Konventionelle Verbindungstechniken für faserverstärkte Kunststoffe, wie bspw. Bolzenverbindungen, sind aufgrund der aufwändigen Vorarbeiten nicht für die Anwendung im Großserien-Automobilbau geeignet. In der Fahrzeugmontage hat sich die konventionelle kraftschlüssig wirkende Schraubenverbindung etabliert.
Die Schraubenvorspannkraftrelaxation ist ein Schädigungsmechanismus bei Schraubenverbindungen, der zu einem kompletten Funktionsverlust der Verbindung im Betrieb führen kann. Besonders häufig tritt die Vorspannkraftrelaxation bei der ungeeigneten Auslegung und der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen auf. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist ein typischer Vertreter der Leichtbauwerkstoffe und stellt aufgrund seiner Vielfalt und Komplexität bei der Verbindung mit Schrauben eine besondere Herausforderung dar. Die Wissensbasis zur vorspannkraftorientierten Auslegung solcher Verbindungen ist gering.
In dieser Arbeit wird das zeitliche Vorspannkraftverhalten von für den Automobilbau relevanten Schraubenverbindungen mit endlosfaserverstärkten Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung von Einflussfaktoren wie bspw. der Montagevorspannkraft, der Umgebungstemperatur, des Faservolumengehalten und vielen mehr. Auf Basis der Erkenntnisse werden Optimierungsansätze hinsichtlich der Schraubmontage, der konstruktiven Gestaltung der Verbindung sowie der werkstofflichen Gestaltung des faserverstärkten Kunststoffes erarbeitet, welche dem Anwender helfen sollen, derartige Schraubenverbindungen mit dem Blick auf den Vorspannkrafterhalt besser auslegen zu können.
Aktualisiert: 2023-06-13
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Konventionelle Verbindungstechniken für faserverstärkte Kunststoffe, wie bspw. Bolzenverbindungen, sind aufgrund der aufwändigen Vorarbeiten nicht für die Anwendung im Großserien-Automobilbau geeignet. In der Fahrzeugmontage hat sich die konventionelle kraftschlüssig wirkende Schraubenverbindung etabliert.
Die Schraubenvorspannkraftrelaxation ist ein Schädigungsmechanismus bei Schraubenverbindungen, der zu einem kompletten Funktionsverlust der Verbindung im Betrieb führen kann. Besonders häufig tritt die Vorspannkraftrelaxation bei der ungeeigneten Auslegung und der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen auf. Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff ist ein typischer Vertreter der Leichtbauwerkstoffe und stellt aufgrund seiner Vielfalt und Komplexität bei der Verbindung mit Schrauben eine besondere Herausforderung dar. Die Wissensbasis zur vorspannkraftorientierten Auslegung solcher Verbindungen ist gering.
In dieser Arbeit wird das zeitliche Vorspannkraftverhalten von für den Automobilbau relevanten Schraubenverbindungen mit endlosfaserverstärkten Kohlenstofffaser-Kunststoff-Verbunden näher untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Untersuchung von Einflussfaktoren wie bspw. der Montagevorspannkraft, der Umgebungstemperatur, des Faservolumengehalten und vielen mehr. Auf Basis der Erkenntnisse werden Optimierungsansätze hinsichtlich der Schraubmontage, der konstruktiven Gestaltung der Verbindung sowie der werkstofflichen Gestaltung des faserverstärkten Kunststoffes erarbeitet, welche dem Anwender helfen sollen, derartige Schraubenverbindungen mit dem Blick auf den Vorspannkrafterhalt besser auslegen zu können.
Aktualisiert: 2023-06-13
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Um hybride Werkstoffverbunde aus verzinktem Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz fest und dauerhaft zu verbinden, kommt der Grenzschicht zwischen den Phasen und insbesondere dem Oberflächenzustand des Metallsubstrats eine Schlüsselrolle zu. Zur Oberflächenmodifizierung von verzinktem Stahlsubstrat werden in der vorliegenden Arbeit eine alkalische Reinigung, eine nasschemische Synthese von Zinkoxid-Nanostäbchen, eine Laserstrukturierung und das Strahlen mit Edelkorund angewendet. Die sich einstellenden Oberflächenzustände werden im Hinblick auf die Topografie und Morphologie, die chemische Zusammensetzung, die Benetzbarkeit sowie das elektrochemische Verhalten analysiert. Phänomenologisch werden die Auswirkungen auf die Haftung und Korrosionsbeständigkeit intrinsisch gefügter Hybridverbindungen anhand einer mechanisch-technologischen Prüfmethode und vorgeschalteten Korrosionstests adressiert. Hierzu erfolgt die Herstellung von Versuchskörpern aus Metallsubstrat und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff im Prepreg-Pressverfahren unter Anwendung eines entwickelten Werkzeugkonzepts. Nach der Laservorbehandlung des Zinküberzugs werden besonders hohe Verbindungsfestigkeiten festgestellt, wohingegen insbesondere die Funktionalisierung der Oberfläche durch Zinkoxid-Nanostäbchen eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit bewirkt. Ein zusätzlicher Lacküberzug führt in diesem Zusammenhang nicht zu einer weiteren Steigerung der Langzeitstabilität. Die generierten Erkenntnisse werden abschließend in technische Anwendungen überführt. Studien an automobilen Baugruppen bestätigen ein hohes Potenzial direktgefügter Hybridverbindungen für den Karosserieleichtbau.
Aktualisiert: 2022-06-30
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Wie lange gibt es schon Verbundwerkstoffe? Woher kommt die klassische Laminattheorie? Wer baute den ersten modernen Faserverbund? In diesem Fachbuch zur Geschichte der Materialforschung werden erstmalig werkstofftechnische Forschungs- und Entwicklungsstrategien zu hybriden Werkstoffen des 19. und 20. Jahrhunderts untersucht. Dabei analysiert der Autor eine Vielzahl von Fakten, welche einen Pendelgang zwischen konstruktiver Anwendung und werkstofftechnischer Sondierung bei diesen „Baukastenwerkstoffen“ konstatieren. Die vorliegende Untersuchung stellt die Entwicklung und Bedeutung der Verbundwerkstoffe in einem historischen Kontext dar.
Aktualisiert: 2023-04-03
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Wie lange gibt es schon Verbundwerkstoffe? Woher kommt die klassische Laminattheorie? Wer baute den ersten modernen Faserverbund? In diesem Fachbuch zur Geschichte der Materialforschung werden erstmalig werkstofftechnische Forschungs- und Entwicklungsstrategien zu hybriden Werkstoffen des 19. und 20. Jahrhunderts untersucht. Dabei analysiert der Autor eine Vielzahl von Fakten, welche einen Pendelgang zwischen konstruktiver Anwendung und werkstofftechnischer Sondierung bei diesen „Baukastenwerkstoffen“ konstatieren. Die vorliegende Untersuchung stellt die Entwicklung und Bedeutung der Verbundwerkstoffe in einem historischen Kontext dar.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Im Fokus der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung einer Simulationsmethodik für die Vorhersage prozessinduzierter Deformationen bei nassgepressten Karosseriebauteilen, welche erstmals nicht nur die üblichen Deformationsmoden des „Spring-In“ und der Verwölbung erfasst, sondern auch eine bislang unzureichend analysierte Biegedeformation. Neben der Erarbeitung einer hierfür geeigneten FE-Diskretisierungsstrategie wurde der Einfluss prozessspezifischer Faktoren wie Radienkorrektur und Faserumorientierungen untersucht. Um Letzteres zu gewährleisten, wurde eine Kopplung der Teilprozesssimulationen für die Formgebung und die Geometrieprognose entwickelt. Die Anwendung der Simulationsmethodik wurde anhand der Untersuchung mehrerer CFK-Karosseriebauteile überprüft, welche neben der bekannten „Spring-In“-Deformation eine dominante Biegedeformation aufweisen. Abschließend erfolgten Empfehlungen auf Basis der validierten Simulationsmethodik für eine zukünftige Bauteilauslegung von CFK-Schalenbauteilen mit hoher Maßhaltigkeit.
Aktualisiert: 2020-09-10
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Vor dem Hintergrund der angestrebten Leichtbauziele ist in der Automobilindustrie ein stetiger Trend in Richtung Multi-Material-Bauweise zu verzeichnen, wobei neben konventionellen Metallwerkstoffen kohlenstoff- bzw. carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) Anwendung finden. Gleichzeitig gewinnen induktive Ladesysteme zunehmend an Bedeutung, welche in Bezug auf die fortschreitende Elektromobilität als eine der Schlüsseltechnologien angesehen werden. Die Fahrzeugintegration induktiver Systeme stellt zusätzliche Anforderungen an die Entwicklung. Im Zuge der Integration besteht das Erfordernis, elektromagnetische Wechselwirkungen mit umliegenden Strukturkomponenten, insbesondere Schirmungen des alternierenden Magnetfeldes, in frühen Entwicklungsphasen zu evaluieren. Hierzu bedarf es Kenntnisse über das Schirmverhalten der betreffenden Materialien. Ferner spielen elektromagnetische Feldsimulationen eine wichtige Rolle.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Beschreibung des Schirmverhaltens von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen in magnetischen Wechselfeldern automobiler induktiver Ladesysteme. Im Zuge experimenteller Betrachtungen wurden die richtungsabhängigen Leitfähigkeiten unterschiedlicher Laminataufbauten charakterisiert. Ausgehend von den Resultaten konnten Bewertungen der elektrischen Anisotropie, als maßgeblicher Einflussfaktor auf die Wirbelstrominduktion und die damit verbundene elektrodynamische Schirmung, getroffen werden. Weiterhin dienten die ermittelten Kennwerte als Basis zur Materialmodellierung im Kontext der elektromagnetischen Feldsimulation. Im Anschluss erfolgten experimentelle Untersuchungen des Verhaltens in typischen magnetischen Wechselfeldern mit dem Ziel, die Schirmwirkung sowie das thermische Strukturverhalten verschiedener CFK-Laminate gegenüberzustellen. Zudem fanden Vergleiche mit metallischen Werkstoffen Berücksichtigung, um die materialspezifischen Schirmeigenschaften zu kontrastieren.
Aktualisiert: 2019-12-27
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„Moderne“ Faserverbundwerkstoffe ermöglichen es leichte und zugleich hochfeste Strukturen und Bauteile für Flugzeuge, Automobile oder industrielle Anlagen zu entwickeln. Die Antriebe für die schnelle Entwicklung des „Leichtbaus“ in den letzten Jahren sind unter anderem gestiegene Energiekosten, Emissionsgesetze bzw. ein größeres Umweltbewusstsein oder die technische Notwendigkeit. Der Einsatz carbonfaserverstärkter Verbundwerkstoffe, d.h. insbesondere CFK, bietet das Potenzial ressourcenschonende und effiziente Konstruktionen und Produkte in vielen Anwendungsbereichen zu entwickeln. Durch den wachsenden Einsatz von CFK sind auch Carbonfasern wieder in den Fokus der wissenschaftlichen und industriellen Forschung gerückt.
Aktualisiert: 2022-10-17
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Die Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht.
Aktualisiert: 2021-09-10
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