb soll in dieser Arbeit das Umformverfahren Rundkneten zur Anwendung kommen, das die Hochumformung auch sehr heterogener Werkstoffe erlaubt. Darüber hinaus wird eine zusätzliche positive Wirkung auf die Festigkeit durch eingebaute Grenzflächen auf den Gesamtverbund erwartet. Wie sich im Laufe der Arbeit heraus stellte, eignet sich das verwendete Verfahren nicht ausschließlich zur Festigkeitssteigerung von Verbundwerkstoffen. Durch die sehr regelmäßige und fraktale Anordnung der Komponenten im Gesamtverbund ergaben sich auch einige Anknüpfungspunkte, die weit über die Eignung im Sinne eines Leichtbauwerkstoffes hinaus gehen. Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt der Arbeit zwar auf der mechanischen Charakterisierung der hergestellten Verbunde, in Kapitel 6 werden aber auch weitere Nutzungsmöglichkeiten diskutiert. Die gewählte Materialkombination Titan-Aluminium ist als Beispiel zu verstehen. Prinzipiell ist das vorgestellte Verfahren auf viele weitere Materialkombinationen anwendbar, solange grundlegende umformtechnische Regeln beachtet werden. [1] Ashby, M. F.: Materials Selection in Mechanical Design. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag, 2006. 648 S.

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.

Sandwichplatten sind effiziente Leichtbauelemente. Sie werden im Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugmaschinenbau und überall dort, wo es auf geringe bewegte Massen ankommt, eingesetzt. Sandwichplatten sind oft Halbzeuge. Sandwichbauteile haben oft einen aufwendigen Herstellungsprozess, der eine Wärmebehandlung, die höhere Genauigkeiten ausschließt, beinhaltet. Aus diesen Gründen ist es oft sinnvoll, Inserts erst im Nachhinein in die fertige Sandwichplatte bzw. in das fertige Sandwichbauteil einzusetzen. Diese Inserts haben unterschiedliche Aufgaben. Sie dienen z.B. der Aufnahme von Schrauben, Bolzen und Lagern. Die vorgestellte Verbindung entspricht durch ihre spezielle Geometrie den hohen Anforderungen für Verbindungselemente in den genannten Gebieten hinsichtlich Genauigkeit und Stabilität. Es wird der Konstruktionsprozess eines Inserts für Sandwichplatten aus CFK- Verbundmaterial beschrieben. Ausgehend von einer patentierten Lösung der Autoren findet eine schrittweise Produktverbesserung bis hin zu einem einsatzfähigen Prototypen statt. Durch die Insertverbindung können für den Maschinenbau erforderliche Genauigkeiten nun mit CFK- Halbzeugen umgesetzt werden. Die Anwendung dieses Leichtbaupotentials führt zur Energieeinsparung und zum Transfer von CFK- Anwendungen in den Maschinenbau.

Bei Compliantmechanismen ergibt sich die Bewegungsfreiheit durch die elastische Verformung nachgiebiger Elemente. Durch deren Formgebung und Werkstoffauswahl kann das Verformungsbild unter definierter Belastung theoretisch gezielt eingestellt werden. Die Nachgiebigkeit eines einzelnen Mechanismenelements kann dabei über seine gesamte Länge gleichmäßig verteilt oder aber auf einen bestimmten Bereich konzentriert sein. Ein besonderer Vorteil nachgiebiger Elemente ist dabei die Reduktion der Einzelteile und die hiermit verbundene Verringerung der Systemmasse, des Montageaufwands und der Montagekosten. Für den Einsatz im Maschinenbau wird in auch die Möglichkeit einer spielfreien und somit sehr exakten Führung der Bewegung genannt. Zudem ist es durch die Einsparung reibungsbehafteter Berührungselemente bzw. beweglicher Lagerungen möglich, den Verschleiß innerhalb des Mechanismus zu reduzieren. Somit vereinfacht sich auch die Wartung, was den Einsatz von Compliantmechanismen beispielsweise bei schwerer Zugänglichkeit besonders vorteilhaft erscheinen lässt. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Nachgiebigkeitsmechanismen ist die hinreichend genaue Beschreibung des Verformungsverhaltens ihrer nachgiebigen Glieder. Vereinfachte Modellansätze im Sinne der Biegebalken-Theorie 1. Ordnung sind hier nicht geeignet, die großen Verformungen analytisch zu erfassen. Zwar finden sich heute zahlreiche höherwertige Lösungen zur Theorie 2. und 3. Ordnung in einer fast unüberschaubaren Vielzahl von Publikationen – beispielgebend sei genannt – die verallgemeinert auf Grundlagenarbeiten fußen. Die analytische Beschreibung eines Biegebalkens bei großer Verformung ist jedoch noch immer eine komplexe Aufgabe, die ein hohes Maß an mathematischen Fähigkeiten vom praxisorientierten Ingenieur erfordert. Nur die präzise Beschreibung der nachgiebigen Mechanismenelemente eröffnet aber den Weg für eine Genaulagen-Synthese und somit letztlich den breiten Einsatz von nachgiebigen Elementen in Leichtbau-Mechanismen. Für eine effiziente Synthese sind daher alternative Lösungsansätze notwendig, die dem Ingenieur eine schnelle und hinreichend genaue Vorhersage des komplexen Verformungsverhaltens erlauben. Im Rahmen der Arbeit werden hierfür zunächst die erarbeiteten, neuartigen Methoden des SFB 639 in kompakter Form aufbereitet. Für die Mehrzahl der technischen Probleme soll hierauf aufbauend eine praxisgerechte Methode erarbeitet werden, die es erlaubt mit einfachen Mitteln eine Genaulagen-Synthese von Compliantmechanismen durchzuführen. Hierfür ist die Nachgiebigkeit (Kehrwert von Elastizitätsmodul × Flächenträgheitsmoment) so anzupassen, dass das veränderliche Schnittmoment entlang des Balkens zu einer stets gleichen Krümmung führt. Durch den Einsatz anisotroper Werkstoffe – wie etwa mehrschichtiger, textilverstärkter Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FKV) – kann etwa, durch eine lokale Anpassung der Faserorientierung, der Elastizitätsmodul entlang des Mechanismenelementes gezielt eingestellt werden. Eine Veränderung der Nachgiebigkeit daher nicht nur geometrisch (Variation des Flächenträgheitsmoment) sondern auch werkstofflich induziert werden. Es entstehen Mechanismenelemente mit lokal angepasster Nachgiebigkeit, für die im Rahmen der Arbeit auch die Methoden zur gezielten Einstellung der veränderlichen Faserorientierung entlang der Balkenachse entwickelt werden.:1 Einleitung 1 1.1 Einführung in Nachgiebigkeitsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Literaturschau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Problemstellung und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Verformungsverhalten nachgiebiger Mechanismenelemente 8 2.1 Modellierung biegebeanspruchter brettförmiger Balken . . . . . . . . . 8 2.2 Betrachtungen zum Verformungsverhalten nachgiebiger Strukturen . . . 12 2.3 Krümmungsgleichung für die Analyse großer Verformungen . . . . . . . 15 2.4 Analyse von Compliantelementen mittels Phasenportrait-Methode . . . 18 3 Anpassung der lokalen Nachgiebigkeit 27 3.1 Erzeugung konstanter Krümmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2 Variation des Flächenträgheitsmomentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Modellanalyse mittels normierter Betrachtung . . . . . . . . . . 31 3.2.2 Technologische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3 Variation des Elastizitätsmoduls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.1 Anpassung durch lokale Variation der Faserorientierung . . . . . 42 3.3.2 Technologische Umsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.3.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Gezielte Synthese von Compliantmechanismen 67 4.1 Genaulagen-Synthese – Burmester-Theorie der bewegten Ebenen . . . . 68 4.1.1 Vorgabe von zwei Ebenenlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.2 Vorgabe von drei und mehr Ebenenlagen . . . . . . . . . . . . . 73 4.2 Synthese von Mechanismen mit nachgiebigen Elementen . . . . . . . . 75 4.2.1 Polkongruente Synthese für zwei Ebenenlagen . . . . . . . . . . 75 4.2.2 Nicht-polkongruente Synthese für zwei Ebenenlagen . . . . . . . 77 4.2.3 Lösungsansatz zur Synthese von drei Ebenenlagen . . . . . . . . 80 4.3 Experimentelle Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5 Gestaltungshinweise für Compliantmechanismen 84 5.1 Freiheitsgrad von Mechanismen mit nachgiebigen Elementen . . . . . . 84 5.2 Langzeitverhalten von nachgiebigen Elementen . . . . . . . . . . . . . . 90 6 Zusammenfassung 94 Literaturverzeichnis 97 A Anhang 103 A.1 MATLAB R2016 Skript: Berechnung Phasenportrait . . . . . . . . . . 105 A.2 MATLAB R2016 Skript: Faserorientierung bei Vorgabe der Last . . . . 113 A.3 MATLAB R2016 Skript: Faserorientierung bei Vorgabe der Gliedlänge . 117

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von phosphorhaltigen Verbindungen, ausgehend von Phosphor(III)- bzw. Phosphor(V)-halogeniden und Salicylalkohol- bzw. 2,2‘-Dihydroxydiphenylmethanderivaten, in Gegenwart einer Base beschrieben. Es wird deren Struktur und dynamisches Verhalten in Lösung diskutiert und mit der Struktur im Festkörper verglichen. Weiterführend werden die erhaltenen Monomere im Hinblick auf die thermisch initiierbare und kationisch katalysierte Zwillingspolymerisation untersucht. Die Struktur und Eigenschaften der nach der Polymerisation erhaltenen Hybridmaterialien werden diskutiert. Es werden zudem Untersuchungen angeführt, welche die thermisch initiierte simultane Zwillingspolymerisation einer Modellverbindung mit einem bisher bekannten Zwillingsmonomer, 2,2‘-Spirobi(4H-benzo[1,3,2]dioxasilan) beschreibt und die Struktur, sowie Eigenschaften des resultierenden Hybridmaterials diskutiert. Die Untersuchungen zur Struktur der erhaltenen Hybridmaterialien werden hauptsächlich mittels NMR Spektroskopie geführt. Zur Analyse der einzelnen Verbindungen wird das Verfahren der Einkristallröntgenstrukturanalyse genutzt. Weitere Analytik, wie die thermogravimetrische Analyse, der horizontale und der vertikale Brandtest werden durchgeführt und mit bestehenden Systemen verglichen. Zudem erfolgt die Ermittlung des Limited Oxygen Index und der Vergleich gegenüber bestehenden, kommerziellen Verbindungen. Die durch die simultane Zwillingspolymerisation erhaltenen Hybridmaterialien werden als potentielle Haftvermittler untersucht und exemplarisch die Verbunde aus Al6082, Zwillingspolymerisat und PA6 mittels Zugscherversuchen charakterisiert.

Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Die Arbeit stellt ein Messsystem zur Überwachung von hochbelastbaren Leichtbauwerkstoffen, den Faserkunststoffverbunden vor. Speziell die Materialdehnung und die Eigenfrequenzen rotatorischer Systeme stellen als Schäden im makroskopischen Bereich eine Herausforderung an das Messsystem dar. Aber auch mikroskopische Erscheinungen wie Delaminationen oder Zwischenfaserbrüche gilt es an diesen Bauelementen zu erfassen.