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Heutzutage werden Epoxidharzsysteme meist im schnell wachsenden Segment der Faserverbundwerkstoffe eingesetzt, für die eine große Vielfalt an unterschiedlichen Herstellungsverfahren existiert. Dennoch haben alle diese Verfahren die Gemeinsamkeit des Aushärteprozesses des Epoxidharzsystems, welcher einem charakteristischen Temperaturbereich unterliegt. Die Aushärtung selbst basiert auf einer exothermen chemischen Reaktion, die sich mit steigender Temperatur beschleunigt. Zudem haben Epoxidharzsysteme typischerweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dies kann insbesondere bei dickwandigen Bauteilen zu einer inhomogenen Temperaturverteilung mit Hot Spots und damit zu einer ungleichmäßigen Aushärtung führen. Auch eine lokale Degradation des Materials ist möglich. Darüber hinaus schrumpfen Epoxidharzsysteme während des Aushärteprozesses, wodurch Eigenspannungen und mögliche Schäden im fertigen Bauteil auch ohne zusätzliche Belastung herbeigeführt werden. Eine große Herausforderung bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen besteht daher darin, die Temperatur innerhalb eines Bauteils zu kontrollieren, um Eigenspannungen und Materialschädigungen zu vermeiden. Numerische Simulationen sind in der Lage, einen tieferen Einblick in die Charakteristik des Aushärteprozesses von Epoxidharzsystemen zu geben. Zu diesem Zweck wird auf der Grundlage einer umfassenden experimentellen Untersuchung ein neues Konstitutivmodell der Thermoviskoplastizität mit Fokus auf das reine Epoxidharzsystem entwickelt, das sowohl die mechanischen als auch die thermischen Aspekte und deren Kopplung unter Berücksichtigung des Aushärtegrades umfasst. Die zugehörigen Materialparameter des Materialmodells werden in stark partitionierter und sequentieller Weise identifiziert, um den Konzepten der lokalen Identifizierbarkeit unter Berücksichtigung der Eindeutigkeit des resultierenden Parametersatzes zu genügen. Im Rahmen der Finite-Elemente-Methode wird das Materialmodell räumlich diskretisiert. Die Behandlung des resultierenden Systems von Algebro-Differentialgleichungen (DAE) erfolgt durch die Anwendung steif-genauer diagonal-impliziter Runge-Kutta (DIRK)-Verfahren. Darüber hinaus wird die Verwendung von eingebetteten DIRK-Verfahren erläutert, die eine elegante und effiziente Steuerung der Zeitschrittweite durch Abschätzung des lokalen Integrationsfehlers ermöglichen. Es wird gezeigt, dass die Evolutionsgleichung des Aushärtegrades inhärent instabile Eigenschaften aufweist. Dem kann nur durch ausreichend kleine Zeitschrittweiten und Verfahren höherer Ordnung begegnet werden, um den Rechenfehler zu minimieren. Eine kleine Zeitschrittweite während der gesamten Simulation führt jedoch zu langen Rechenzeiten. Daher ist eine zeitadaptive Steuerung der Schrittweite bei Aushärteprozessen unerlässlich. Das diskretisierte thermomechanisch gekoppelte Problem wird in dem hauseigenen Finite-Elemente-Programm TASAFEM implementiert. Es werden Simulationen eines reduzierten Wärmeleitungsproblems und des thermomechanisch gekoppelten Problems durchgeführt. Beide werden in innovativ konzipierten Experimenten unter Verwendung von thermografischen Messungen und Verformungsmessungen mittels digitaler Bildkorrelation (DIC) validiert. Abschließend werden weitere Simulationsbeispiele diskutiert., Nowadays, epoxy resin systems are usually applied in the rapidly growing fiber composite materials segment. A wide variation of diverse manufacturing processes exists. However, all these processes have one commonality, namely, the curing process of the epoxy resin system in a characteristic temperature range. Curing itself is based on an exothermic chemical reaction, which accelerates with rising temperature. Moreover, epoxy resin systems typically have a low heat conductivity. Particularly in thick-walled components, this might lead to an inhomogeneous temperature distribution with hot spots and, therefore, to uneven curing. Even local degradation of the material is possible. In addition, epoxy resin systems shrink during the curing process resulting in residual stresses and possible damage in the final component even without additional loading. Therefore, a major challenge in the manufacturing process of fiber composite materials is to control the temperature within a component in order to prevent residual stresses and degradation of the material. Numerical simulations have the ability to provide a deeper insight into the characteristics of the curing process of epoxy resin systems. For this purpose, a new constitutive model of thermo-viscoplasticity focused on the pure epoxy resin system is developed drawing on a comprehensive experimental investigation, which covers both the mechanical as well as the thermal aspects and their coupling under consideration of the degree of cure. The associated material parameters of the material model are identified in a strongly partitioned and sequential manner in order to follow the concepts of local identifiability considering the uniqueness of the resulting parameter set. Within the framework of the finite element method, the material model is spatially discretized. The treatment of the resulting system of differential-algebraic equations (DAE) is performed by applying stiffly accurate diagonally implicit Runge-Kutta (DIRK) methods. Moreover, the utilization of embedded DIRK methods is explained, which enables controlling the time step-size in an elegant and efficient manner by estimating the local integration error. It is shown that the evolution equation of the degree of cure exhibits inherently instable properties. This can only be countered by sufficiently small time step-sizes and methods of higher order to minimize the computational error. However, a small time step-size throughout the entire simulation leads to long calculation times. Consequently, time-adaptive step-size control is essential in curing processes. The discretized thermo-mechanically coupled problem is implemented in the in-house finite element code TASAFEM. Simulations of a reduced heat conduction problem and the thermo-mechanically coupled problem are performed. Both are validated in innovatively designed experiments using thermographic measurements as well as digital image correlation (DIC) measurements. Finally, further simulation examples are discussed.

Entdeckt erst im Jahr 2006, stellen γ′-gehärtete Co-Basis Superlegierungen eine relativ junge Klasse unter den Strukturmaterialien dar. Durch den höheren Schmelzpunkt von Co im Vergleich zum traditionell verwendeten Basiselement Ni bergen sie das Potential, die maximale Betriebstemperatur und damit die Energieeffizienz moderner Gasturbinen zu erhöhen. Um Co-Basis Superlegierungen der Einsatzreife näher zu bringen, ist ein detailliertes Verständnis des Einflusses einzelner Legierungselemente auf das Eigenschaftsprofil dieser Legierungen unerlässlich. Unter Verwendung von systematischen Modelllegierungsserien werden die Auswirkungen wichtiger Legierungselemente auf die Ausscheidungsanteile, Phasenstabilität und -zusammensetzungen, Umwandlungstemperaturen, Gitterfehlpassung sowie letztlich die mechanischen Eigenschaften von Co- und Co/Ni-Basis Superlegierungen untersucht. Unter anderem zeigt sich dabei, dass sich Ni-Basis und Co-Basis Superlegierungen in vielen Eigenschaften stark unterscheiden, obwohl sie den gleichen strukturellen Aufbau besitzen und die beiden Basiselemente hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften generell sehr ähnlich sind. Die anhand der Modellegierungsserien gewonnen Erkenntnisse konnten genutzt werden, um oxidationsbeständige, mehrkomponentige Co-Basis Superlegierungen mit verbesserten Kriecheigenschaften zu entwickeln. Das Eigenschaftsprofil der Legierungen ist vielversprechend für eine Anwendung in mittleren Temperaturbereichen, z.B. als Turbinenscheiben in stationären Gasturbinen oder Triebwerken., First discovered in 2006, γ′-strengthened Co-base superalloys represent a very young class of structure materials. Due to their high melting point relative to the traditional base element Ni, they have the potential to increase the maximum service temperature of modern gas turbines and thus, the potential to improve energy efficiency. To approach commercial maturity, a detailed understanding of the alloying elements’ influence on the structure-property relationships is indispensable. Using a set of systematic model alloy series, the influence of key alloying elements on Co- and Co/Ni-base superalloys is examined in terms of precipitate fraction, phase stability and phase composition, transformation temperatures, lattice misfit and, ultimately, mechanical properties. One significant result is that Ni- and Co-base alloys can exhibit vastly different thermo-physical and mechanical properties despite having similar base elements and the same structural arrangement. The results of this work were utilized to inform the development of oxidation-resistant, multi-component Co-base superalloys with improved creep properties. The property profile of these alloys is promising for applications at intermediate temperatures, such as turbine wheels for stationary gas turbines and disks used in aircraft engines., FAU Forschungen, Reihe B: Medizin, Naturwissenschaft, Technik (19)

The fluorescence dyes rhodamine B and auramine O were added to a coating material based on hybrid polymers (ORMOCER®s) in concentrations of 10 ppm each. The fluorescence intensity of the auramine depends on the curing state of the lacquer while rhodamine is almost insensitive to this variation of the molecular environment. With the combination of both these dyes, the curing state as well as the thickness of the coating can be measured. Due to the low concentration the dyes do not degrade the properties of the lacquer coating.

Motivated by the phenomenological concept of stiffness gain due to crosslinking during curing process of highly cross-linked polymers, i.e. thermosets, a one-dimensional curing equation has been developed which is later extended to the three-dimensional form suitable for the small strain deformation. The small strain three-dimensional elastic model is then extended to viscoelastic case. For the volume shrinkage, the time-dependent volume shrinkage formulations of Kiasat are incorporated in the newly developed model. The simplicity of this model is that, it requires only two time evolving material parameters, i.e. the shear modulus and the relaxation time. As polymeric materials are highly deformable, so finite strain model is immensely required. Inspired by the small-strain formulation, a thermodynamically consistent finite strain framework for the curing modelling is also proposed in this contribution. One of the main advantages of the developed framework is that any energy function, whether it is phenomenologically- or micromechanically-motivated, can be inserted into it. Two approaches, e.g. either using a pre-defined shrinkage function as in small strain model or using the multiplicative decomposition of the deformation gradient, have been embedded into the constitutive relation to incorporate the shrinkage effects. We ignore thermal effects for simplicity and take only the mechanical and the volume changes using a multiplicative decomposition of the deformation gradient. Several numerical examples (homogeneous and inhomogeneous) demonstrate that the developed approaches are suitable to correctly reproduce the relevant mechanical phenomena observable in polymers during curing process. Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung von Aush{\"a}rtungsprozessen stark vernetzter Polymere wie z.B. Duroplaste. Dabei werden alle f{\"u}r die mechanische Modellierung relevanten Effekte systematisch Schritt f{\"u}r Schritt in das vorgestellte Modell mit einbezogen. Angefangen wird dabei mit einem eindimensionalen linearelastischen Materialmodell, das im Folgendem auf eine dreidimensionale Form erweitert wird. Anschliessend wird dieses Modell auf Visko-elastizit{\"a}t erweitert um die f{\"u}r Polymere charakteristische Dehnratenabh{\"a}ngigkeit erfassen zu k{\"o}nnen. Um die f{\"u}r den Aush{\"a}rtungsprozess typischen Schrumpfungsprozesse zu modellieren wird die zeitabh{\"a}ngigen Schrumpfungsformulierungen nach Kiasat in das neu entwickelte Mo-dell mit eingebaut. Der entscheidende Vorteil unseres Modells ist seine Einfachheit, die sich aus den lediglich zwei zeitabh{\"a}ngigen Materialparametern ergibt. Diese sind der Schubmodul und die Relaxationszeit. Aufgrund der starken Deformierbarkeit von Polymeren wird ein Modell f{\"u}r gro\ss e Deformationen ben{\"o}tigt, womit sich der zweite Teil der Arbeit besch{\"a}ftigt. Dabei wird der Rahmen f{\"u}r ein mit dem zweitem Hauptsatz der Thermodynamik vertr{\"a}jliches Modell gegeben in das jedes beliebige Energiefunktion, sei sie ph{\"a}nomenologisch oder mikromechanisch motiviert, eingebettet werden kann. F{\"u}r die Formulierung der Materialgesetze wurden sowohl ein vordefiniertes Schrumpfungsgesetz als auch eine multiplikative Zerlegung des Deformationsgradienten eingebunden. F{\"u}r letzere Formulierung wird lediglich eine Zerlegung in den mechanischen und Volumen{\"a}nderungsanteil ber{\"u}cksichtigt. Thermische Effekte k{\"o}nnen hierbei vernachl{\"a}ssigt werden. Anhand mehrerer geeigneter numerischer Beispiele wird die F{\"a}higkeit der Modelle demonstriert, alle relevanten physikalischen Ph{\"a}nomene in ausreichender Genauigkeit zu erfassen.