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160
In dieser Arbeit wird die Co-Konsolidierung im Thermoformen zwischen kontinuierlich faserverstärkten, teilkonsolidierten CF/PEEK Tape-Preforms und kontinuierlich faserverstärkten, vollständig konsolidierten CF/PEEK Tape-Laminaten untersucht. Bei der Co-Konsolidierung handelt es sich um die Herstellung einer Schweißverbindung zwischen zwei oder mehr Thermoplasten durch separates Aufheizen, Zusammenbringen der Fügeflächen und rasches Abkühlen unter Druck im isothermen Werkzeug. Die adressierte Anwendung ist das Verschweißen von Versteifungen auf Tape-Preforms während dem Thermoformen, sodass nachgeschaltete Fügeprozesse solcher Versteifungen obsolet werden und die Zykluszeit des Thermoformens unverändert bleibt.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Grad der Teilkonsolidierung der Tape-Preforms -
unabhängig der gewählten Einstellgrößen des Werkzeugdrucks - keinen Einfluss auf die Konsolidierung der Tape-Laminate nach dem Thermoformen nimmt. Im Bereich einer Versteifung ist ein vergleichsweise größerer Werkzeugdruck zur Konsolidierung der teilkonsolidierten Tape-Preform notwendig, damit dort die gleichen Eigenschaften wie fern der Co-Konsolidierung erzeugt werden. Die zwischen Tape-Laminat und Versteifung gemessenen Zugscherfestigkeiten, die mittels Co-Konsolidierung im Thermoformen erzeugt werden, sind niedriger als die der Co-Konsolidierung im Autoklav.
159
In contrast to motorbike tyres, whose friction during cornering has to be as high as possible, the desired effect in skiing is the opposite, that of low friction. The reduced friction between skis and ice or snow is made possible by a film of meltwater that forms as a function of friction power. To support this friction mechanism, skis are waxed with different waxes in both hobby and professional sports, depending on a variety of conditions. Waxes with fluorine additives show best performance in most conditions, corresponding to the lowest friction coefficients. However, for health and environmental reasons, the International Ski Federation (FIS) and the Biathlon Un-ion (IBU) have imposed a complete ban on fluorine additives at all FIS races and IBU events with effect from the 2023/2024 season. As a result, wax manufacturers are required to develop and extensively test fluorine-free waxes in order to remain competitive.
Traditional tests take place either indoors or outdoors in the field. Athletes, who complete a particular distance and whose time is measured, also note the impres-sions that the prepared skis provide to the skiers. The time and cost involved in nu-merous individual tests is a drawback, and the presence of only a single type of snow in the hall or field, air resistance, changing environmental conditions and var-iations in the athlete's movement, limit the depth of information. For the need of re-ducing the time-consuming procedure of indoor and outdoor tests, a tribometer of-fers a solution where friction measurements can be performed on a laboratory scale. Due to the consistent adjustable conditions such as temperature, speed and load applied to the friction partners, scientific studies can be carried out with reduced dis-turbance variables. At present, the tribometric results of laboratory instruments for predicting friction values do not translate into application in practice. The reasons for this are the compromises that have to be made in the design of the tribometers.
This work reviews the existing tribometers for their operating conditions and con-firms the need for a scientific method of characterising different waxes. In order to fill the gap between friction results obtained in laboratory tests which cannot yet be used in the selection of waxes, and traditional field tests, this thesis is dedicated to the methodical design and manufacture of a linear tribometer capable of measuring friction between a ski base made of UHMWPE (ultra high molecular weight polyeth-ylene) and an ice sample. The tribometer provides for the first time results that allow differentiating be-tween different modified waxes with regard to their running performance. Friction-influencing factors such as speed, temperature and the surface pressure below the ski base can be adjusted within the range relevant for ski sports. Furthermore, the laboratory-scale test stand, which is located in a cold chamber, is capable of ac-commodating not only typical ski jumping base lengths and widths, but also cross-country and alpine ski bases. To verify the tribometer, a ski base is treated with three waxes of different fluorine content and measured comparatively. With a minimum of 95% confidence, the friction differences between the tested waxes depending on their fluorine content is validated and proven at the end of this work.
158
This thesis aims to establish a transient electro-thermomechanical model capable of characterizing the shape-morphing capabilities of shape memory alloy hybrid composites (SMAHCs). The particular SMAHC type examined in this study comprises a rigid substrate, a soft interlayer, and SMA wires sewed on top. The model was synthesized from the bottom up using well-established equations, methodologies, and solution procedures, taking into account appropriate simplifications and assumptions. The implementation was done with open-source solutions to ensure free availability. The model extends existing models to include aspects of external influences so that, for example, the efficiency and dynamics of the SMAHC can be predicted as a function of external mechanical loads and different ambient temperatures. Inputs to the model include geometric and material design factors and Joule’s heat and ambient conditions, while outputs include the SMAHC’s deflection, load-carrying capacities, bandwidth, and energy consumption. Individual components of the SMAHC were characterized to create simulation input parameters, and methodologies for characterization were devised. The thermomechanical and electro-thermomechanical model was validated by comparing experimental and simulated data. Regardless of the various assumptions and simplifications, the findings demonstrate that the transient deformation behavior during the electrically induced thermal activation of a SMAHC at room temperature and external loads of less than 19.2 N can be predicted with variations of less than 20 percent. With increasing mechanical stresses in the shape memory alloy attributable to external loads or rigid substrates and temperatures above the austenite start temperature or below -10°C, the model’s applicability may become unreasonable.
157
Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (TP-FKV) werden aufgrund ihres Leichtbaupotentials zusammen mit Metallen vermehrt in Multimaterialstrukturen eingesetzt [1, 2]. Der Einsatz TP-FKV ermöglicht das thermische Fügen, wobei die Benetzung der Metalloberfläche mit Polymer und hierdurch die Zug-Scher-Festigkeit der Verbindung mit steigendem Fügeweg ebenfalls ansteigt. Im Rahmen der Arbeit wurde der Fügeweg als Indikator für eine qualitätsgesicherte Fügung mittels induktiver Erwärmung validiert.
Der Fügeweg wird maßgeblich durch die Fügetemperatur, den Fügedruck und die verwendeten Materialien bestimmt. Um den im Prozess gemessenen Fügeweg als Qualitätssicherungsmerkmal nutzen zu können sind bei der Beurteilung der Messkurven auch mechanische und insbesondere thermische Dehnungen zu berücksichtigen. Diese Einflüsse konnten durch analytische Methoden erfasst, bewertet und bei der Beurteilung des Fügeweges entsprechend herausgerechnet werden.
Zur quantitativen Bewertung wurden TP-FKV/Stahl-Verbindungen durch induktives Fügen hergestellt und der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, Prozessparameter, Witterung und Wechsellasten auf die Verbindungsfestigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass für alle untersuchten TP-FKV in Kombination mit einer laserstrukturierten Stahloberfläche Verbindungsfestigkeiten im Bereich von Referenzklebungen erreicht wurden. Durch den Einsatz von für das jeweilige Matrixpolymer optimierten Haftvermittlern auf den Stahloberflächen konnten ebenfalls gute Verbindungsfestigkeiten erreicht werden. Das Schädigungsverhalten der TP-FKV/Stahl-Verbindung nach Bewitterung beziehungsweise Wechsellasten wurde anhand von Schliffbildanalysen und Simulationen analysiert. Die Arbeit schließt mit der Implementierung des induktiven Fügens in eine Fertigungszelle.
156
Bei den Flüssigimprägnierverfahren wird ein trockenes Textil mit einem Harzsystem imprägniert, wodurch Faser-Kunststoff-Verbunde hergestellt werden. Bei der Betrachtung von üblichen Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen wie z. B. Motorhauben an Kraftfahrzeugen, Verkleidungsstrukturen für die Luft- und Raumfahrt oder Sportgeräte wie Ski wird deutlich, dass es sich meist um „schalenförmige“ Bauteile handelt. Hierdurch wird klar, dass bei einer Imprägnierung in transversaler Richtung, also senkrecht zur Bauteil- bzw. Textilebene, der Fließweg deutlich kürzer ist als in der Bauteilebene. Somit birgt eine transversale Imprägnierung ein großes Potenzial zur Fließweg- und somit zu einer Zykluszeitreduktion. Um das volle Potenzial bei einer Imprägnierung in transversaler Richtung nutzen zu können, müssen die Textileigenschaften für eine akkurate Prozessauslegung so genau wie möglich bekannt sein. Hierzu gehören die faservolumengehaltsabhängige Tränkbarkeit (Dickenpermeabilität), der Kapillardruck sowie die Kompaktierungseigenschaften von Textilien. Um diese Eigenschaften zu ermitteln, wurden im Zuge dieser Arbeit mehrere Bestimmungsmethoden entwickelt, realisiert und validiert. Kern dieser Bestimmungsmethoden ist ein System welches neben dem Sättigungsvorgang, die Dickenpermeabilität sowie die strömungsinduzierte Textildeformation aufzeichnen kann. Ersteres durch die Verfolgung des Fließfrontfortschritts und Letzteres durch Verfolgung der Gesamtdickenänderung des zu messenden Textilstapels als auch der Änderung der Position einer einzelnen Lage im Textilstapel. Zur Berechnung der Dickenpermeabilität werden zusätzlich noch Druck- und Volumenstrommessungen durchgeführt. Um die Validität von ungesättigten Permeabilitätsmessungen nachzuweisen, wurde ein Kapillardruckmesssystem für eine reine transversale Strömung entwickelt. Hier wird die Fließfront in Abhängigkeit der Zeit dazu genutzt um den Kapillardruck zu bestimmen. Alle Methoden und Verfahren ermöglichen ein tieferes Verständnis der Vorgänge bei einer transversalen Imprägnierung von Textilien. Die gewonnenen Daten können zusätzlich als Eingangsparameter für Prozesssimulationen genutzt werden. Die Grundlagen einer solchen Simulation wurden erfasst und erste Simulationen zur Ermittlung einer Umsetzbarkeit bei der ungesättigten Dickenpermeabilität sowie der hydrodynamischen Kompaktierung durchgeführt.
155
Trotz überlegenen gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften von klassi-schen, endlosfaserverstärkten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), sind oftmals das spröde Versagensverhalten unter Zug- und Biegebeanspruchungen sowie die daraus resultierende geringe Schadenstoleranz und Strukturintegrität ein Ausschlusskriterium für diese Werkstoffe. Weitere anwendungsbezogene Ausschlusskriterien folgen aus der, verglichen mit metallischen Leichtbauwerkstoffen, eher als gering einzustufenden elektrischen Leitfähigkeit. Eine vielversprechende Möglichkeit, um diesen Nachteilen entgegen zu wirken besteht in der Hybridisierung von duktilen metallischen Verstär-kungsfasern und klassischen Verstärkungsfasern. Damit können elektrische und ther-misch leitfähige Hybridwerkstoffe erzeugt werden, die neben sehr guten gewichtsspe-zifischen mechanischen Eigenschaften eine signifikante Verbesserung der Scha-denstoleranz und der Crashperformance ermöglichen. In Abhängigkeit der Werkstoff-zusammensetzung, der Laminatarchitektur und der angewandten Hybridisierungsstra-tegie, bieten die eingebetteten Metallfasern aufgrund ihrer hohen Bruchdehnung alter-native Lastpfade und ermöglichen so die Lastaufnahme auch nach dem Versagen der klassischen Verstärkungsfasern. Während das Potenzial dieser Hybridwerkstoffe be-reits für verschiedenste Werkstoffkombinationen bewiesen wurde, konzentriert sich die vorliegende Arbeit darauf, die verschiedenen Wirkmechanismen des Materialverhal-tens von metallisch hybridisierten FKV vor, nach und während des Versagens zu ver-stehen und verschiedene Beschreibungsansätze und -modelle dafür zu entwickeln. Am Beispiel von stahl- und kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (SCFK) wird hierzu eine umfangreiche experimentelle Untersuchung vorgestellt. Dabei wird gezeigt, dass das Versagen der Kohlenstofffasern einen komplexen Lastumlagerungsprozess aus-löst und dass das Materialverhalten nach dem Versagen der Kohlenstoffasern im We-sentlichen von den dabei entstehenden lokalen Schädigungen und Beanspruchungen abhängt. Ferner kann gezeigt werden, wie diese Schädigungen und Beanspruchungen durch die Zusammensetzung des Werkstoffes, die Laminatarchitektur oder die Prüf-körpergeometrie beeinflusst werden können. Darauf aufbauend wird ein neuartiges Werkstoffmodell vorgestellt, mit dem der komplexe Lastumlagerungsprozess nach dem Versagen der Kohlenstoffasern abgebildet werden kann und mit dem eine schnelle Abschätzung der Materialeigenschaften möglich ist. Darüber hinaus wird ein Materialmodell zur Abbildung des Materialverhaltens von stahlfaserverstärkten Kunst-stoffen (SFK) für den Solver LSDyna implementiert und in Kombination mit einem Ma-terialmodell für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) für die Beschreibung von auf Laminatebene hybridisiertem SCFK mit der FEM verwendet. Abschließend wird sowohl für das Modell des Lastumlagerungsprozesses als auch für die Beschreibung von SCFK mit der FEM eine detaillierte Analyse der Vorhersageeignung vorgestellt.
154
In tribology laboratories, the management of material samples and test specimens, the planning and execution of experiments, the evaluation of test data and the longterm storage of results are critical processes. However, despite their criticality, they are carried out manually and typically at a low level of computerization and standardization. Therefore, formats for primary data and aggregated results are wildly different between laboratories, and the interoperability of research data is low. Even within laboratories, low levels of standardization, in combination with ambiguous or non-unique identifiers for data files, test specimens and analysis results greatly reduce data integrity and quality. As a consequence, productivity is low, error rates are high, and the lack or low quality of metadata causes the value of produced data to deteriorate very quickly, which makes the re-use of data, e.g. for data mining and meta studies, practically impossible.
In other fields of science, these are mitigated by the use of Laboratory Information Management Systems (LIMS). However, at the moment, such systems do not exist
in tribological research. The main challenge for the implementation of such a system is that it requires extensive interdisciplinary knowledge from otherwise very
disparate fields: tribology, data and process modelling, quality management, databases and programming. So far, existing solutions are either proprietary, very limited
in their scope or focused on merely storing aggregated results without any support for laboratory operations.
Therefore, this thesis describes fundamentals of information technology, data modelling and programming that are required to build a LIMS for tribology laboratories.
Based on an analysis of a typical workflow of a tribology laboratory, a data model for all relevant entities and processes is designed using object-relational data modelling and object-oriented programming and a relational database is used to provide a reference implementation of such a LIMS. It provides critical functionalities
like a materials database, test specimen management, the planning, execution and evaluation of friction and wear tests, automated procedures for tribometer
parameterization and data transmission, storage and evaluation and for aggregating individual tests into test sets and projects. It improves the quality and long-term usability of data by replacing error-prone human processes by automated variants, e.g. automated collection of metadata and data file transmission, homogenization and storage. The usefulness of the developed LIMS is demonstrated by applying it to Transfer Film Luminance Analysis (TLA), which is a newly developed advanced method for the analysis of the formation and stability of transfer films and their impact on friction and wear, but which produces so much data and requires such a large amount of metadata during evaluation that it can only be performed safely, quickly and reliably by integration into the presented LIMS.
153
Das Leichtbaupotential duroplastischer Verbundwerkstoffe ist durch deren Sensitivität gegenüber transversalen Schlagbelastungen limitiert. Eine Möglichkeit dem spröden Versagensverhalten unter dynamischer Beanspruchung werkstofflich entgegenzuwirken, ist die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs durch thermoplastische Matrixsysteme zu erhöhen. Zur Auslegung schlaggefährdeter Strukturen wird das Werkstoffverhalten unter Schlagbelastung im Experiment an ebenen Probekörpern quantifiziert. Viele in der Praxis eingesetzte Faser-Kunststoff-Verbunde sind jedoch gekrümmt, sodass eine Übertragbarkeit auf praxisrelevante Strukturen verifiziert werden muss.
Die vorliegende Arbeit adressiert den bisher unbekannten Einfluss der Krümmung auf die Schlagbelastbarkeit von Faser-Thermoplast-Verbunden. Aufbauend auf Ergebnissen an ebenen duroplastischen und thermoplastischen Referenzprobekörpern mit unterschiedlichen Faserarchitekturen und Lagenaufbauten werden drei elliptisch gekrümmte Probekörpergeometrien abgeleitet, gefertigt und auf deren konvexer Seite im Fallgewichtsversuch impaktiert. Zur phänomenologischen Beschreibung werden robuste Versuchstechniken und Analysemethoden entwickelt. Eine umfassende Qualitätssicherung sowie die Konditionierung und Prüfung bei definierten Temperaturen und Feuchtegehalten gewährleisten die Vergleichbarkeit der Ergebnisse. Mittels Weißlichtinterferometrie wird das Relaxationsverhalten der Eindringtiefe des Impaktors auf der Laminatoberfläche analysiert. Angepasste Ultraschallanalysen geben Aufschluss über das Ausmaß der Schädigung. Abschließend werden die identifizierten lokalen und globalen Effekte vor dem Hintergrund der Auslegung und Wartung von schlaggefährdeten Strukturbauteilen mit hoher Leichtbaugüte diskutiert und Gestaltungsempfehlungen abgeleitet.
152
Transferfilm-Luminance-Analysis: A comprehensive transfer film detection and evaluation method
(2022)
In the field of polymer tribology, the deposition of wear debris on the counter-facing
wear track during dry sliding, also known as transfer film, is a fundamental process.
These typically discontinuous and heterogeneous films are often assumed to be di-
rectly responsible for or at least be involved in the progression of friction and wear.
Nevertheless, the state of the art shows that the determination and evaluation of such
transfer film formations are most frequently reported either only qualitatively, ex-post, or
derived from local, possibly unrepresentative inspection areas. This reporting state is
valid for determining the extent of transfer film formation and other transfer film-related
attributes, e.g. its formation speed, coverage, adhesion, and thickness.
Because of this data situation, transferring results from one study to another is challeng-
ing and risks misinterpretation. Furthermore, without temporally resolved and quanti-
tative results, correlation analyses between friction or wear and the extent of transfer
film formation, or other attributes, are difficult if conductible at all. As a consequence,
the long lasting research question on the role of transfer film, whether it is the cause or
consequence of friction or wear, is still unanswered.
In order to come closer to the answer, new transfer film detection and evaluation meth-
ods are needed whose results overcome these shortcomings.
The following elaboration develops such a concept based on photo-optical techniques
combined with automation programs. The developed transfer film luminance analy-
sis (TLA) was demonstrated on a material composition study based on polyphenylene
sulfide (PPS) and PPS compositions incorporated with various fillers, including carbon
fibers, graphite, and polytetrafluoroethylene. The results demonstrate the tempo-spatial
dynamics of the transfer film formation process in a quantitative manner.
Based on this data, transfer film metrics were developed in the form of transfer film ki-
netic properties, spatial uniformity, temporal stability, and transfer film thickness. Finally,
based on this information, an integrated data model was developed to identify correla-
tions of various parameters and their contribution to friction and wear. Furthermore,
new hypotheses on transfer film formation mechanisms were formulated.
Overall, with the help of TLA and the data-driven model, the understanding of transfer
films was improved, and a step towards the answer on the role of transfer films was
achieved.
151
Die induktive Erwärmung stellt insbesondere aufgrund der schnellen intrinsischen Erwärmung eine Schlüsseltechnologie für die zunehmende industrielle Anwendung von textilverstärkten CFK-Organoblechen dar. Allerdings kann deren großes Potenti-al nicht vollständig ausgeschöpft werden, da sich bei konventionellen CFK-Organoblechen über der Laminatdicke physikalisch bedingt eine mit zunehmendem Abstand zum Induktor abfallende Temperaturkurve ergibt. Speziell für CFK-Organobleche bestehend aus textilen Verstärkungshalbzeugen wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst der Einfluss der Textil- und Laminatparameter grundlegend untersucht. Zusätzlich wurde ein analytisches Modell in Form eines elektrischen Er-satzschaubilds einer im CFK-Organoblech vorliegenden Leiterschleife entwickelt, an-hand dessen der dominierende Heizmechanismus identifiziert werden kann. Ab-schließend wurde basierend auf den zuvor gewonnenen Erkenntnissen ein speziell für das kontinuierliche Induktionsschweißen angepasster Laminataufbau entwickelt und validiert.