Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen. Abschlussbericht

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1 Forschungsinitiative Zukunft Bau 2925 Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen. Abschlussbericht Bearbeitet von Jürgen Denonville, Walter Haase, Werner Sobek, Kim Riedmüller, Mathias Liewald 1. Auflage Taschenbuch. 173 S. Paperback ISBN Weitere Fachgebiete > Technik > Produktionstechnik > Fertigungstechnik schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, ebooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.

2 F 2925 Jürgen Denonville, Walter Haase, Werner Sobek, Kim Riedmüller, Mathias Liewald Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen Fraunhofer IRB Verlag

3 F 2925 Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich um die Kopie des Abschlussberichtes einer vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung -BMVBS- im Rahmen der Forschungsinitiative»Zukunft Bau«geförderten Forschungsarbeit. Die in dieser Forschungsarbeit enthaltenen Darstellungen und Empfehlungen geben die fachlichen Auffassungen der Verfasser wieder. Diese werden hier unverändert wiedergegeben, sie geben nicht unbedingt die Meinung des Zuwendungsgebers oder des Herausgebers wieder. Dieser Forschungsbericht wurde mit modernsten Hochleistungskopierern auf Einzelanfrage hergestellt. Die Originalmanuskripte wurden reprotechnisch, jedoch nicht inhaltlich überarbeitet. Die Druckqualität hängt von der reprotechnischen Eignung des Originalmanuskriptes ab, das uns vom Autor bzw. von der Forschungsstelle zur Verfügung gestellt wurde. by Fraunhofer IRB Verlag 2014 ISBN Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit ausdrücklicher Zustimmung des Verlages. Fraunhofer IRB Verlag Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau Postfach Stuttgart Nobelstraße Stuttgart Telefon Telefax irb@irb.fraunhofer.de

4 Forschungsprojekt Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen Abschlussbericht August 2014 Universität Stuttgart (ILEK) M. Eng. Jürgen Denonville Dr.-Ing. Walter Haase Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Werner Sobek Institut für Umformtechnik (IFU) Dipl.-Ing. Kim Riedmüller Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Mathias Liewald MBA

5 Inhalt Forschungsprojekt Kurztitel Förderstelle Förderkennzeichen Entwicklung von materialgerechten Fügetechnologien für Faserverbundwerkstoffprofile durch Realisierung eines Übergangs des Matrixwerkstoffs von Polymerharzen zu Metallen im Knotenpunkt der Lasteinleitung Materialgerechtes Fügen von Faserverbundprofilen (MaFüFa) Forschungsinitiative Zukunft Bau Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) Deichmanns Aue Bonn (Germany) SF / II 3-F II Bearbeitungszeitraum bis Bearbeitungsstellen Universität Stuttgart (ILEK) Direktor: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr.h.c. Werner Sobek Forschungsleiter: Pfaffenwaldring Stuttgart Telefon 0711 / Telefax 0711 / Dr.-Ing. Walter Haase Universität Stuttgart Institut für Umformtechnik (IFU) Bearbeiter Direktor: Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Mathias Liewald MBA Holzgartenstraße Stuttgart Telefon 0711 / Telefax 0711 / M. Eng. Jürgen Denonville (ILEK) Dipl.-Ing. Kim Riedmüller (IFU) Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung gefördert (Aktenzeichen SF / II 3-F ). Die Verantwortung für den Inhalt des Berichts liegt bei den Autoren. Abschnitte dieses Forschungsberichts sind eine genehmigte Vorveröffentlichung der Dissertation von Herrn Jürgen Denonville [1] und stimmen mit dieser zum Teil inhaltlich und wörtlich überein. Dieser Bericht umfasst 165 Seiten im Hauptteil und 2 Seiten im Anhang. Stuttgart,

6 Inhalt III Inhalt 1 Einleitung Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe im Bauwesen Problemstellung Lösungsansatz Realisierung Ziele Durchführung der Forschungsaufgabe Beantragter Arbeitsplan Durchgeführte Tätigkeiten Gliederung Grundlagen (AP2) Faserverbundwerkstoffe Begriffsdefinitionen Wirkungsprinzip Fasern Allgemeines Glasfaser Kennwerte der verwendeten Glasfaser Carbonfaser Kennwerte der verwendeten Carbonfaser Matrixwerkstoffe Polymere Metalle Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden Allgemeines Angewandtes Verfahren für die Probekörperherstellung Herstellung von Faser-Metall-Verbunde Allgemeines Permeabilität (Durchlässigkeit) Umformen im teilerstarrten Zustand Grenzflächenreaktionen bei FMV Mechanische Eigenschaften Allgemeines Spannungsverteilung in Faserrichtung Materialeigenschaften einer UD-Schicht Institut für Umformtechnik

7 IV Inhalt Bruchgeschehen Korrosionsverhalten Verbindungen Allgemeines Lochleibungsverbindungen Bemessungsregeln für Lochleibungsverbindungen FKV-Bemessungsregeln GfK-Pultrusionsprofile der Firma Fiberline GfK mit S-Glasfasern CfK Aluminium Metallische Verbundwerkstoffe Referenzwerte Bauteilgeometrie Traglasten der Vergleichsbauteile Das neu entwickelte Herstellungsverfahren (AP3 und AP4) Randbedingungen Wesentliche Änderung gegenüber dem Thixoschmiedeverfahren Festlegung der Bauteilgeometrie Bewertung unterschiedlicher Werkzeugkonzepte Konstruktion des Formgebungswerkzeugs Simulative Auslegung des Formgebungswerkzeugs Thermodynamische Auslegung des Formgebungswerkzeugs Simulation des Materialflusses in der Werkzeugkavität Fertigung des entwickelten Formgebungswerkzeugs Verfahrensablauf Parameterstudie zur Maximierung des Faservolumengehalts Parameter Einschränkungen Bewertungskriterium Ergebnisse der Parameterstudie Beschreibung der erreichten Bauteilqualität Äußeres Erscheinungsbild der hergestellten Bauteile Infiltrationsgüte der Fasern und Materialqualität der Aluminiummatrix Zusammenfassung Experimentelle Untersuchungen (AP5) Zugversuche Untersuchte Parameter Systematik der Probekörperbezeichnung Probekörpergeometrie und Herstellung Versuchsdurchführung Institut für Umformtechnik

8 Inhalt V Messtechnik zur Dehnungsmessung Vorversuche Bezeichnungssystematik für die Ergebnisdarstellung Versuchsergebnisse des Aluminiumgrundwerkstoffs Versuchsergebnisse der Aluminium-Carbonfaser-Proben (Al_C2) Versuchsergebnisse der Aluminium-Carbonfaser-Proben (Al_C4) Versuchsergebnisse der Aluminium-Carbonfaser-Proben (Al_C8) Versuchsergebnisse der Aluminium-Glasfaser-Proben (Al_G2) Versuchsergebnisse der Aluminium-Glasfaser-Proben (Al_G4) Versuchsergebnisse der Aluminium-Glasfaser-Proben (Al_G8) Diskussion der Ergebnisse der Aluminiumproben Diskussion der Ergebnisse der Aluminium-Carbonfaser-Proben Diskussion der Ergebnisse der Aluminium-Glasfaser-Proben Zusammenfasssung aller Zugversuche Auszugsversuche Randbedingungen und Annahmen Probekörpergeometrie Probekörperherstellung Systematik der Probekörperbezeichnung Messtechnik zur Dehnungsmessung Versuchsdurchführung Ergebnisse der Auszugsversuche an Carbonfaserproben Ergebnisse der Auszugsversuche an Glasfaserproben Diskussion und Bewertung der Auszugsversuche Bauteilversuche an Lochleibungsverbindungen Probekörper Probekörperherstellung Messtechnik zur Dehnungsmessung Versuchsanordnung Versuchsdurchführung Ergebnisse der Bauteile mit Carbonfasern Ergebnisse der Bauteile mit Glasfasern Diskussion und Bewertung der Ergebnisse der Bauteilversuche Numerische Untersuchungen Allgemeines Annahmen Verbundverhalten von Faser und Matrix Annahmen zu den Fasereigenschaften Annahmen zum Matrixwerkstoff Materialkennwerte der Verbundpartner Versagenskriterien Bauteilversuche Modellierung Validierung des numerischen Modells Prognose der Bauteilbruchkräfte Bewertung der Ergebnisse Optimierung des Übergangs von der polymeren zur metallischen Matrix Institut für Umformtechnik

9 VI Inhalt Modellierung des Übergangs Ergebnisse der numerischen Berechnungen des optimierten Übergangs Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Verwendung im Bauwesen Verwendung in anderen Bereichen Weiterentwicklungsansätze Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang... A Anhang 1 Ergebnisse der Zugversuche aus [71]... A Institut für Umformtechnik

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