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

Ausgehend von der Anwendung von Folienhinterspritzprozessen für dekorative Zwecke wurde deren Nutzung für die Integration elektronischer Strukturen in Kunststoffbauteile untersucht. Die Herstellung der elektronischen Bauelemente erfolgte mittels verschiedener Druckverfahren mit elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien auf Polycarbonatfolien. Im Fokus standen zum einen kapazitiv auslesbare Speicherstrukturen und zum anderen Elektrolumineszenzleuchten. Nach dem Druck wurden die bedruckten Folien z. T. verformt und hinterspritzt. In der Arbeit wird auf die Auswirkungen der Verform- und Hinterspritzprozesse eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die elektronische bzw. optische Funktionalität der Bauelemente, die Beeinflussung durch Klimaveränderungen und die Haftfestigkeit der Folien betrachtet. Im Ergebnis konnten erstmals die Realisierbarkeit hinterspritzter elektronischer Bauelemente nachgewiesen sowie verschiedene Einflussfaktoren auf deren Funktionalität identifiziert werden. / Based on the application of film insert molding for graphic purposes, the utilization of this process for the integration of electronic devices into plastic components was examined. The manufacturing of the electronic devices was realized by applying electrical conductive and dielectric inks on polycarbonate foil by various printing processes. Capacitive data storage patterns and electroluminescent lamps are the main applications. The production sequence included the printing process, forming of the foil where required and back injection molding. The impact of forming and film insert molding was investigated. The electronic and/or optical functionality of the devices, the influence of ambient conditions like temperature or humidity and the adhesion strength of the foils were in the focus of the evaluation. As a result, the feasibility of film insert molded electronic devices could be verified and various impact factors could be identified for the first time.

Das 1K- und das 2K-Spritzgießverfahren dienen zur Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen, deren Deck- und Kernschicht aus einer kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Folie sowie entweder kompaktem oder geschäumtem Polypropylen besteht. Zudem erfolgt die Herstellung der Schäume durch das CELLMOULD®-Verfahren mit einem physikalischen Treibmittel. Eine geeignete kurzfaserverstärkte PP-Folie wird aufgrund ihrer mikroskopischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Beim Schaumspritzgießen ermittelt die Drei-Wege-ANOVA den Einfluss der Werkzeugtemperatur, der Eingasungsmenge und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Dichte sowie die Zelldichte und die Zellgröße der eingespritzten Schäume. Funktional gradierte Sandwichstrukturen lassen sich durch die Mikrostruktur-untersuchung evaluieren. Die mechanischen und spezifischen mechanischen Eigenschaften der eingespritzten Proben werden in der Arbeit durch die Biegeprüfung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich faserverstärkte konventionelle PP-Folien mit 30 Gew.-% am besten für die Deckschichten eignen. Beim Schaumspritzgießen beeinflusst lediglich die Werkzeugtemperatur die Zelldichte und die Zellgröße. Funktional gradiertes Material ergibt sich bei der Sandwichstruktur, die durch 1K-Spritzgießen hergestellt wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer geschäumten Lage, kompakter Lagen und kurzglasfaserverstärkter Lagen findet die Gradierung sich von der Mitte bis zu den Rändern der Proben statt. Das Vorhandensein von Schaumstrukturen verringert den Biegemodul und die Biegefestigkeit. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung nimmt signifikant mit den vorhandenen Glasfasern ab. Die Sandwichstrukturen führen lediglich zur Erhöhung des Biegemoduls und der Biegefestigkeit gegenüber kompaktem und geschäumtem PP. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung verhält sich bei den Sandwichstrukturen umgekehrt zum Biegemodul und der Biegefestigkeit. Beim Vergleich mittels unterschiedlicher Spritzgießverfahren produzierter Sandwichstrukturen haben die durch das 1K-Spritzgießverfahren hergestellten Proben einen niedrigeren Biegemodul und eine geringere Biegefestigkeit als die durch das 2K-Spritzgießverfahren produzierten. Jedoch zeigen die Sandwichstrukturen aus dem 1K-Spritzgießverfahren mit geschäumtem Kern den höheren spezifischen Biegemodul und die höhere spezifische Biegefestigkeit in Y-Richtung im Vergleich zu jenen aus dem 2K-Spritzgießverfahren. Außerdem weisen die verschiedenen Versagensarten der Sandwichstrukturen bei der Biegeprüfung und der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit keine Delamination zwischen Deck- und Kernschicht auf. Bei der Berechnung durch den modifizierten Gonzales-Ansatz und die Paralleltheorie zeigt sich, dass der E-Modul der Schäume und der Sandwichstrukturen fast identisch mit jenem aus den Experimenten ist. Allerdings ist die Berechnung der faserverstärkten Proben nicht möglich, daher wird der E-Modul aus den Experimenten verwendet, um die Durchbiegung im Rahmen einer Balkentheorie zu bestimmen. Die nahezu identische Durchbiegung aus dem Experiment und der Berechnung lässt sich auch durch die Euler-Bernoulli-Balkentheorie nachweisen. Die Arbeit zeigt auf, dass die Sprünge in der Steifigkeit und Festigkeit in jeder Lage von 1K-und 2K-spritzgegossenen Sandwichstrukturen abnehmen. Auf diese Weise lässt sich die Vermeidung der Delamination zwischen Deck- und Kernschicht erreichen. Die Dichte und die Materialmenge der Sandwichstrukturen reduzieren sich ohne signifikante Abnahme des spezifischen Biegemoduls und der spezifischen Biegefestigkeit. Mit der Verwendung von mechanischen Eigenschaften von Teilkomponenten der Sandwich-struktur können die Biegeeigenschaften der gradierten Sandwich-strukturen durch eine Berechnung vorausgesagt werden.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick / The 1-component and 2-component injection moulding processes are employed to produce thermoplastic sandwich structures of which the skin and core layers comprise a short glass fibre-reinforced polypropylene film and either compact or foamed polypropylene, respectively. In addition, the foams are produced using the CELLMOULD® process with a physical blowing agent. A suitable short fibre reinforced PP film is selected on the basis of its microscopic, rheological and mechanical properties. In foam injection moulding, the three-way ANOVA determines the influence of the mould temperature, gas content and injection speed on the density as well as the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded sandwich structures can be proven by using the microstructure investigation. The mechanical properties and specific mechanical properties of the injected samples are determined by the three-point bending test. The results show that fibre-reinforced conventional PP films with 30 wt% are the most suitable for the skin layers. In the case of foam injection moulding, only the mould temperature influences the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded material results from the sandwich structure, which is produced by 1-component injection moulding process, because a foamed layer, compact layers and short glass fibres reinforced layers occur from the middle to the edges of these samples. The presence of foam structures reduces the flexural modulus and the flexural strength. The bending elongation at maximum bending stress decreases significantly with the existing glass fibres. The sandwich structures only increase the flexural modulus and the flexural strength compared to compact and foamed PP. The bending elongation at maximum bending stress behaves in the opposite way in the sandwich structures compared to the flexural module and the flexural strength. When comparing sandwich structures produced using different injection moulding processes, the sandwich structures produced by the 1-component injection moulding process have a lower flexural modulus and a lower flexural strength than those produced by the 2-component injection moulding process. However, the sandwich structures with foamed core from the 1-component injection moulding process show the higher specific flexural modulus and the higher specific flexural strength in Y-direction compared to those in the same direction from the 2-component injection moulding process. In addition, the various types of failure of the sandwich structures during the bending test and the determination of the interlaminar shear strength provide no delamination between the skin and core layers. The calculation suggests that the modulus of elasticity of the foams and the sandwich structures, calculated by the modified Gonzales approach and the parallel theory, respectively, is almost identical to that from the experiments. Nevertheless, the calculation of the fibres-reinforced samples cannot be achieved, hence, the modulus of elasticity of the fibres-reinforced samples from the experiments is used to determine the deflection based on a beam theory. The almost identical deflection from the experiment and the calculation can also be demonstrated by the Euler-Bernoulli beam theory.The work shows that the significant change in rigidity and strength decrease in each layer of 1-component and 2-component injection moulded sandwich structures. Thus, the avoidance of delamination between the skin and core layers can be achieved. The density and the amount of material in the sandwich structures are reduced without a significant decrease in the specific flexural modulus and the specific flexural strength. With the use of mechanical properties of subcomponents of the sandwich structure, the bending properties of the graded sandwich structures can be predicted by a calculation.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick

Ausgehend von der Anwendung von Folienhinterspritzprozessen für dekorative Zwecke wurde deren Nutzung für die Integration elektronischer Strukturen in Kunststoffbauteile untersucht. Die Herstellung der elektronischen Bauelemente erfolgte mittels verschiedener Druckverfahren mit elektrisch leitfähigen und dielektrischen Materialien auf Polycarbonatfolien. Im Fokus standen zum einen kapazitiv auslesbare Speicherstrukturen und zum anderen Elektrolumineszenzleuchten. Nach dem Druck wurden die bedruckten Folien z. T. verformt und hinterspritzt. In der Arbeit wird auf die Auswirkungen der Verform- und Hinterspritzprozesse eingegangen. Schwerpunktmäßig wird die elektronische bzw. optische Funktionalität der Bauelemente, die Beeinflussung durch Klimaveränderungen und die Haftfestigkeit der Folien betrachtet. Im Ergebnis konnten erstmals die Realisierbarkeit hinterspritzter elektronischer Bauelemente nachgewiesen sowie verschiedene Einflussfaktoren auf deren Funktionalität identifiziert werden. / Based on the application of film insert molding for graphic purposes, the utilization of this process for the integration of electronic devices into plastic components was examined. The manufacturing of the electronic devices was realized by applying electrical conductive and dielectric inks on polycarbonate foil by various printing processes. Capacitive data storage patterns and electroluminescent lamps are the main applications. The production sequence included the printing process, forming of the foil where required and back injection molding. The impact of forming and film insert molding was investigated. The electronic and/or optical functionality of the devices, the influence of ambient conditions like temperature or humidity and the adhesion strength of the foils were in the focus of the evaluation. As a result, the feasibility of film insert molded electronic devices could be verified and various impact factors could be identified for the first time.

Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

Werkstoffe auf Basis duroplastischer Harze besitzen exzellente Gebrauchseigenschaften für viele Bereiche des industriellen Einsatzes. Vor allem durch die Spritzgießverarbeitung rieselfähiger duroplastischer Formmassen entsteht ein hohes Substitutionspotential gegenüber Bauteilen aus Metallen oder Hochleistungsthermoplasten. Jedoch führen bestehende Erkenntnisdefizite im Prozessverständnis zu Ressentiments hinsichtlich des Einsatzes duroplastischer Werkstoffe. Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit war die Ermittlung und Analyse der prozessinduzierten Werkstoffstruktur von spritzgegossenen technischen Phenolharzformteilen. Dabei wurden zum einen das Füllen der Werkzeugkavität und die sich ausbildende Faserorientierung untersucht und zum anderen die sich während des Temperns verändernde chemische Struktur. Anhand von Platten- sowie Zugprüfkörpern wurden sowohl beim Spritzgießen als auch beim Tempern Parametervariationen durchgeführt und die jeweils resultierende Werkstoffstruktur sowie deren Einfluss auf die Formteileigenschaften analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strömungsverhältnisse während der Werkzeugfüllung stark von den Prozessparametern und der Werkstoffzusammensetzung abhängig sind. Dadurch wird auch die Faserorientierung beeinflusst, sodass im Formteil lokal und richtungsabhängig stark unterschiedliche Eigenschaften entstehen können. Darüber hinaus konnte anhand einer alternativen Tempermethode geklärt werden, warum es beim Tempern zu einem Abfall der mechanischen Eigenschaften kommt und eine Möglichkeit zur Vermeidung gegeben werden. / Because of their excellent properties, thermosets can be applied in a bright range of industrial applications. Especially thermoset molding compounds can be processed highly effective by injection molding, which enables them to substitute metals or high performance thermoplastics. But there is a deficit in process understanding, which limits the industrial application. The objective of this work is the investigation and analysis of the process induced material structure of injection molded technical phenolic components. Therefor the filling of the cavity with the resulting fiber orientation and the chemical processes during post-curing were examined. A parameter variation with injection molded plate and tensile specimens were done and the resulting material structure and the effect on the component properties were analyzed. The results show a big influence of the process parameter and the material on the flow condition during the filling of the cavity. Thereby also the fiber orientation is affected. This leads to process-depending local and direction-depending properties. In addition, this work shows an alternative method for post-curing to avoid the decrease of mechanical properties.

Spritzgießbare Duroplaste zeichnen sich durch hohe thermo-mechanische Beständigkeit, geringe Schwindung und niedrige Materialkosten aus. Damit können die Anforderungen an spritzgegossene Präzisionsbauteile für den Automobilbau erreicht werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden unterschiedliche Novolak-Phenolformmassen hinsichtlich ihres hygroskopischen Verhaltens und dessen Auswirkung auf die Spritzgießverarbeitung und die Bauteilqualität untersucht. Das Absorptionsverhalten kann mithilfe der Fick’schen Diffusionsgesetzte näherungsweise beschrieben werden. Auf Basis von mechanischen Untersuchungen sowie der Beurteilung der Maßhaltigkeit eines Präzisionsdemonstrators hinsichtlich Schwindung und Verzug wird zudem der Einfluss der Prozessparameter beim Spritzgießen bestimmt. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen die Grenzen der Verarbeitung und der realisierbaren Bauteilqualität auf, die auf die großserientaugliche Verarbeitung von duroplastischen Bauteilen übertragen werden können. / Injection moldable thermosetting materials show excellent material properties, e.g. high thermo-mechanical resistance and reduced shrinkage in combination with low material cost. Thus, technical requirements for high performance parts for automotive applications can be achieved. In the scope of this work different phenolic novolac compounds were investigated regarding their hygroscopic behavior with its influence for injection molding and product quality. The absorption can be approximately described by Fick’s-Diffusion-Model. The interrelationship of injection molding parameters and the thermo-mechanical behavior is examined on the basis of mechanical testing and the assessment of the dimensional accuracy for a thermoset high precision part. The presented investigations point to the limit of processing and realizable part quality which can be transferred for high performance parts molded in mass production.

Die Zielstellung dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Charakterisierung sowohl der Ausgangsmaterialien (Naturfasern, Polymere) als auch ihrer Verbundeigenschaften zu leisten. Morphologische Unterschiede der Fasern, im wesentlichen bedingt durch Erntezeitpunkt, Röstdauer und Verarbeitungsbedingungen, haben Einfluss auf die mechanischen Kennwerte als auch auf das Faser/Matrix-Interface des Verbundwerkstoffs. Durch unterschiedliche Verfahren (Thermoanalyse, Ubbelohde-Viskosimetrie, NMR-Spektroskopie, Einzelfaserzugversuch) werden sowohl das Degradationsverhalten als auch die Prozessgrenzen bestimmt. Zur Einschätzung des Grenzflächenzustands werden oberflächensensitive Verfahren (BET-Verfahren, Zeta-Potentialbestimmung, IR-Spektroskopie, Rasterelektronen-mikroskopie) angewendet. Die Charakterisierung der durch Compoundieren und Spritzgießen, bzw. durch Konsolidieren von Hybridvliesen hergestellten Verbunde erfolgt mittels quasi-statischer bzw. dynamisch-mechanischer Methoden (DMA). Fraktographische rasterelektronenmikroskopische und IR-spektroskopische Untersuchungen belegen die Veränderung des Interfaces durch geeignete Faserbehandlung, Prozessparameter und Haftvermittlung. Die vorliegende Arbeit weist die effektive Verstärkungswirkung der Naturfasern Flachs bzw. Hanf in hochpolymeren Matrices zuverlässig nach. / The objectives of this dissertation are the characterization of the components (natural fibers, polymers) and the resulting properties of the composites. Due to differences in fiber morphology, mainly caused by the date of harvest, retting and fiber separation procedures, the mechanical properties and the fiber/matrix interface are effected. The degradation and the limits of the process are characterized by means of thermal analysis, Ubbelohde viscosimetry, NMR spectroscopy and single fiber tensile test. Surface sensitive methods (BET measurements, zeta potential measurements, IR-spectroscopy) were applied to evaluate the fiber/matrix interface. The composites were first manufactured by compounding and injection molding as well as by consolidation of hybrid nonwovens and characterized by means of quasi statical and dynamic-mechanical methods. The effect of adequate fiber treatements, process parameters and coupling agents becomes obvious applying fractographic SEM and IR spectroscopic measurements. The gained results indicate the strengthening effect of natural fibers like flax and hemp on the performance of high polymers.

Process-induced Long-term Deformation Behavior of Injection Molded Semicrystalline Thermoplastics Injection molding is a very complex process because the polymer experiences a complex thermorheological history during molding that influences the molecular orientation, residual stresses, frozen-in free volume and crystallinity inside the part. These generally govern the final part properties. Therefore it is highly desirable to anticipate the effect of process parameters on the resulting microstructure and mechanical properties of the finished part in the long run. In the case of a semicrystalline thermoplastic part, the problem in understanding the deformation behavior arises from its two-phase structure and a tendency exists to concentrate primarily on the effect of the crystalline phase on the deformation behavior, while the contribution of the amorphous phase is less investigated. In this work, the influence of the processing parameters on the deformation behavior of injection molded semicrystalline thermoplastic parts, viz., syndiotactic Polystyrene (sPS) and Polybutylene terepthalate (PBT), has been monitored through creep. The resulting internal structures due to processing have been determined and the deformation behavior has been analyzed. It has been observed that only the rate of cooling shows a remarkable effect on the long-term viscoelastic behavior of an injection molded semicrystalline thermoplastic part as it influences not only the crystalline, but also the free volume fraction, whereas the different states of frozen-in orientations and pressure-induced densification have only a negligible effect. Besides, physical aging also plays an important role in the deformation behavior of the injection moldings which was manifested with the decrease in the tendency to creep. Therefore, it was suggested that the cooling rate during injection molding and the aging time can significantly affect the long-term deformation behavior of the injection molded semicrystalline thermoplastics. The results also showed that when no significant effect is observed in terms of short-term mechanical properties by changing the processing conditions, but while considering the long-term behavior they show a significant effect.

In this work, the material distribution, structure of fiber orientation and fiber attrition in sandwich and push-pull injection molded short fiber composites are investigated, regarding the effect of fiber content and processing parameters, given its direct relevance to mechanical properties. The prediction of the tensile strength of conventional, sandwich and push-pull injection molded short fiber composites are derived by an analytical method of modified rule of mixtures as a function of the area fraction between skin and core layers. The effects of fiber length and fiber orientation on the tensile strength are studied in detail. Modeling of the specialized injection molding processes have been developed and performed with the simulation program in order to predict the material distribution and the fiber orientation state. The secondorder orientation tensor (a11) approach is used to describe and calculate the local fiber orientation state. The accuracy of the model prediction is verified by comparing with corresponding experimental measurements to gain a further basic understanding of the melt flow induced fiber orientation during sandwich and push-pull injection molding processes.