Philipp Bauer

• Beste mechanische Eigenschaften werden bei Faser-Kunststoff-Verbunden mit Hilfe von Endlosfaserverstärkungen erreicht. Die Fertigung von komplexen Strukturbauteilen mit Endlosfaserverstärkung ist jedoch ein aufwendiger Prozess, welcher zum Teil immer noch händisch erfolgt. In den bekannten automatisierten Prozessen werden die Endlosfasern für komplexe Bauteile häufig nicht optimal entlang der Lastpfade ausgerichtet und somit nicht effizient eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches unter effizienter Ausnutzung der Endlosfasern eine automatisierte Fertigung von hochbelastbaren Strukturbauteilen ermöglicht. Dafür wird das roboterbasierte 3D-Faserwickeln mit vorimprägniertem, epoxidharzbasiertem und endloskohlenstofffaserverstärktem TowPreg, mit dem thermoplastischen, kurzglasfaserverstärkten Spritzgussverfahren kombiniert. Neben den Eigenschaften des zu bewickelnden Fadenträgers und eines eigens entwickelten Wickelkopfes, wird der Einfluss unterschiedlicher Fadenspannungen im Wickelprozess, mit Hilfe der roboterbasierten Fertigung von Druckprobekörpern in einem neuartigen Werkzeug, auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Dieser Einfluss konnte nicht nachgewiesen werden. Es wird des Weiteren, anhand eines Demonstrators (Brakebooster), die computerbasierte Erzeugung von Wickelmustern, sowie die Berechnung der optimalen Zusammensetzung dieser, für fachwerkartige Strukturen, entwickelt. Die Hybridisierung der duroplastischen (Epoxidharz), endlosfaserverstärkten Struktur mit kurzglasfaserverstärktem, thermoplastischem (Polyamid 6) Material wird über unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden der gewickelten Struktur untersucht. Der Fokus wird hier vor allem auf die Behandlung im Niederdruckplasmaverfahren gelegt. Es wird ein Versuch entwickelt, mit dem die gewickelten und hybridisierten Proben im Bereich der Interface-Festigkeit charakterisiert werden können. Bei diesem Versuch konnte eine Interface-Festigkeiten von bis zu 𝜏 = 15,1 ± 1,1 MPa durch eine Vorbehandlung mit 45-minütigem Luftplasma nachgewiesen werden. Die Ergebnisse werden abschließend an topologieoptimierten Demonstratoren angewendet. Diese werden als Wickelstruktur, in einer plasmabehandelten und nicht-vorbehandelten hybriden Variante und einer spritzgegossenen Variante getestet. Die spezifische Steifigkeit der plasmabehandelten, hybriden Brakebooster lag dabei auf dem Niveau der gewickelten Brakebooster und war mehr als doppelt so hoch, wie bei spritzgegossenen Brakeboostern. Auch konnte eine 23 % höher spezifische Steifigkeit durch die Niederdruckplasmabehandlung erreicht werden, als ohne Vorbehandlung.
• Best mechanical properties of fiber-reinforced composites can be achieved with the help of continuous fiber reinforcements. The manufacturing of complex structural components with continuous fiber reinforcement is an elaborate process. This process is still partially done by manual work. The continuous reinforcements for complex components are often not aligned along the load paths and are therefore not used efficiently in the known automated processes. A novel process is presented in this work, which enables the automated production of high loadable structural components by efficiently utilizing continuous fibers. The robot-based 3d filament winding process, with pre-impregnated, epoxy resin-based and continuous carbon fiber reinforced TowPreg, is combined with the thermoplastic, short glass fiber reinforced injection molding process. The properties of the winding tool and the developed winding head are shown. The influence of different fiber forces in the winding process on the mechanical properties is investigated with the help of the robot-based production of compression test specimens with a novel tool. This influence could not be proven. Furthermore, the computer-based generation of winding patterns and the calculation of the optimal composition of these patterns is developed for truss-like structures with the help of a demonstrator (brakebooster). The hybridization of the thermoset (epoxy resin), continuous fiber reinforced structure with short glass fiber reinforced thermoplastic (polyamide 6) material is investigated by different pretreatment methods of the filament wound structure. The focus is on low-pressure plasma treatment. An experimental setup is developed to characterize the interface region in the overmolded and hybridized samples. An interface strength of up to 𝜏 = 15,1 ± 1,1 MPa was verified by pretreating the samples with a 45 minute air plasma. The results are finally applied to topology optimized demonstrators. These are tested as a filament wound structure, in a plasma pretreated and non-pretreated hybrid version and an injection molded version. The specific stiffness of the plasma pretreated hybrid brakebooster was on the same level as the filament wound brakebooster and was more than twice as high as the injection molded brakebooster. A 23 % higher specific stiffness was achieved by the low-pressure plasma pretreatment, compared to non-pretreated demonstrators.