Zugl.: München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Faserverbundwerkstoffe werden häufiger für Leichbauanwendungen eingesetzt. Thermoplastische Matrixmaterialien gewinnen in der letzten Zeit immer mehr an Bedeutung wegen höherer Produktivität, niedriger Kosten und besserer Umweltfreundlichkeit sowie Recyclingsfähigkeit. Im Rahmen des Projektes SFB 639 werden Spacer-Strukturen aus GF (Glas)- und PP (Polypropylen)-Filamenten verstärkten Textilien hergestellt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Montage von textilen Preformen mittels Nähtechnik und den mechanischen Eigenschaften genähter thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe. Das Ziel ist, durch Untersuchungen der Festigkeitseigenschaften von genähten thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen die Möglichkeiten gezielter Verbesserung der mechanischen Eigenschaften herauszufinden. Als Versuchsmaterial werden Twintex®-Gewebe und Mehrlagengestrick (hergestellt im ITB) aus GF- und PP-Filamenten verwendet. Durch Zug-, Schub-, Biege- und interlaminare Scherfestigkeitsuntersuchungen ist festzustellen, dass das Nähen an mehrschichtigen thermoplastischen faserverstärkten Verbundwerkstoffe positiv wirken kann. Durch Verwenden thermoplastischer Nähfäden wie beispielsweise Polyester-Nähfäden kann die Zugfestigkeit des Verbundes sogar erhöht werden. Ohne Verminderung der Zugfestigkeit kann das Nähen die Schlagzähigkeit thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe wesentlich erhöhen. Bei der Schlagbelastung erzeugen die Nähte neue Arten des Bruchs, so dass mehr Energie aufgenommen wird. Durch das Nähen lässt sich die Schlagzähigkeit besonders bei Faserverbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix bei niedrigen Temperaturen erhöhen. Die Zugfestigkeitsuntersuchungen von genähten überlappenden Faserverbunden zeigen, dass das Nähen die Zugfestigkeit überlappender Bauteile leicht erhöhen kann. Die Erfahrungen mit der Wirkung von Überlappungen der Verstärkungstextilien in Faserverbundbauteilen mit duromerer Matrix sind nicht auf thermoplastische Matrices zu übertragen. Der Konsolidierungsprozess mit thermoplastischer Matrix mittels Presstechnologie erzwingt eine konstante Wandstärke, so dass lokal im Überlappungsbereich ein erhöhter Faservolumenanteil theoretisch zu erwarten und praktisch nachgewiesen ist. Zur Vorbereitung der Montage von Faserverbundbauteilen kann das Einbringen von Löchern zur Aufnahme von Bolzen oder Schrauben erforderlich sein. Ein Konzept für ein maschinelles Verfahren zur Lochverstärkung wird in dieser Arbeit vorgeschlagen. Der Konstrukteur von Faserverbundbauteilen muss außerdem berücksichtigen, dass ein Gewinn an Schlagzähigkeit mit Verlusten bei den In-Plane-Eigenschaften verbunden ist. Durch eine optimale Wahl der Nahtparameter lassen sich gewünschte Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes einstellen. Trotz vielfältiger, auch berechtigter Kritik besitzt das Nähen als Montageverfahren für Preformen eine Perspektive, wenn die Nähte zielführend positioniert und schonende Nähprozessbedingungen gewährleistet werden.

Faserverbundwerkstoffe werden häufiger für Leichbauanwendungen eingesetzt. Thermoplastische Matrixmaterialien gewinnen in der letzten Zeit immer mehr an Bedeutung wegen höherer Produktivität, niedriger Kosten und besserer Umweltfreundlichkeit sowie Recyclingsfähigkeit. Im Rahmen des Projektes SFB 639 werden Spacer-Strukturen aus GF (Glas)- und PP (Polypropylen)-Filamenten verstärkten Textilien hergestellt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Montage von textilen Preformen mittels Nähtechnik und den mechanischen Eigenschaften genähter thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe. Das Ziel ist, durch Untersuchungen der Festigkeitseigenschaften von genähten thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen die Möglichkeiten gezielter Verbesserung der mechanischen Eigenschaften herauszufinden. Als Versuchsmaterial werden Twintex®-Gewebe und Mehrlagengestrick (hergestellt im ITB) aus GF- und PP-Filamenten verwendet. Durch Zug-, Schub-, Biege- und interlaminare Scherfestigkeitsuntersuchungen ist festzustellen, dass das Nähen an mehrschichtigen thermoplastischen faserverstärkten Verbundwerkstoffe positiv wirken kann. Durch Verwenden thermoplastischer Nähfäden wie beispielsweise Polyester-Nähfäden kann die Zugfestigkeit des Verbundes sogar erhöht werden. Ohne Verminderung der Zugfestigkeit kann das Nähen die Schlagzähigkeit thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe wesentlich erhöhen. Bei der Schlagbelastung erzeugen die Nähte neue Arten des Bruchs, so dass mehr Energie aufgenommen wird. Durch das Nähen lässt sich die Schlagzähigkeit besonders bei Faserverbundwerkstoffen mit thermoplastischer Matrix bei niedrigen Temperaturen erhöhen. Die Zugfestigkeitsuntersuchungen von genähten überlappenden Faserverbunden zeigen, dass das Nähen die Zugfestigkeit überlappender Bauteile leicht erhöhen kann. Die Erfahrungen mit der Wirkung von Überlappungen der Verstärkungstextilien in Faserverbundbauteilen mit duromerer Matrix sind nicht auf thermoplastische Matrices zu übertragen. Der Konsolidierungsprozess mit thermoplastischer Matrix mittels Presstechnologie erzwingt eine konstante Wandstärke, so dass lokal im Überlappungsbereich ein erhöhter Faservolumenanteil theoretisch zu erwarten und praktisch nachgewiesen ist. Zur Vorbereitung der Montage von Faserverbundbauteilen kann das Einbringen von Löchern zur Aufnahme von Bolzen oder Schrauben erforderlich sein. Ein Konzept für ein maschinelles Verfahren zur Lochverstärkung wird in dieser Arbeit vorgeschlagen. Der Konstrukteur von Faserverbundbauteilen muss außerdem berücksichtigen, dass ein Gewinn an Schlagzähigkeit mit Verlusten bei den In-Plane-Eigenschaften verbunden ist. Durch eine optimale Wahl der Nahtparameter lassen sich gewünschte Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes einstellen. Trotz vielfältiger, auch berechtigter Kritik besitzt das Nähen als Montageverfahren für Preformen eine Perspektive, wenn die Nähte zielführend positioniert und schonende Nähprozessbedingungen gewährleistet werden.

Block copolymers are commercially significant and fundamentally interesting class of polymeric materials. The ability to undergo interfacial thermodynamics-controlled microphase separation from a completely disordered state in the melt to a specifically defined ordered structure through self-organization makes the block copolymers based materials unique. Block copolymer are strongly replacing many of the commercially available polymers due to their unique microstructure and properties. The most practical interests of block copolymers lie in the area of thermoplastic elastomers (TPEs). The objective of the present thesis work is to developing novel roots for enhancing the physical and mechanical properties in block copolymer and multigraft copolymers. Initially the properties are tailored by controlling chemical architecture at synthesis level and by selective blending at production level. This gives an easy access for improvement of the material properties and this is one of my major tasks in the present research modules. Further the block copolymer based TPEs are cross-linked in presence of electron beam (EB) radiation for developing materials with superior properties. The electron beam radiation has the ability to alter material parameters at molecular level for enhancing the macroscopic properties. The desirable physical and chemical properties can be easily attained by varying the radiation beam parameters. In addition to that, controlling the material at nanometer scale is one of the greatest challenges for current nanocomposite research. In elastomeric materials it is very prominent to fill the rubber matrix with nano particles from carbon or silica by melt mixing technique for enhancing the material properties. Other than conventional melt mixing technique, sol–gel processing is also a versatile technique, which making it possible to produce a wide variety of materials and to provide existing materials with novel properties. A combination of in situ sol-gel reaction with electron beam cross-linking in TPEs from triblock copolymer has been demonstrated for the first time as one of the novel nanocomposite system in this work. The main advantage of this system lies in controlling the material behaviour by finely tuning the size of silica nano particle generated inside TPE during in situ sol-gel reaction. Finally, the various roots employed for enhancing the material behaviour in block copolymers in the above research module were secussfully employed on super elastic multigraft copolymers for improving their strength withour sacrificing the super elastic nature.

Innovative 3D spacer fabrics made from individual planes and connecting layers present great potential as complexly shaped textile preforms in lightweight composite applications. As one of the most flexible textile manufacturing methods, flat knitting enables the production of intricately shaped textile structures. The major advantages coupled with flat knitting techniques include the ability to produce multi-layer reinforcements, a diminishing waste, reducing production time and near-net shaping. This research includes the further development of flat knitting technology and the manufacturing processes of innovative, customized 3D spacer fabrics for high performance composite applications. Novel 3D spacer fabrics have been developed in different geometries using glass-polypropylene commingled hybrid yarns for complex shaped thermoplastic composite components. Reinforcement yarns have been integrated into spacer fabric structures with up to 4 reinforcement layers to improve mechanical performance. Furthermore, the successful addition of “sensor networks” created by integrating functional yarns into the 3D spacer fabrics could be used for structural health monitoring. Innovative integration concepts, which accommodate different positioning of the reinforcement yarns into the knit structures, can be used to adjust the mechanical properties of the finished knit composites. Moreover, the tensile properties have been accurately predicted based on the mathematical models formulated. The developed flat knitted 3D spacer fabrics are very promising for applications in lightweight composites, mechanical engineering, protective textiles, civil engineering and architectural designs. / Innovative 3D-Spacer Fabrics bestehend aus individuellen Deckflächen und Verbindungsstegen bieten ein großes Potential als komplex geformte textile Halbzeuge für Leichtbauverbundwerkstoffanwendungen. Mit Hilfe des Flachstrickens, welches einer der flexibelsten textilen Herstellungsprozesse ist, lassen sich komplex geformte textile Strukturen herstellen. Belastungsgerechte Verstärkungen, Abfallreduzierung, endkonturnahe Fertigung sind nur einige der großen Vorteile der modernen Flachstricktechnik. Die Forschungsarbeit beinhaltet die Entwicklung der Flachstricktechnologie und des Herstellungsprozesses für innovative 3D-Spacer Fabrics für Hochleistungsverbundwerkstoffe. Neuartige 3D-Spacer Fabrics wurden in unterschiedlichen Geometrien entwickelt, in dem Glas-/ Polypropylen Commingling-Hybridgarn für komplex geformte thermoplastische Verbundwerkstoffkomponenten eingesetzt wird. Verstärkungsfäden wurden für hochmechanische Belastungen in die Spacer-Fabric-Strukturen in bis zu 4 Verstärkungschichten integriert. Die erfolgreiche Umsetzung und Entwicklung von Sensornetzwerken durch die Integration von funktionalen Fäden in die 3D-Spacer Fabrics kann für die strukturelle Zustandsüberwachung genutzt werden. Die innovativen Integrationskonzepte erlauben die differenzierte Orientierung von Verstärkungsfäden in den Gestrickstrukturen, wodurch eine starke Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften der Gestrickverbundwerkstoffe herbeigeführt wird. Darüber hinaus wurden die Zugeigenschaften basierend auf den entwickelten mathematischen Modellen vorhergesagt. Die entwickelten flachgestrickten 3D-Spacer Fabrics sind sehr vielversprechend beispielweise für die Anwendung in Leichtbauverbundwerkstoffen, im Maschinenbau, in Schutztextilien, im Bauingenieurwesen und Architekturdesign.

Im Rahmen des Exzellenzclusters MERGE an der TU Chemnitz erfolgt die Entwicklung eines kontinuierlichen großserientauglichen Verfahrens zur Herstellung komplexer geschlossener Strukturbauteile. Hierbei werden vorimprägnierte faserverstärkte thermoplastische Halbzeuge (thermoplastische Tapes) in einem Kombinationsverfahren aus thermoplastischen Tapelegen und Tapewickeln verarbeitet. Für dieses kontinuierliche Orbitalwickelverfahren wurde ein spezieller Technologiedemonstrator entwickelt mit dessen Hilfe Machbarkeitsstudien zur Erbringung des Funktionsnachweises durchgeführt werden. Die oben genannte Versuchsanlage ermöglicht die Erzeugung rotationssymmetrischer Profile, die zudem einen inkonstanten Querschnitt aufweisen können. Für die Anlagenkonzeptionierung wurde ein Beispielprofil eines Strukturbauteils ausgewählt und die Anlagendimensionierung durchgeführt. Basierend auf dem Entwurf werden zur Anlagendimensionierung die Parameter der Einzelantriebe mit Hilfe inverser Kinematik simulativ und analytisch abgeleitet und durch anschließende Simulation in CreoElements/Pro® vervollständigt. Die konstruktive Realisierung erfolgte mittels Solid Works. Die abschließende simulative Validierung wurde wiederum mittels CreoElements/Pro® durchgeführt. Diese Arbeiten entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzclusters EXC 1075 "Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.

Block copolymers are commercially significant and fundamentally interesting class of polymeric materials. The ability to undergo interfacial thermodynamics-controlled microphase separation from a completely disordered state in the melt to a specifically defined ordered structure through self-organization makes the block copolymers based materials unique. Block copolymer are strongly replacing many of the commercially available polymers due to their unique microstructure and properties. The most practical interests of block copolymers lie in the area of thermoplastic elastomers (TPEs). The objective of the present thesis work is to developing novel roots for enhancing the physical and mechanical properties in block copolymer and multigraft copolymers. Initially the properties are tailored by controlling chemical architecture at synthesis level and by selective blending at production level. This gives an easy access for improvement of the material properties and this is one of my major tasks in the present research modules. Further the block copolymer based TPEs are cross-linked in presence of electron beam (EB) radiation for developing materials with superior properties. The electron beam radiation has the ability to alter material parameters at molecular level for enhancing the macroscopic properties. The desirable physical and chemical properties can be easily attained by varying the radiation beam parameters. In addition to that, controlling the material at nanometer scale is one of the greatest challenges for current nanocomposite research. In elastomeric materials it is very prominent to fill the rubber matrix with nano particles from carbon or silica by melt mixing technique for enhancing the material properties. Other than conventional melt mixing technique, sol–gel processing is also a versatile technique, which making it possible to produce a wide variety of materials and to provide existing materials with novel properties. A combination of in situ sol-gel reaction with electron beam cross-linking in TPEs from triblock copolymer has been demonstrated for the first time as one of the novel nanocomposite system in this work. The main advantage of this system lies in controlling the material behaviour by finely tuning the size of silica nano particle generated inside TPE during in situ sol-gel reaction. Finally, the various roots employed for enhancing the material behaviour in block copolymers in the above research module were secussfully employed on super elastic multigraft copolymers for improving their strength withour sacrificing the super elastic nature.

The Joule heating of carbon fiber-based textiles enables an energy- and cost-efficient processing of carbon fiber reinforced thermoplastic parts. This article introduces a new method to pass direct current into a dry, not pre-consolidated hybrid yarn textile based on recycled carbon fibers and polyamide 6 fibers. The aim is to melt polyamide fibers, subsequently impregnate carbon fibers, and finally consolidate the material to form a composite part in a single process step. To increase the reliability of this technology, the electrical properties and the behavior of the material during the heating process must be thoroughly investigated. It will be addressed how the material is characterized during the process and how the changing resistivity of the textile affects the current flow between the electrodes to generate intrinsic heat. Moreover, a method to determine the effective material resistivity by finite element simulation on the fiber scale based on a CT scan is presented. Thus, a validated material model with respect to the temperature development in the textile based on ρ = ρ (T) was established.

Pfropfcopolymere definierter Architektur wurden auf Basis von drei neu synthetisierten multifunktionellen Kopplungsreagenzien mit N-Acyllactam- und Benzoxazinongruppen über zweistufige selektive Schmelzereaktionen erfolgreich synthetisiert. Dabei wurde die Selektivität der Schmelzereaktionen durch die Reihenfolge der Zugabe der funktionellen Ausgangsoligomere und die Temperatur kontrolliert. Die erhaltenen Pfropfcopolymere stellen thermoplastische Elastomere mit hoher Zugfestigkeit und zugleich hoher Dehnung dar.