Refine
Year of publication
- 2009 (134) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (76)
- Report (35)
- Periodical Part (9)
- Preprint (7)
- Master's Thesis (3)
- Working Paper (2)
- Diploma Thesis (1)
- Other (1)
Has Fulltext
- yes (134) (remove)
Keywords
- Algebraische Geometrie (2)
- Datenanalyse (2)
- Derivat <Wertpapier> (2)
- Extrapolation (2)
- Finanzmathematik (2)
- Mikroskopie (2)
- Numerische Mathematik (2)
- Oxidativer Stress (2)
- Reaktive Sauerstoffspezies (2)
- Scattered-Data-Interpolation (2)
Faculty / Organisational entity
- Fraunhofer (ITWM) (29)
- Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik (29)
- Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik (20)
- Kaiserslautern - Fachbereich Chemie (16)
- Kaiserslautern - Fachbereich Informatik (11)
- Kaiserslautern - Fachbereich Sozialwissenschaften (11)
- Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI (6)
- Kaiserslautern - Fachbereich Biologie (4)
- Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik (3)
- Kaiserslautern - Fachbereich Wirtschaftswissenschaften (2)
Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei
deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen
metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw.
Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von
Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten
Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können,
werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung
der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum Stand
der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden
Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls weiter oder
neu entwickelt werden.
In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen
Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF)
vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten
des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation
werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten
von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse
berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper
erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet.
Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem
sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an
solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden.
Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen
Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben
und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg-
Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter
Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer
Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes
Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich
validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden
kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse
nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter
abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten
Füllanalyse.
The scarcity of raw materials such as oil and natural gas has led the necessity to design
more and more energy-efficient constructions. This applies particularly to the
automotive industry and its component suppliers. There are two possibilities to meet
this obligation. On the one hand, one can develop new forms of drive concepts, e.g.
hybrid or electric motors. On the other hand, the reduction of weight can significantly
diminish the consumption of fuel. Especially in the aerospace industry every gram
less counts. To put this requirement into action traditional materials, e.g. steel and
cast iron, are replaced by new lightweight materials. This can be miscellaneous light
alloys or one of several fibre reinforced plastics. After the production of plastic devices
such as display panels in cars, more and more security-relevant plastic devices
appeared.
This report deals with one important material within the group of glass fibre reinforced
thermoplastics i.e. long-glass-fibre reinforced polypropylene. Polypropylene with approximately
14% of the worldwide usage of plastics is very cheap and can support
companies in cost-saving. This aspect becomes more and more important considering
the expansion of global business competition, especially in the automotive industry.
With approximately 50%, glass-fibre reinforced polypropylene is the dominant
material in the group of glass fibre reinforced thermoplastics. To counteract the demand
of shorter development times in the design process the automotive industry
and its suppliers count on simulation tools such as the finite-element (FE)-simulation.
For this reason the quality of the mathematical material models has to be improved
and its parameters have to be identified. After choosing a suitable material model and
identifying the corresponding parameters, a verification of both has to follow to assure
their reliability. This is typically carried out by comparing measurement with simulation
data at distinctive points of the considered geometry. With advanced performance
of computer hardware and measurement systems it is possible to measure
specimens and more complex geometries at high strain rates by means of high
speed cameras and to conduct FE-Simulations in a justifiable time with sufficient accuracy Thus the following chapter firstly discusses the basics of continuum mechanics with
its well-established mathematical formulations for anisotropic elasticity, plasticity and
viscoelasticity and the corresponding rheological models. In chapter three the properties
of the matrix material polypropylene are presented with more precise consideration
of the strength and failure of the composite material under tensile load depending
on the fibre length and volume. Thereafter, the geometry and dimensions of the
specimens for tensile and shear tests are presented, together with a test sample
which is used as an example for the design of automotive structures via coactions of
measuring and simulation techniques. Chapter four deals with the state of the art in
high speed testing, the experimental setup and its mode of operation as well as the
explanation of different kinds of evaluation software which is used in this work.
Here, the main focus is aimed at the determination and interpretation of displacement
and strain fields with the grey scale method. The following paragraph describes different
initial examinations of specimens and the test sample. In this context, exposures
of fracture surfaces and polished micrograph sections were examined by
means of optical and scanning electron microscopy. In this way discontinuities and
cracks caused by the injection moulding process are detected. The quality of the
specimens and the test sample and their suitability for systematic material testing are
finally evaluated by means of thermoelastic stress analysis and a laser extensometer.
With these systems a direct optical strain measurement can be accomplished to
screen the homogeneity of specimens and parts.
In chapter six an approach for an experimental method is presented for measuring
displacement fields of the surface of specimens of long-glass-fibre reinforced polypropylene
at high strain rate. A strategy is introduced for reasonable data evaluation
to characterise stress strain behaviour under tensile and shear load. Specimens of
long-glass-fibre polypropylene with a fibre volume content of 30% and 40% respectively,
are tested and analysed. Anisotropy of the material is considered by testing
specimens with fibres oriented either in the direction of the tensile load or perpendicular
to it. The resulting stress strain curves for the two main directions are used as
basis for identifying material properties for an orthotropic constitutive law. Hence the
elastic parameters that are collected from stress strain curves are the axial modulus
in fibre direction and perpendicular to it, the shear modulus in the fibre plane and the
matrix plane and finally the lateral contraction in fibre direction, at right angle to it and
in the matrix plane. After having collected the parameters for elasticity, the HILLcriterion
is utilised to describe orthotropic plasticity. The different stresses at the
yielding points related to the designated directions are used to compute the parameters
of the HILL-criterion. Finally, in order to describe the strain-rate dependent behaviour
of the material, a one dimensional rheological model with four relaxation
terms is utilized to represent the set of curves resulting from tests of specimens at five different strain rates. The viscoelastic parameters are identified by means of a
least square approach using the Levenberg-Marquardt algorithm.
In chapter eight, the elastic-plastic orthotropic material model is verified for low strain
rates. A specimen with a hole in its middle is exposed to a tensile load until break and
simultaneously measured by means of a CCD-camera to obtain the two-dimensional
displacement field on its surface. Comparison of the experimental displacements with
the displacements of a finite-element model at the same points shows the quality of
the material model and its parameters. Finally, in chapter nine, the results of a filling
simulation of the test sample is shown and again a comparison of measured and
simulated data is presented. This we describe the potential and the limits of current
filling-simulation-software in conjunction with a popular finite-element-tool like
ABAQUS. To conclude appropriate mathematical characterisation and reliable parameters
of long-glass-fibre reinforced polypropylene require stringent experimental
and theoretical characterisation. Complete specification of such a complex material is still very time-consuming and prone to mistakes during the whole sequence of operations.
For this reason it is very important to improve the reliability of every single step
in product engineering. Hence the performance of a mathematical material model is
not only dependent on its formulation but also and particularly on the quality of its
material parameters whether they are determined directly from material tests or by
means of special optimization software. The best optimization tools can only optimize
material parameters reliably if the underlying experimental data is just as reliable.
Durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in eine Polymermatrix lässt sich eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe erzielen. Dazu ist allerdings eine Separierung und homogene Verteilung der Verstärkungsstoffe in der Matrix notwendig, um die spezifische Oberfläche der Nanopartikel ausnutzen zu können, die dann als Grenzfläche mit der Matrix in Wechselwirkung treten kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Dispergierung von anorganischen Nanopartikeln am Beispiel von Titandioxid und Bariumsulfat in Epoxidharz mithilfe von Ultraschallwellen systematisch untersucht. Dazu wurden die Prozessparameter, wie z.B. die Amplitude und das beschallte Volumen, variiert, um die optimalen Dispergierparameter zu ermitteln, die zu einer guten Dispergierung der Nanopartikel führen, ohne dabei jedoch die Molekülstruktur des Epoxidharzes zu verändern. Eine Veränderung der Molekülstruktur der Matrix kann die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs negativ beeinflussen. Deshalb wurden für das unbehandelte und das beschallte Harz Morphologieuntersuchungen mittels FourierTransform-Infrarotspektroskopie und Gel-Permeations-Chromatographie durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die Nanopartikel im Harz mit der maximalen Amplitude von 100% und einer Beschallungszeit von 15 Minuten optimal dispergiert werden können, ohne die Morphologie des Harzes merklich zu verändern.
Für den Ultraschalldispergierprozess wurde ein Dispergiermodell erarbeitet, das die Entwicklung der Partikelgröße in Abhängigkeit von den Prozessparametern beschreibt. Dieses Modell ist auf andere Partikelsysteme übertragbar und soll Vorhersagen für zukünftige Dispergierexperimente ermöglichen.
Das Ziel der Fertigung der Nanoverbundwerkstoffe ist die Steigerung der mechanischen Eigenschaften im Zug-, Bruchzähigkeits-, Kerbschlagzähigkeits- und Biegeversuch. Hierbei wurde sowohl die Wirkung der Dispergierung als auch der Einfluss des Verstärkungsstoffgehaltes auf das Eigenschaftsprofil untersucht. Des Weiteren wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf ein weiteres Epoxidharz überprüft.
Um die Verstärkungsmechanismen der Nanopartikel in der Polymermatrix, die zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen, zu verstehen, wurden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen der Bruchflächen ausgeführt. Diese zeigten,dass Nanoverbundwerkstoffe eine rauere Bruchoberfläche als reines Epoxidharz besitzen, was auf eine Änderung der Bruchmechanismen hindeutet.
Insgesamt konnten mithilfe der Ultraschalldispergierung Nanoverbundwerkstoffe mit verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden und ihre Dispergierung durch ein Modell beschrieben werden, das auch Vorhersagen für weitere Partikel-Harz-Systeme erlaubt.
Energieeffizientere Konstruktionen insbesondere in der Automobilindustrie und bei
deren Zulieferern erfordern die Substitution schwerer Bauteile aus Stahl und anderen
metallischen Werkstoffen durch entsprechende Leichtbauvarianten aus Kunst- bzw.
Verbundwerkstoffen. Dieser Trend setzt sich nach der erfolgreichen Einführung von
Kunststoffbauteilen im Innenraum von Automobilen auch vermehrt bei sicherheitsrelevanten
Konstruktionen z.B. im Motorraum durch. Um die hohen Anforderungen an
die mechanischen Eigenschaften der verwendeten Materialien erfüllen zu können,
werden überwiegend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Da im Rahmen der Bauteilentwicklung
der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) mittlerweile zum
Stand der Technik gehört, müssen auch für Faserverbundwerkstoffe die entsprechenden
Materialmodelle auf ihre Anwendbarkeit hin überprüft und gegebenenfalls
weiter oder neu entwickelt werden.
In dieser Arbeit wird ein Versuchs- und Auswertekonzept zur Bestimmung der mechanischen
Materialkennwerte von langglasfaserverstärktem Polypropylen (PP-LGF)
vorgestellt und validiert. Es wird orthotrop visko-elasto-plastisches Materialverhalten
des Verbundes angenommen. Zur Ermittlung der Datensätze für die FE-Simulation
werden Zug- und Schubversuche bei fünf unterschiedlichen Abzugsgeschwindigkeiten
von quasistatisch bis 10 m/s durchgeführt. Dabei werden mit Hilfe der Grauwertkorrelationsanalyse
berührungslos Dehnungsfelder auf der Oberfläche der Probekörper
erfasst und später mit Kraft-Zeit-Daten zu Spannungs-Dehnungs-Kurven verrechnet.
Das orthotrope Materialverhalten von PP-LGF wird berücksichtigt, indem
sowohl Zugversuche an Probekörpern mit vorwiegend in Zugrichtung als auch an
solchen mit überwiegend quer dazu orientierten Fasern ausgewertet werden.
Die Dehnratenabhängigkeit des Materials wird über einen visko-elasto-plastischen
Ansatz in 1D getrennt für zwei Zugbelastungsrichtungen mathematisch beschrieben
und die Parameter über einen Least-Square-Fit unter Verwendung des Levenberg-
Marquardt-Verfahrens bestimmt. Im Rahmen eines Vergleichs experimentell ermittelter
Verschiebungs- und Dehnungsfelder einer gelochten Zugprobe mit den Ergebnissen
einer korrespondierenden FE-Simulation wird ein orthotrop elasto-plastischer
Simulationsansatz in 3D validiert. Dabei wird eine Formulierung nach HILL für orthotropes
Fließen berücksichtigt. Am Ende der Arbeit wird gezeigt, inwieweit das erfolgreich
validierte Modell auf eine komplexere Bauteilgeometrie übertragen werden
kann. Es wird deutlich, dass bei sehr komplexen Geometrien die Qualität der Simulationsergebnisse
nicht nur vom verwendeten Materialmodell und der Güte der Materialparameter
abhängt, sondern zunehmend von der Qualität einer der FEM vorgeschalteten
Füllanalyse.
Das Fügen von Faserverbunden und Metallen durch Induktionsschweißen ist ein
neuartiges Verfahren, das im Rahmen einer DFG-Forschergruppe entwickelt wurde.
In dieser Arbeit werden auf solche Weise hergestellte Fügungen zwischen einer
Aluminiumlegierung (AlMg3) und CFK (kohlenstofffaserverstärktes Polyamid)
experimentell und simulativ untersucht. Detaillierte Kenntnisse über das mechanische
Verhalten und den Einfluss der Prüfgeschwindigkeit und der Temperatur darauf
sind für einen späteren Einsatz der Fügetechnik bei der Verbindung von Bauteilen
wichtig. Die begleitend durchgeführten Simulationen auf Basis der Finiten Elemente
(FE) ermöglichen einen Blick in das Innere der Fügezone und stellen nach der
Validierung mit Hilfe der Experimente eine Erweiterung der Messtechnik dar. Besondere
Anforderungen an die Messtechnik entstehen bei diesen Untersuchungen aus
den geringen Abmessungen des Fügebereiches. Ergänzend durchgeführte makroskopische
und mikroskopische (Rasterelektronenmikroskop) Bruchflächenanalysen
untermauern die Schlüsse und Erläuterungen aus den experimentellen und simulativen
Untersuchungen.
Abgeleitet von kritischen Lastfällen wird das mechanische Verhalten an Grundlagenexperimenten
in Quer-Druck- und Schubversuchen untersucht und simuliert. Für die
globale und lokale Verschiebungsanalyse, die eine detaillierte Versuchsauswertung
und einen Abgleich mit den Simulationen ermöglicht, wird das Grauwertkorrelationsverfahren
eingesetzt. Die wichtigsten experimentellen Ergebnisse sind:
Bei den Quer-Druck-Versuchen kommt es zu einer normalspannungsdominierten
Schälbelastung in der Fügezone mit einem konstant wachsenden Riss. Die Temperaturvariationen
im Bereich von -30 °C und 80 °C haben fast keinen Einfluss auf das
mechanische Verhalten. Die Prüfgeschwindigkeitsvariationen im Bereich von
0,03 mm/s bis 1500 mm/s zeigen bei steigenden Prüfgeschwindigkeiten einen
deutlichen Anstieg der maximalen Kräfte und Verschiebungen. In den Versuchen ist
ein adhäsiver Versagensmode zu beobachten. Eine Ausnahme bilden die Versuche
bei höheren Prüfgeschwindigkeiten, bei denen ein grenzschichtnahes Versagen in
der Fügezone auftritt.
In den Schubversuchen kommt es zu einem stärker mehrachsialen Spannungszustand
in der Fügezone, der von Schub- und Normalzugspannungen dominiert wird. Die erreichten Kräfte liegen deutlich über denen der Quer-Druck-Versuche. Dieses
Kraftniveau ist kaum beeinflusst von den Temperaturvariationen zwischen -30 °C und
80 °C. Die Prüfgeschwindigkeitssteigerungen bis zu 1500 mm/s haben einen signifikanten
Einfluss auf die Kräfte und besonders auf die maximalen Verformungen. Die
Bruchflächen sind in den meisten Versuchen adhäsiv dominiert. Bei Temperaturen
von -30°C und Prüfgeschwindigkeiten von 500 mm/s und 1500 mm/s bilden sich
hingegen Bereiche mit grenzschichtnahem Versagen und köhasiven Anteilen. Die
REM-Untersuchungen der Bruchbilder zeigen, dass mechanisches Interlocking einen
maßgeblichen Beitrag zur Haftung zwischen Polyamid und Aluminium leistet.
Die Simulationen wurden mit Hilfe der globalen und lokalen Verschiebungszustände
in den Grundlagen- und zusätzlich durchgeführten Versuchen validiert und zeigen
eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die Spannungszustände im
Inneren der Fügezone sind wegen der unterschiedlichen Fügewerkstoffe und Steifigkeiten
unsymmetrisch und stark inhomogen. Es bilden sich in allen simulierten
Versuchen am Rand Spannungsspitzen, die zum Versagen führen, während in der
Fügezonenmitte ein niedriges Spannungsniveau vorherrscht. Mit wachsendem Riss
steigen die Spannungen im Inneren der Restfügezone in geringem Maße, bis es zur
vollständigen Trennung des AlMg3- und des CFK-Fügeteils kommt. Eine Parameterstudie
mit dem validierten Simulationsmodell der Schweißung zeigt, wie eine erhöhte
Dicke des AlMg3-Fügeteils oder ein Anstieg der CFK-Steifigkeit zu einer günstigeren
Spannungsverteilung in der Fügezone und so zu höheren Versagenskräften führt.
Die in dieser Arbeit erzielten experimentellen und simulativen Ergebnisse tragen zum
Verständnis der Vorgänge bei mechanisch belasteten induktionsgeschweißten
Fügungen zwischen Faserverbunden und Metallen bei. Der eingeschlagene Weg und
die zum Einsatz gebrachten Methoden sind auch auf andere Verbindungen übertragbar.
Das aufgebaute und validierte Simulationsmodell kann dabei für weiterführende
Parametervariationen oder zur mikromechanischen Analyse der Schweißungen
eingesetzt werden.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) werden aufgrund ihres hohen Leichtbaupotentials
in vielen Industriebereichen eingesetzt. Eine Verstärkung von Kunststoffen mit Fasern
führt zu einer deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Positive
Veränderungen des Eigenschaftsspektrums sind zum Beispiel deutliche Verbesserungen
des Zug-E-Moduls und der Zugfestigkeit. Negative Erscheinungen, die aus
der Faserverstärkung resultieren können, sind eine geringere Bruchdehnung des
Verbundwerkstoffes und ein spröderes Bruchverhalten bei Impakt- und Crashbelastung.
Um diesen Nachteil auszugleichen, werden vermehrt Metall-Kunststoff-
Composites (Hybridverbundwerkstoffe) entwickelt, bei denen die positiven Eigenschaften
von Metallen und Faser-Kunststoff-Verbunden gezielt kombiniert werden,
um weitere Eigenschaftsverbesserungen zu erreichen.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung eines Herstellungsverfahrens sowie
die Charakterisierung, Modellierung und Simulation von neuartigen hybriden
edelstahltextilverstärkten Polypropylen- (ETV-PP) und Polypropylen/Langglasfaser-
Werkstoffen (ETV-PP/GF). Für die Fertigung von ETV-Verbundwerkstoffen wurde ein
zweistufiges Verfahren im Labormaßstab erarbeitet und eingeführt. Während der
Fertigungsstudien wurden ausgewählte Prozess- und Materialparameter variiert, um
deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der neuartigen ETVFaserkunststoffverbunde
(ETV-FKV) zu untersuchen. Nicht in jedem Fall konnte eine
eindeutige Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaft von der variierten Prozessgröße
festgestellt werden. Wenn die Ergebnisse in ihrer Gesamtheit betrachtet werden,
treten folgende zwei äußerst positive Effekte in den Vordergrund: Zum einen
konnte durch den Einsatz der Edelstahltextilverstärkungen die Fragmentierungsneigung
von spröden PP-Matrixsystemen bei Impaktbelastung erheblich verringert werden
und zum anderen wurde die Energieabsorption bei hochdynamischer Durchstoßbeanspruchung
signifikant verbessert. Die mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie
(REM) identifizierte schlechte Stahl/PP-Anhaftung konnte durch eine
mechanische Vorbehandlung der Verstärkungstextilien ebenfalls gesteigert werden.
Modelle zur mikromechanischen finite Elemente (FE) Simulation des Zug-E-Moduls
von ETV-Verbundwerkstoffen wurden entwickelt und anhand von experimentellen
Daten verifiziert und validiert.
Epoxy resins have achieved acceptance as adhesives, coatings, and potting compounds,
but their main application is as matrix to produce reinforced composites.
However, their usefulness in this field still limited due to their brittle nature. Some
studies have been done to increase the toughness of epoxy composites, of which the
most successful one is the modification of the polymer matrix with a second toughening
phase.
Resin Transfer Molding (RTM) is one of the most important technologies to manufacture
fiber reinforced composites. In the last decade it has experimented new impulse,
due to its favorable application to produce large surface composites with good technical
properties and at relative low cost.
This research work focuses on the development of novel modified epoxy matrices,
with enhanced mechanical and thermal properties, suitable to be processed by resin
transfer molding technology, to manufacture Glass Fiber Reinforced Composites
(GFRC’s) with improved performance in comparison to the commercially available
ones.
In the first stage of the project, a neat epoxy resin (EP) was modified using two different
nano-sized ceramics: silicium dioxide (SiO2) and zirconium dioxide (ZrO2); and
micro-sized particles of silicone rubber (SR) as second filler. Series of nanocomposites
and hybrid modified epoxy resins were obtained by systematic variation of filler
contents. The rheology and curing process of the modified epoxy resins were determined
in order to define their aptness to be processed by RTM. The resulting matrices
were extensively characterized qualitatively and quantitatively to precise the effect
of each filler on the polymer properties.
It was shown that the nanoparticles confer better mechanical properties to the epoxy
resin, including modulus and toughness. It was possible to improve simultaneously
the tensile modulus and toughness of the epoxy matrix in more than 30 % and 50 %
respectively, only by using 8 vol.-% nano-SiO2 as filler. A similar performance was
obtained by nanocomposites containing zirconia. The epoxy matrix modified with 8 vol.-% ZrO2 recorded tensile modulus and toughness improved up to 36% and 45%
respectively regarding EP.
On the other hand, the addition of silicone rubber to EP and nanocomposites results
in a superior toughness but has a slightly negative effect on modulus and strength.
The addition of 3 vol.-% SR to the neat epoxy and nanocomposites increases their
toughness between 1.5 and 2.5 fold; but implies also a reduction in their tensile modulus
and strength in range 5-10%. Therefore, when the right proportion of nanoceramic
and rubber were added to the epoxy resin, hybrid epoxy matrices with fracture
toughness 3 fold higher than EP but also with up to 20% improved modulus were
obtained.
Widespread investigations were carried out to define the structural mechanisms responsible
for these improvements. It was stated, that each type of filler induces specific
energy dissipating mechanisms during the mechanical loading and fracture
processes, which are closely related to their nature, morphology and of course to
their bonding with the epoxy matrix. When both nanoceramic and silicone rubber are
involved in the epoxy formulation, a superposition of their corresponding energy release
mechanisms is generated, which provides the matrix with an unusual properties
balance.
From the modified matrices glass fiber reinforced RTM-plates were produced. The
structure of the obtained composites was microscopically analyzed to determine their
impregnation quality. In all cases composites with no structural defects (i.e. voids,
delaminations) and good superficial finish were reached. The composites were also
properly characterized. As expected the final performance of the GFRCs is strongly
determined by the matrix properties. Thus, the enhancement reached by epoxy matrices
is translated into better GFRC´s macroscopical properties. Composites with up
to 15% enhanced strength and toughness improved up to 50%, were obtained from
the modified epoxy matrices.
Die Einarbeitung von nanoskaligen Füllstoffen zur Steigerung von polymeren Eigenschaftsprofilen
ist sehr viel versprechend und stößt daher heutzutage sowohl in der
Forschung als auch in der Industrie auf großes Interesse. Bedingt durch ausgeprägte
Oberflächen und hohe Anziehungskräfte, liegen Nanopartikel allerdings nicht singulär
sondern als Partikelanhäufungen, so genannten Agglomeraten oder Aggregaten, vor.
Zur Erzielung der gewünschten Materialverbesserungen gilt es, diese aufzuspalten
und homogen in der polymeren Matrix zu verteilen.
Bei thermoplastischen Kunststoffen ist die gleichläufige Doppelschneckenextrusion
eines der gängigsten Verfahren zur Einarbeitung von Additiven und Füllstoffen. Aus
diesem Grund war es Ziel dieser Arbeit, mittels dieses Verfahrens verbesserte Verbundwerkstoffe
mit Polyamid 66- und Polyetheretherketon-Matrix, durch Einarbeitung
von nanoskaligem Titandioxid (15 und 300 nm), zu generieren.
In einem ersten Schritt wurden die verfahrenstechnischen Parameter, wie Drehzahl
und Durchsatz, sowie die Prozessführung und damit deren Einfluss auf die Materialeigenschaften
beleuchtet.
Der spezifische Energieeintrag ist ausschlaggebend zur Deagglomeration der Nanopartikel.
Dieser zeigte leichte Abhängigkeiten von der Drehzahl und dem Durchsatz
und verursachte bei der Einarbeitung der Partikel keine wesentlichen Unterschiede in
der Aufspaltung der Partikel sowie gar keine in den resultierenden mechanischen
Eigenschaften. Die Prozessführung wurde unterteilt in Mehrfach- und Einfachextrusion.
Die Herstellung eines hochgefüllten Masterbatches, dessen mehrfaches
Extrudieren und anschließendes Verdünnen, führte zu einer sehr guten Deagglomeration
und stark verbesserten Materialeigenschaften. Mittels Simulation des
Extrusionsprozesses konnte festgestellt werden, dass das Vorhandensein von ungeschmolzenem
Granulat in der Verfahrenszone zu einer Schmelze/Nanopartikel/
Feststoffreibung führt, die die Ursache für eine sehr gute Aufspaltung der Partikel zu
sein scheint. Durch Modifikation des Extrusionsprozesses erreichte die Einfachextrusion
annähernd den Grad an Deagglomeration bei Mehrfachextrusion, wobei die
Materialien bei letzterem Verfahren die besten Eigenschaftsprofile aufwiesen.
In einem zweiten Schritt wurde ein Vergleich der Einflüsse von unterschiedlichen
Partikelgrößen und –gehalten auf die polymeren Matrizes vollzogen. Die 15 nm Partikel zeigten signifikant bessere mechanische Ergebnisse auf als die 300 nm Partikel,
und die Wirkungsweise des 15 nm Partikels auf Polyetheretherketon war stärker als
auf Polyamid 66. Es konnten Steigerungen in Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit
erzielt werden. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigten diese Ergebnisse.
Eine Berechnung der Plan-Selbstkosten von einem Kilogramm PEEK-Nanoverbundwerkstoff
im Vergleich zu einem Kilogramm unverstärktem PEEK verdeutlichte, dass
ein Material kreiert wurde, welches deutlich verbesserte Eigenschaften bei gleichem
Preis aufweist.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit ein tieferes Verständnis des Extrusionsvorganges
zur Herstellung von kostengünstigen und verbesserten Thermoplasten
durch das Einbringen von Nanopartikeln gewonnen werden.
Das Vernähen von trockenen Faserhalbzeugen im Vorfeld der Harzinjektion bietet
vielfältige Möglichkeiten, um gewichts- und kostenoptimierte Faser-Kunststoff-Verbund-
Bauteile komplexer Geometrie herzustellen. Zur Stabilisierung der Faseranordnung,
insbesondere aber zur Erhöhung der Impaktbeständigkeit und Schadenstoleranz
derartiger Strukturen können flächige Halbzeuge durch strukturelles Vernähen
verstärkt werden, wodurch die Aufnahme komplexer dreidimensionaler Belastungen
ermöglicht wird. Allerdings kann Vernähen in Laminatdickenrichtung die mechanischen
Scheibeneigenschaften des Verbunds in der Laminatebene auch reduzieren,
was auf Fehlstellen (Reinharzgebiete) und Faserondulationen, verursacht durch das
Nähgarn, zurückzuführen ist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher, aufbauend auf Ergebnissen scheibenzugund
-druckbelasteter Faser-Kunststoff-Verbunde, kohlenstofffaserverstärkte Multiaxialgelege-(
MAG-)Laminate strukturell vernäht und eine breit angelegte experimentelle
Parameterstudie zum Einfluss unterschiedlicher Nähkonfigurationen auf Scheiben-
Schubmodul und -festigkeit sowie zusätzlich auf die Restdruckfestigkeit nach Impaktbelastung
(CAI-Festigkeit) und die scheinbare interlaminare Energiefreisetzungsrate
G1R unter Mode-1-Belastung durchgeführt. Neben Stichrichtung, Garnfeinheit,
Teilung (Abstand zwischen zwei parallelen Nähten) und Stichlänge wurde die Belastungsrichtung
(Rissfortschrittsrichtung im Falle von G1R) als Parameter definiert, systematisch
variiert und hinsichtlich ihrer statistischen Signifikanz auf das experimentelle
Ergebnis untersucht. In der Mehrzahl der Fälle wurden der Schubmodul und die
Schubfestigkeit im Vergleich zum unvernähten Laminat um bis zu 22 % reduziert. Bei
einigen Nähkonfigurationen ließen sich aber auch keine Änderung oder sogar eine
geringfügige Steigerung des Schubmoduls im Vergleich zum unvernähten Laminat
feststellen. Demgegenüber konnten die CAI-Festigkeit und G1R durch strukturelles
Vernähen maximal um 48 % bzw. um den Faktor 5 erhöht werden. Während die
Scheibenschubeigenschaften und G1R dominierend von der Garnfeinheit beeinflusst
werden, wird die CAI-Festigkeit vorwiegend durch die Wahl der Stichdichte bestimmt,
wobei der Einfluss von Garnfeinheit und Stichdichte auf die untersuchten Kennwerte
gegenläufig ausgeprägt ist. Ein Anstieg dieser Parameter führt zu Absenkungen der
Scheibeneigenschaften, gleichzeitig aber auch zu Steigerungen von CAI-Festigkeit und G1R. Allerdings kann durch die Wahl geeigneter Nähkonfigurationen ein Kompromiss
zwischen beiden Effekten gefunden werden.
Die Realisierung der Nähtechnik im Industriemaßstab kann allerdings nur dann erfolgen,
wenn Werkstoffeigenschaften günstig und schnell, d. h. mit minimalem experimentellen
Aufwand, abgeschätzt werden können. Zur Simulation des Festigkeitsverhaltens
in der Laminatebene, das in der Strukturauslegung neben dem elastischen
Verhalten häufig maßgeblich ist, wurde daher, aufbauend auf einem parametrisch
gesteuerten Finite-Elemente-Einheitszellenmodell, ein Modul zur kontinuumsmechanischen
Versagensanalyse (Spannungs-, Verzerrungs-, Festigkeits- und Degradationsanalyse)
entwickelt. In Abhängigkeit der jeweiligen Parametereinstellung können
komplexe Einheitszellen mit Fehlstellen und Faserondulationsgebieten modelliert
werden. Die iterative, einzelschichtbasierte Versagensanalyse ermöglicht die Abschätzung
von Festigkeitskennwerten unvernähter und strukturell vernähter MAG-Laminate
unter Scheibenbelastung (Zug, Druck und Schub). Zur Bewertung der Werkstoffanstrengung
für Faserbruch wurde das Maximalspannungs-Kriterium, für
Zwischenfaserbruch das Wirkebenenkriterium von Puck für den dreidimensionalen
Spannungszustand implementiert. Das Nachversagensverhalten wird kontinuumsmechanisch
durch Steifigkeitsdegradation nach einem für den dreidimensionalen
Spannungszustand modifizierten Chiu-Modell abgebildet. Die nichtlineare Versagensanalyse
erlaubt die Berechnung des Schädigungsverhaltens infolge von Zwischenfaserbruch,
die Vorhersage des Totalversagens und des ebenen Spannungs-
Dehnungs-Verhaltens sowie die Berücksichtigung thermisch bedingter Eigenspannungen
und werkstofflicher Nichtlinearitäten.
Alternativ zur Einheitszellenmodellierung wurde für den Konstrukteur in der Vorauslegung
oder den Anwender in der Verarbeitungstechnik die Möglichkeit geschaffen,
Scheibeneigenschaften strukturell verstärkter Laminate mit nahezu beliebigem
Schichtaufbau und Nähmuster durch die Verwendung von Kennwerten vernähter,
unidirektionaler MAG-Einzelschichten in Verbindung mit analytischen Laminatanalyseprogrammen
konservativ abzuschätzen. Zur Vorhersage mit verbesserter Genauigkeit
sollte allerdings auf das Finite-Elemente-Einheitszellenmodell zurückgegriffen
werden.
The dissertation describes a practically proven, particularly efficient approach for the verification of digital circuit designs. The approach outperforms simulation based verification wrt. final circuit quality as well as wrt. required verification effort. In the dissertation, the paradigm of transaction based verification is ported from simulation to formal verification. One consequence is a particular format of formal properties, called operation properties. Circuit descriptions are verified by proof of operation properties with Interval Property Checking (IPC), a particularly strong SAT based formal verification algorithm. Furtheron, a completeness checker is presented that identifies all verification gaps in sets of operation properties. This completeness checker can handle the large operation properties that arise, if this approach is applied to realistic circuits. The methodology of operation properties, Interval Property Checking, and the completeness checker form a symbiosis that is of particular benefit to the verification of digital circuit designs. On top of this symbiosis an approach to completely verify the interaction of completely verified modules has been developed by adaptation of the modelling theories of digital systems. The approach presented in the dissertation has proven in multiple commercial application projects that it indeed completely verifies modules. After reaching a termination criterion that is well defined by completeness checking, no further bugs were found in the verified modules. The approach is marketed by OneSpin Solutions GmbH, Munich, under the names "Operation Based Verification" and "Gap Free Verification".