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.

Thermoplastic Vulcanizates (TPVs) are itself a commercially high valued group of polymer blend. They render technological properties of conventional vulcanized elastomers with the ease of thermoplastic melt (re)processability. With ever growing market, TPVs have got plenty of applications among various fields. Here, the technological properties of these TPVs were tailored according to the purpose by interplaying physical parameters of polymers and advanced high energy electron technology. Electron irradiation, though a well-known technique for cross-linking in polymer industry, is only restricted to final product treatment. We take it to the next level by coupling a conventional internal mixer and a high energy electron accelerator. Polypropylene (PP) and natural rubber (NR) based TPVs have been prepared using this new reactive processing technology, named Electron Induced Reactive Processing (EIReP). Various electron treatment parameters were explored to maximize technological properties of TPVs. Effects of various polyfunctional monomers (PFM) were also studied. In an endeavor to develop a potential method for customization, deep insights of macroscopic and microscopic structure of these TPVs were presented with the help of various advanced scientific characterization techniques. Commonly faced difficulties like viscosity mismatch, cure rate mismatch, and incompatibility due to different molecular structures were furnished along with plausible solutions. Investigation of phase inversion from co-continuous matrix to thermoplastic matrix was dealt with special care as it helps to understand structure property correlation for all TPVs. To make the whole effort relevant, at the end of this thesis a summary of various technological properties has been given for the newly processed and commercially available TPVs.

Das Ultraschall-Punktschweißen von faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen hat in der letzten Zeit bei Forschern in der Luftfahrt- und Automobilindustrie großes Interesse hervorgerufen. Es bietet eine effiziente Lösung zum Verbinden großer thermoplastischer Verbundbauteile durch Punktschweißen mit einem hohen Automatisierungsgrad. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Technik zum Fokussieren der Ultraschallschwingungsenergie an der gewünschten Fügestelle zwischen zwei Fügepartnern aus thermoplastischen Verbundlaminaten untersucht. Bei diesem untersuchten Verfahren waren keine zusätzlichen Energierichtungsgeber zwischen den Fügepartnern erforderlich, um die Vibrationsenergie zu fokussieren. Es wurde festgestellt, dass es durch Schweißen der Laminate zwischen einer Sonotrode und einem Amboss möglich war, eine lokalisierte Wärme durch Reibung zu erzeugen in dem die Sonotrode eine größere Kontaktfläche mit dem Laminat als mit dem Amboss aufwies. In der Anfangsphase des Schweißens wurden die Grenzflächenschichten durch die reibungsverursachte Erwärmung abgeschwächt. Folglich zentrierte sich die zyklische Verformung in diesen abgeschwächten Grenzflächen. Die Annahme des Vorhandenseins der Reibung und ihres Einflusses auf die Wärmeerzeugung wurde mittels mechanischer FEM-Analyse untersucht. Die mikroskopische Analyse des Schweißpunktes lieferte schließlich den Beweis für die Schmelzauslösung an einem Ring um den Schweißpunkt und das anschließende Punktwachstum. Um die räumliche Verteilung der Temperatur und ihre zeitliche Entwicklung in der Schweißzone während des Ultraschallschweißprozesses besser zu verstehen, wurde das thermische Problem numerisch modelliert. Zur Verifizierung der mathematischen Modelle wurden die berechneten Zeitverläufe der Temperatur im Schweißpunktzentrum mit den experimentell ermittelten Werten unter vergleichbaren Bedingungen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass nach einer bestimmten Schweißzeit die Temperatur im Schweißzentrum plötzlich anstieg und das Polymer an der Schweißstelle überhitzt und die Zersetzung begann. Es wurde beobachtet, dass der Zeitverlauf der verbrauchten Leistungskurve durch das Schweißgerät einem ähnlichen Muster folgte, wie der Zeitverlauf der Temperatur in der Schweißpunktmitte. Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Steuerungssystem entwickelt. Die zeitliche Ableitung der Schweißleistung wurde in Echtzeit überwacht. Sobald ein kritischer Wert überschritten wurde, wurde die Ultraschallschwingungsamplitude aktiv durch einen Mikrocontroller eingestellt. Bei diesem Ansatz wurde die Temperatur im Schweißpunkt indirekt gesteuert, um während der gesamten Schweißdauer in einem optimalen Bereich zu bleiben. Die Ergebnisse des gesteuerten Schweißprozesses wurden mittels Temperaturmessungen und Computertomographie bewertet. Aus der Studie wurde der Schluss gezogen, dass das leistungsgesteuerte Ultraschall-Punktschweißverfahren eine effiziente und stabile Methode zum automatischen Verbinden von faserverstärkten thermoplastischen Teilen ist.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix / The ultrasonic spot welding of fibre-reinforced thermoplastic composites has recently received strong interest among researchers mainly in the fields of aerospace and automotive industries. It offers an efficient solution to join large thermoplastic composite parts through the spot welding approach with a high level of automation. In this study, a new technique for focusing the ultrasonic vibration energy at the desired spot between two mating thermoplastic composite laminates was investigated. In this method, no additional energy directing protrusions between the weldments were required to focus the vibration energy. It was found that by welding the laminates amid an ultrasonic sonotrode and an anvil in which the prior had a larger contact surface with the laminate as the latter, it was possible to generate a localised frictional heating. In the initial phase of the welding, the frictional heating softened the interfacial layers and thus caused the focusing of the strain energy in the weld spot centre. The assumption for the presence of the friction and its influence on the heat generation was investigated by means of finite element method analysis. Microscopic analysis of the weld spot delivered the proof for the melt initiation at a ring around the weld spot and subsequent inwards growth of the weld spot. In order to gain a better understanding of the temperature spatial distribution and its temporal development in the weld zone during the ultrasonic welding process, the thermal problem was analysed using the explicit finite difference method. The mathematical model was verified through a comparison between the calculated temperature curves and the experimentally obtained counterparts. It was found that after a certain weld duration the temperature in the weld centre underwent a sudden increase and caused the overheating and decomposition of the polymer in the weld spot. It was observed that the time trace of the consumed power curve by the welder followed a similar pattern as the time trace of the temperature in the weld spot centre. Based on this observation, a control system was developed accordingly. The time derivative of the weld power was monitored in real time and as soon as it exceeded a critical value, the ultrasonic vibration amplitude was actively adjusted through a microcontroller. In this approach, the temperature in the weld spot was indirectly controlled to remain within an adequate range throughout the welding duration. The results of the controlled welding process were evaluated by means of temperature measurements and computed tomography scans. It was concluded from the study that the power-controlled differential ultrasonic spot welding process could be an efficient method to fusion bond the fibre-reinforced thermoplastic parts in an automated manner.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 State of the Art 1.3 Statement of the Theses and Methods 2 Theoretical Background 2.1 Ultrasonic Welder 2.1.1 Ultrasonic Stack 2.1.2 Working Principle of the Ultrasonic Welder 2.2 Viscoelasticity 2.2.1 Viscoelasticity of Continuous Fibre-Reinforced Laminates 2.2.2 Viscoelastic Heating of CFRTP during the DUS Welding 2.3 Frictional heating at the Weld Interface during the DUS Welding 2.4 Fusion Mechanism during the USW 2.4.1 Contact of the Matrix at the Weld Interface 2.4.2 Healing of the Weld Interface through Autohesion 3 Experimental Analysis of the DUS Process 3.1 Experimental Setup 3.2 Experimental Procedure, Results and Discussions 3.2.1 Weld Progress and Formation Analysis 3.2.2 The Influence of the Amplitude and Static Force on the DUS 3.2.3 Computed Tomography Analysis of the DUS Welded Spots 3.2.4 Influence of the Weld Parameters on the Weld Force at Break 3.2.5 Influence of the Main Process Variables on the Weld Strength 4 Process Modelling and Simulation 4.1 Dynamic Mechanical 3D Finite Element Analysis 4.1.1 Woven Fabric Laminate Models 4.1.2 Laminate Properties and Meshing 4.1.3 FEM Analysis Procedure 4.1.4 Results of the Dynamic Analysis 4.2 Numerical Analysis of the Temperature Temporal and Spatial Development 4.2.1 The Numerical Method 4.2.2 Matrix Loss Modulus Calculation at the Welding Frequency 4.2.3 Model Validation 4.2.4 Analysis of the Spatial and Temporal development of the Temperature 4.2.5 Influence of Uncontrollable Factors on the DUS Process 5 Logical Control Method and Industrialisation 5.1 Process Controlling Hypothesis 5.2 Control System and Instruments 5.3 Experimental Procedure for Analysing the Control System 5.4 Analysis of the Controlled DUS Process 5.5 Control System Validation and Industrialisation 5.6 Automation of the Ultrasonic Spot Welding Process 6 Summary and Outlook 6.1 Conclusions 6.2 Outlook References Appendix

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.

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.

Thermoplastic Vulcanizates (TPVs) are itself a commercially high valued group of polymer blend. They render technological properties of conventional vulcanized elastomers with the ease of thermoplastic melt (re)processability. With ever growing market, TPVs have got plenty of applications among various fields. Here, the technological properties of these TPVs were tailored according to the purpose by interplaying physical parameters of polymers and advanced high energy electron technology. Electron irradiation, though a well-known technique for cross-linking in polymer industry, is only restricted to final product treatment. We take it to the next level by coupling a conventional internal mixer and a high energy electron accelerator. Polypropylene (PP) and natural rubber (NR) based TPVs have been prepared using this new reactive processing technology, named Electron Induced Reactive Processing (EIReP). Various electron treatment parameters were explored to maximize technological properties of TPVs. Effects of various polyfunctional monomers (PFM) were also studied. In an endeavor to develop a potential method for customization, deep insights of macroscopic and microscopic structure of these TPVs were presented with the help of various advanced scientific characterization techniques. Commonly faced difficulties like viscosity mismatch, cure rate mismatch, and incompatibility due to different molecular structures were furnished along with plausible solutions. Investigation of phase inversion from co-continuous matrix to thermoplastic matrix was dealt with special care as it helps to understand structure property correlation for all TPVs. To make the whole effort relevant, at the end of this thesis a summary of various technological properties has been given for the newly processed and commercially available TPVs.

This paper presents an innovative, eco-friendly and sustainable tape manufacturing technology that transforms waste carbon and polyamide fibers into a new class of fibrous structure with unidirectional fiber orientation, termed “unidirectional tapes structure” for the fabrication of high performance composites. This novel technology imparts homogeneity, uniformity, orientation and thermal stability in unidirectional tapes structure that resemble conventional prepreg material. Unidirectional configuration of the tapes structure brings a revolution towards development of cost efficient carbon fiber composites for load bearing structural applications. This paper introduces the concept of tape manufacturing technology and highlights the modifications, optimization, and technological developments carried out to develop unidirectional tapes. The structural parameters that play a significant role in the properties of the high performance composite, such as fiber length, fiber orientation, fiber damage, and uniformity, were assessed during tape manufacturing. The results reveal composites fabricated from unidirectional tape structures with optimum parameters deliver tensile strength and modulus of 1370 ± 22 MPa and 85 ± 4 GPa, respectively.