Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

The following thesis work was performed by Tobias Bäckman between 2018-01-15 – 2018-06-01 on behalf of Deva Mecaneyes. Deva Mecaneyes had identified a need and a possible application area for additive manufacturing based on the Markforged Mark Two 3D-printer which they had purchased. However, many question marks remained regarding how the materials from the printer would behave. How to design against this manufacturing method and which applications that could be beneficial for the company. At the start of the project it was identified that Deva Mecaneyes main limitations for not implementing 3D-manufacturing more extensive in their product development process was partly the lack of experience of additive manufacturing methods but mainly due to the lack of reliable material data for the printed parts. Based on this, three research questions were formulated. These research questions discuss how to replace traditional manufacturing methods, which material relationships are possible to identify, and which factors should be considered when designing against additive manufacturing. The bulk of the work thus consisted of producing material data for materials that are compatible with Markforged mark Two. This was done based on ASTM standards that treat tensile tests, bending tests and fatigue tests. Two already existing products from Deva Mecaneyes in the field of lifting gear for manufacturing industries were selected with the purpose to redesign these products to be manufactured with the Mark Two 3D-printer instead. In this way, an alternative way for these applications could be showed by replacing the traditional manufacturing methods with additive manufacturing methods. The reconstructed lifting gear was also manufactured to be verified against the produced material data but also to demonstrate improvement or deterioration against the existing lifting gear. The measurable goals for the project were to prove cost and time reduction by at least 50% by replacing the traditional manufacturing methods with additive manufacturing methods while maintaining the same reliability. The result demonstrated two redesigned lifting gears with many improvement areas. A great result that stood out was a cost reduction of approximately 80% and 90% respectively. Several material relationships have been identified during the work and new experiences regarding printed details have arisen. The author believes that the work, with addition to the accomplished goals, has laid a good ground to begin to understand the materials more and more and thus a good beginning to obtaining a reability from 3D-printed details. Which is a decisive factor to begin replacing the traditional manufacturing methods. / Följande examensarbete är utfört av Tobias Bäckman mellan 2018-01-15 – 2018-06-01 på uppdrag av företaget Deva Mecaneyes. Deva Mecaneyes hade identifierat ett behov och ett möjligt användningsområde för additiv tillverkning baserat på en 3D-skrivare av modellen Markforged mark Two som de köpt in. Dock kvarstod det många frågetecken hur materialen i de utskrivna detaljerna beter sig, hur man skall konstruera mot denna tillverkningsmetod samt vilka tillämpningsområden som skulle kunna vara fördelaktiga. Vid uppstart av projektet identifierades de största begränsningarna till varför Deva Mecaneys inte implementerar 3D- utskrifter mer omfattande i deras konstruktionsarbete som delvis den bristande erfarenheten av additiva tillverkningsmetoder, men främst på grund av avsaknaden av trovärdig materialdata och beräkningsunderlag att tillämpa för fysiska 3D-utskrivna detaljer. Utifrån detta formulerades tre stycken forskningsfrågor. Dessa forskningsfrågor behandlar hur man skulle kunna ersätta traditionella tillverkningsmetoder, vilka materialsamband som är möjliga att identifiera samt vilka faktorer som bör tas hänsyn till vid konstruktion mot additiva tillverkningsmetoder.Huvuddelen av arbetet har därmed bestått av att producera materialdata för materialen som är kompatibla med Markforged Mark Two. Detta har skett baserat på ASTM-standarder som behandlar dragprover, böjprover och utmattningsprover.Två befintliga produkter från Deva Mecaneyes inom området lyftredskap valdes sedan ut för att omdesignas mot additiva tillverkningsmetoder. På så vis redovisas en alternativ väg att gå genom att ersätta de traditionella tillverkningsmetoderna med additiva tillverkningsmetoder. De omkonstruerade lyftredskapen tillverkades även för att dels verifieras mot den framtagna materialdatan men även för att redogöra förbättring alternativt försämring mot de befintliga lyftredskapen.De mätbara målen för arbetet var att kunna påvisa kostnads och tidsreducering med 50% genom att byta ut de traditionella tillverkningsmetoderna mot additiva tillverkningsmetoder. Resultatet påvisade två omkonstruerade lyftredskap med många förbättringsområden. Där framförallt en kostnadsreducering på cirka 80% respektive 90% identifierades.Under arbetets gång har ett antal materialsamband kunnat identifieras och nya erfarenheter angående utskrivna detaljer från Markforged Mark Two har uppstått. Författaren anser att arbetet, utöver de uppfyllda målen, har lagt en god grund till att börja förstå materialen mer och mer och därmed en god början till att börja erhålla en tillförlitlighet hos 3D-utskrivna detaljer som är en avgörande faktor till att börja ersätta vissa av de traditionella tillverkningsmetoderna.

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang / The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang

Ein großer Vorteil von Kunststoffbauteilen ist neben funktionellen Vorzügen die Kosten- und Gewichtsreduzierung durch integrale Gestaltungsmöglichkeiten. Es können Geometrien umgesetzt werden, die mit metallischen Werkstoffen nur unter hohem Aufwand realisierbar sind. Insbesondere im Bereich der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) gibt es hohen Forschungsbedarf hinsichtlich Reduzierung von Herstellungskosten, Erhöhung der Langlebigkeit aber auch der Reparaturfähigkeit. Die Erkennung von Defekten ist dabei eine grundlegende Voraussetzung. Für einen FKV-Serieneinsatz im Automobilbau gibt es jedoch kein bekanntes und ausreichendes Prüfkonzept der Schadenserkennung für die geforderten Stückzahlen. Die aus der Luft- und Raumfahrt bekannten Methoden lassen sich aufgrund ihres hohen apparativen Aufwandes und der eingeschränkten Tauglichkeit bezüglich geometrisch komplexer Bauteile nicht unmittelbar übernehmen. Es bestehen andere Anforderungen an ein Prüfkonzept für FKV-Bauteile im Automobilbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zerstörungsfreie Prüfmethoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Detektion nicht sichtbarer Schäden systematisch untersucht und bewertet. Der Fokus lag dabei auf Bauteilen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen des Automobils, die sowohl eine flächige als auch eine mehrfach gekrümmte Bauteilstruktur mit nicht-homogenen Wanddicken aufweisen können. In Abhängigkeit von der Art der Schädigung, etwa Einschlüsse, Zwischenfaserrisse oder Delaminationen wurden die unterschiedlichen Verfahren vergleichend in Hinblick auf Detektionssicherheit, -grenzen und Einschränkungen durch gegebene geometrische sowie werkstoffliche Bauteilausführungen bewertet und ein Konzept für eine fertigungsbegleitende Qualitätssicherung entwickelt.

Den här studien handlar om att undersöka värmemotståndet för ett vattenrutschbaneelement för att se om det finns en skillnad mellan schablonmässiga och uppmätta värden för värmekonduktiviteten hos materialen men även undersöka hur stor påverkan de längsgåendeflänsarna har på transmissionsförlusten. Det finns ofta en skillnad mellan det schablonmässiga och faktiska värden när matningar genomförs på färdigställda konstruktioner. Syftet med studien är att undersöka riktigheten av schablonmässigt bestämt värmemotståndet för ett vattenrutschbaneelement (banmodell typ-1000) som produceras av Hydro Sport AB. Studien kommer även att undersöka materialens temperaturberoende utifrån värmekonduktivitet. En laboratoriemätning utfördes i ett klimatkammarskåp med värmeflödesmätare och termoelement för att bestämma värmekonduktiviteten för glasfiberlaminatet (GFRP) och mäta värmemotståndet för den sammansatta konstruktionen och genom att subtrahera glasfiberlaminatet värmemotstånd för att erhålla värmekonduktiviteten för Armaflex isoleringen. De framtagna värmekonduktiviteterna användes som parametrar i Comsol Multiphysics simuleringarna för att undersöka hur stor skillnad schablonmässiga och uppmätta värden har för denna specifika vattenrutschbana. Handberäkningar gjordes för att säkerställa att Comsol Multiphysics simuleringarna var pålitliga. Resultaten som framtagits i studien visar på att båda materialen men framför allt glasfiberlaminatet hade ett lägre värmekonduktivitetsvärde än det schablonmässiga som används i beräkningar i dagsläget. / This study is about examining the thermal resistance of a water slide element to see if it’s a difference between standard values and measured values for the materials thermal conductivity and also see how big an impact the horizontal flanges have for the heat balance of the structure. There is often a difference between the theoretical and actual values that is measured when the construction is finished.The purpose of this study is to validate the accuracy of the thermal resistance of a water slide element (track model typ-1000) that is produced by Hydro Sport AB. This study also covers thermal conductivity temperature dependent for the materials. A laboratory measurement was performed in a climate chamber with heat flux meters and thermocouples to obtain the thermal conductivity for the glass fibre reinforced polymer (GFRP) and measure the heat resistance for the whole composite construction and from there substract the GFRP heat resistance to obtain the thermal conductivity for the Armaflex insulation. The obtained thermal conductivity was used as parameters for the simulations in Comsol Multiphysics to investigate how big the impacts are between standard values and measured for this particular water slide type. To make sure that the Comsol Multiphysics simulations were trustworthy a hand calculation was made for this purpose.The results in this study revealed that both materials but especially GFRP had a better thermal conductivity than the standard value that is used today.

Renewable energy production with wind turbines has been rising in the last 30 years and it is a crucial technology, which is necessary for the energy transition. As sustainable as the energy production of wind turbines is, the waste management of the blade material is not. Most of the blades end up on a landfill or get incinerated. There are different types of recycling methods, but the most commonly used is to shred the fibers into little pieces and reusing them for filler material in the concrete industry. This approach does not actually split up the blade material into its components but it is more of a downcycling. In this thesis, a new type of pyrolysis will be looked into, which splits up the blade material into its components namely glass fibers and plastic using molten salt. This process would make the glass fiber industry more sustainable by introducing a recycled glass fiber with minimal loss in quality. In a first step, the blade material will be examined more closely with a thermogravimetric analysis to find out what kind of plastic it is and what temperature would be necessary to pyrolyze it. This information will be used to conduct an experiment in a molten salt solution and determine the necessary reaction time and temperature. This data will be used to compare the costs of this method with shredding the material and the conventional pyrolysis. From the thermogravimetric analysis, it was possible to determine that the type of plastic used in this turbine was made out of epoxy. The maximum degredation of this material occurred at 380 ◦C. Not many experiments could be conducted in order to find the optimal conditions for the pyrolysis process due to difficulties with the furnace. Nevertheless, one sample was successfully pyrolyzed at a temperature of 400 ◦C with a residence time of 15 minutes. With the current market conditions in the recycled glass fibers industry, this product would be too expensive and the demand would be too little. However, the market is expected to grow in the next couple years due to rising interests in circular economy and governments introducing regulations. Nevertheless, it is necessary to increase the efficiency of the molten salt pyrolysis in order to be applicable to a bigger scale. More experiments should be conducted with cheaper molten salt in order to sink the costs of the process.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuartigen Ferti-gungsprozesses für hochfunktionalisierte Strukturbauteile in PFH-Technologie. Eigens für die Verarbeitung von FKV-Profilen wird das IHU/Spritzgießverfahren grundlegend analysiert und die einzelnen Pro-zessstufen durch den Einsatz geeigneter Prozessmedien und -parametrierungen modifiziert. Mit Hilfe umfangreicher analytischer und numerischer Berechnungen sowie erfolgreicher Umsetzung eines neuar-tigen Temperierungskonzeptes lassen sich erstmals FKV-Profile ohne den Einsatz von Barriereschichten, endkonturnah und reproduzierbar in seriellen Taktzeiten umformen. Zudem ist somit eine Funktionalisierung mittels Spritzgießen und ein gesamtheitliches Beherrschen des Hybrid-prozesses gegeben. Ein Vergleich der Verbindungsfestigkeiten mit hyb-riden Referenzbauteilen beweist, dass sich durch die stoffschlüssige Anbindung zeit- und kostenintensive Vorbehandlungen einsparen und gleichzeitig höhere Verbundqualitäten erzielen lassen. Um das PFH-Strukturbauteil mit montagegerechten Verbindungsschnittstellen zu werkstofflich andersgearteten Multimaterialstrukturen zu versehen, dient ein eigens entwickeltes prozesskomplementäres In-situ-Integrationsverfahren. Abschließend ist ein allgemeiner methodischer Ansatz für den technologischen Transfer und Adaption systematisch aufgeschlüsselt, sodass sich die einzelnen Entwicklungspfade nachvoll-ziehen lassen.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft und Technik 4 Anforderungen an einen faserverbund-gerechten IHU/Spritzgießprozess 5 Prozessentwicklung und Validierung 6 In-situ-Integrationsprozess für metallische Inserts 7 Konfiguration einer seriellen Fertigungstechnologie 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhänge / The goal of this thesis is the development of a new production technol-ogy for highly functional lightweight structural parts. Therefor the hy-droforming supported overmolding process was chosen as a suiting manufacturing process. By usage of analytical and numerical calcula-tions as well as adapting a new kind of temperature distribution con-cept, the new Polymer-FRP-Hbyrid-Technology is enabled to manufac-ture frp-profile based structural components without the need for a barrier layer. The final product possesses its’s final shape already and has no need for further machining processes. A comparison with state-of-the-art metal-plastic-hybrid bonding systems shows a way higher value for the new technology due to the adhesive bond between the tape and injection molding polymer. Furthermore, the technology was enhanced with a process implemented insert joining process. Finally, a methodical approach for the technology transfer is presented.:1 Einleitung 2 Zielsetzung 3 Stand der Wissenschaft und Technik 4 Anforderungen an einen faserverbund-gerechten IHU/Spritzgießprozess 5 Prozessentwicklung und Validierung 6 In-situ-Integrationsprozess für metallische Inserts 7 Konfiguration einer seriellen Fertigungstechnologie 8 Zusammenfassung und Ausblick Anhänge

Si l'emploi des matériaux composites dans l'aéronautique est déjà effectif sur des éléments de structures principales et de grande taille, leur généralisation aux structures secondaires bute sur leur positionnement en termes de coûts et performances face aux métaux. Il s'agit dans ce travail de contribuer à la mise en place d'une filière française de pièces composites hautes performances à bas coûts en s'appuyant sur un procédé de moulage en grande série, à savoir le thermoformage à haute pression. Ainsi, il a été question dans un premier temps d'optimiser ce procédé vis-à-vis des principales matières rencontrées dans les structures aéronautiques. Ensuite, les stratifiés moulés ont été caractérisés et les effets des conditions environnementales sévères (humidité, température, impact) sur leur comportement mécanique étudiés. Par ailleurs, réduire les coûts des pièces signifie également réduire les coefficients de sécurité qui restent très élevés pour les pièces composites. Cela passe par une meilleure prédictibilité de la rupture des matériaux et du comportement mécanique au-delà du linéaire. Sur le carbone/PEEK satin de 5 pris comme matériau d'illustration, les phénomènes non linéaires (viscoplasticité) ainsi que les mécanismes d'endommagement et de rupture ont été étudiés. Un accent particulier a été mis sur le délaminage et un critère permettant de prédire son amorçage a été proposé. La possibilité de faire des modèles éléments finis des pièces directement à l'échelle mésoscopique (du pli) a été également explorée et laisse entrevoir des pistes prometteuses pour des dimensionnements plus sûrs et donc moins conservatifs. / If the use of composite materials is already effective on elements of main structures and large size parts, their generalization to secondary parts is not effective due to their cost and their performances compared to metals. The framework of this thesis is to contribute to the establishment of a French chain of high performance composite parts at low cost. Thus, it was initially question of optimizing the process vis-à-vis the main composite materials used in the aerospace structures. Then, the molded laminates were characterized and the effects of severe conditions (humidity, temperature, impact) on their mechanical behavior were studied. Also, reduce the cost of parts also means reducing the safety factors which remain very high. This requires a better prediction of the failure and the mechanical behavior beyond the linear. Taking the five harness satin weave carbon/PEEK material as example, non-linear phenomena (viscoplasticity), damage mechanisms and failure criteria were studied, with particular emphasis on the delamination. The possibility to perform finite element analysis of the parts directly at the mesoscopic scale (ply-scale) was also explored and suggests promising expectations for a less conservative sizing of composite structures.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JorgeFSO_TESE.pdf: 9384301 bytes, checksum: 94f6528a142b55c3b875e331722c4d8d (MD5) Previous issue date: 2013-12-09 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / As most current studies, reinforced plastics have been, in recent years, a viable alternative in building structural elements of medium and large, since the lightness accompanied by high performance possible. The design of hybrid polymer composites (combination of different types of reinforcements) may enable structural applications thereof, facing the most severe service conditions. Within this class of composite materials, reinforced the underlying tissues hybrid high performance are taking space when your application requires high load bearing and high rigidity. The objective of this research work is to study the challenges in designing these fabrics bring these materials as to its mechanical characterization and fracture mechanisms involved. Some parameters associated with the process and / or form of hybridization stand out as influential factors in the final performance of the material such as the presence of anisotropy, so the fabric weave, the process of making the same, normative geometry of the specimens, among others. This sense, four laminates were developed based hybrid reinforcement fabrics involving AS4 carbon fiber, kevlar and glass 49-E as the matrix epoxy vinyl ester resin (DERAKANE 411-350). All laminates were formed each with four layers of reinforcements. Depending on the hybrid fabric, all the influencing factors mentioned above have been studied for laminates. All laminates were manufactured industrially used being the lamination process manual (hand-lay-up). All mechanical characterization and study of the mechanism of fracture (fracture mechanics) was developed for laminates subjected to uniaxial tensile test, bending in three and uniaxial compression. The analysis of fracture mechanisms were held involving the macroscopic, optical microscopy and scanning electron microscopy / Conforme estudos mais atuais, os pl?sticos refor?ados v?m sendo, nos ?ltimos anos, uma alternativa vi?vel na constru??o de elementos estruturais de m?dio e grande porte, desde que a leveza acompanhada de alto desempenho seja poss?vel. A concep??o de comp?sitos polim?ricos h?bridos (combina??o entre tipos diferentes de refor?os) pode possibilitar aplica??es estruturais dos mesmos, frente ?s mais adversas condi??es de servi?os. Dentro dessa classe de materiais comp?sitos, os refor?ados a base de tecidos h?bridos de alto desempenho v?m tomando espa?o quando a sua aplica??o requer alto suporte de carga e alta rigidez. O objetivo desse trabalho de investiga??o ? o estudo da influ?ncia que esses tecidos trazem na concep??o desses materiais quanto a sua caracteriza??o mec?nica e mecanismos de fratura envolvidos. Alguns par?metros associados ao processo e/ou forma de hibridiza??o se destacam como fatores influenciadores no desempenho final do material tais como a presen?a de anisotropia, forma da trama tecido, processo de confec??o dos mesmos, geometria normativa dos corpos de prova, entre outros. Neste sentido, quatro laminados comp?sitos foram desenvolvidos ? base de tecidos de refor?os h?bridos envolvendo fibras de carbono AS4, kevlar 49 e vidro-E e como matriz a resina ep?xi ?ster vin?lica (DERAKANE 411-350). Todos os laminados comp?sitos foram constitu?dos com quatro camadas de refor?os. Dependendo do tipo de tecido h?brido, todos os fatores influenciadores acima mencionados foram estudados para os laminados. Todos os laminados foram fabricados industrialmente sendo empregado o processo de lamina??o manual (hand-lay-up). Todo o estudo da caracteriza??o mec?nica e do mecanismo de fratura (fratura mec?nica) foi desenvolvido para os laminados submetidos aos ensaios mec?nicos de tra??o uniaxial, flex?o em tr?s e compress?o uniaxial. As an?lises dos mecanismos de fratura foram realizadas envolvendo a macroscopia, microscopia ?tica e eletr?nica de varredura

Cílem této diplomové práce je lépe porozumět konceptu únavového poškození damage tolerance zmapováním všech možných vlivů na lomovou houževnatost vláknového kompozitu s polymerní matricí. Toho je dosaženo provedením zkoušek za různých podmínek (např. změna parametrů měření, mód zatížení, pořadí vrstev a materiál) a monitorováním odlišností v šíření trhliny. Na základě dat získaných během těchto testů je určena lomová houževnatost. Potenciální rozdíly jsou zkonzultovány a porovnány s ostatními vzorky.