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Faserverstärkte Sandwichstrukturen nutzen den geometrischen Versteifungseffekt durch die Erhöhung des Flächenträgheitsmoments und bieten ein hohes Potential für den ressourceneffizienten Leichtbau. Zur Optimierung der ganzheitlichen Bilanzierung eines Bauteillebens muss neben der Bauteilstruktur auch die Fertigungsmethode effizient gestaltet sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Herstellungsverfahren – der Direct Sand-wich Composite Molding (D-SCM) Prozess – konzipiert, entwickelt und validiert. Beim D-SCM Prozess wird der Schaumdruck infolge der chemischen Reaktion von schäumendem Polyurethan (PUR) im geschlossenen Fertigungswerkzeug genutzt. Dieser wirkt aus der Kernstruktur heraus auf die benetzten, textilen Decklagen und stellt den notwendigen Prozessdruck zur Decklagenkonsolidierung bereit. Ein Alleinstellungsmerkmal des D-SCM Prozesses ist die undurchlässige Barriereschicht in Form einer thermoplastischen Polyurethan-(TPU)-Folie zwischen Schaumkern und den Decklagen. Damit kann das unkontrollierte Eintreten von Schaumporen in die Decklagen verhindert werden. Innerhalb der methodischen Prozessentwicklung werden die Viskositätseigenschaften der Harzsysteme, das Kompaktierungsverhalten der Faserstruktur und die Adhäsionseigenschaften der TPU-Grenzschicht detailliert charakterisiert. Der zeitabhängige Druckaufbau des schäumenden Polyurethans in der Kernstruktur ist entscheidend für die ein-stufige Herstellung von Sandwichstrukturen im D SCM Prozess. Infolgedessen wird der Einfluss der chemischen PUR-Formulierung und der Schaumdichte auf die Druckentwicklung untersucht und das PUR-System auf Grundlage der Materialcharakterisierungen angepasst. Durch den Einsatz von Simulations- und Modellierungsmethoden werden anschließend zielführende Prozessfenster zur einstufigen Herstellung von Sandwichstrukturen im D SCM Verfahren bestimmt. Zur Prozessvalidierung werden auf Basis der identifizierten Prozessfenster zunächst Sandwichstrukturen im D-SCM Prozess hergestellt und die Bauteile im Anschluss charakterisiert. In den Decklagen werden Faservolumengehalte bis 35 % und Porositäten kleiner 1,5 % erreicht. Die TPU-Barriereschicht verhindert den Schaumeintritt in die Decklagen zuverlässig. Bei der Analyse der Bauteileigenschaften im 3-Punkt Biegeversuch zeigt sich, dass die im D SCM Prozess erzielbaren Verbundeigenschaften maßgeblich vom Schaumkern beeinflusst werden. Dieser stellt damit eine effiziente Stellgröße bei der Einstellung der gewünschten Verbundeigenschaften dar. Die Prozessdemonstration des D SCM Verfahrens an einer 2,5D Geometrie belegt zudem, dass der erzielbare Schaum-druck zum Umformen abwickelbarer Decklagenbereiche ausreichend ist und die Erkenntnisse aus der Prozessentwicklung übertragbar sind.

Das 1K- und das 2K-Spritzgießverfahren dienen zur Herstellung thermoplastischer Sandwichstrukturen, deren Deck- und Kernschicht aus einer kurzglasfaserverstärkten Polypropylen-Folie sowie entweder kompaktem oder geschäumtem Polypropylen besteht. Zudem erfolgt die Herstellung der Schäume durch das CELLMOULD®-Verfahren mit einem physikalischen Treibmittel. Eine geeignete kurzfaserverstärkte PP-Folie wird aufgrund ihrer mikroskopischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt. Beim Schaumspritzgießen ermittelt die Drei-Wege-ANOVA den Einfluss der Werkzeugtemperatur, der Eingasungsmenge und der Einspritzgeschwindigkeit auf die Dichte sowie die Zelldichte und die Zellgröße der eingespritzten Schäume. Funktional gradierte Sandwichstrukturen lassen sich durch die Mikrostruktur-untersuchung evaluieren. Die mechanischen und spezifischen mechanischen Eigenschaften der eingespritzten Proben werden in der Arbeit durch die Biegeprüfung bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich faserverstärkte konventionelle PP-Folien mit 30 Gew.-% am besten für die Deckschichten eignen. Beim Schaumspritzgießen beeinflusst lediglich die Werkzeugtemperatur die Zelldichte und die Zellgröße. Funktional gradiertes Material ergibt sich bei der Sandwichstruktur, die durch 1K-Spritzgießen hergestellt wird. Aufgrund des Vorhandenseins einer geschäumten Lage, kompakter Lagen und kurzglasfaserverstärkter Lagen findet die Gradierung sich von der Mitte bis zu den Rändern der Proben statt. Das Vorhandensein von Schaumstrukturen verringert den Biegemodul und die Biegefestigkeit. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung nimmt signifikant mit den vorhandenen Glasfasern ab. Die Sandwichstrukturen führen lediglich zur Erhöhung des Biegemoduls und der Biegefestigkeit gegenüber kompaktem und geschäumtem PP. Die Biegedehnung bei maximaler Biegespannung verhält sich bei den Sandwichstrukturen umgekehrt zum Biegemodul und der Biegefestigkeit. Beim Vergleich mittels unterschiedlicher Spritzgießverfahren produzierter Sandwichstrukturen haben die durch das 1K-Spritzgießverfahren hergestellten Proben einen niedrigeren Biegemodul und eine geringere Biegefestigkeit als die durch das 2K-Spritzgießverfahren produzierten. Jedoch zeigen die Sandwichstrukturen aus dem 1K-Spritzgießverfahren mit geschäumtem Kern den höheren spezifischen Biegemodul und die höhere spezifische Biegefestigkeit in Y-Richtung im Vergleich zu jenen aus dem 2K-Spritzgießverfahren. Außerdem weisen die verschiedenen Versagensarten der Sandwichstrukturen bei der Biegeprüfung und der Bestimmung der interlaminaren Scherfestigkeit keine Delamination zwischen Deck- und Kernschicht auf. Bei der Berechnung durch den modifizierten Gonzales-Ansatz und die Paralleltheorie zeigt sich, dass der E-Modul der Schäume und der Sandwichstrukturen fast identisch mit jenem aus den Experimenten ist. Allerdings ist die Berechnung der faserverstärkten Proben nicht möglich, daher wird der E-Modul aus den Experimenten verwendet, um die Durchbiegung im Rahmen einer Balkentheorie zu bestimmen. Die nahezu identische Durchbiegung aus dem Experiment und der Berechnung lässt sich auch durch die Euler-Bernoulli-Balkentheorie nachweisen. Die Arbeit zeigt auf, dass die Sprünge in der Steifigkeit und Festigkeit in jeder Lage von 1K-und 2K-spritzgegossenen Sandwichstrukturen abnehmen. Auf diese Weise lässt sich die Vermeidung der Delamination zwischen Deck- und Kernschicht erreichen. Die Dichte und die Materialmenge der Sandwichstrukturen reduzieren sich ohne signifikante Abnahme des spezifischen Biegemoduls und der spezifischen Biegefestigkeit. Mit der Verwendung von mechanischen Eigenschaften von Teilkomponenten der Sandwich-struktur können die Biegeeigenschaften der gradierten Sandwich-strukturen durch eine Berechnung vorausgesagt werden.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick The 1-component and 2-component injection moulding processes are employed to produce thermoplastic sandwich structures of which the skin and core layers comprise a short glass fibre-reinforced polypropylene film and either compact or foamed polypropylene, respectively. In addition, the foams are produced using the CELLMOULD® process with a physical blowing agent. A suitable short fibre reinforced PP film is selected on the basis of its microscopic, rheological and mechanical properties. In foam injection moulding, the three-way ANOVA determines the influence of the mould temperature, gas content and injection speed on the density as well as the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded sandwich structures can be proven by using the microstructure investigation. The mechanical properties and specific mechanical properties of the injected samples are determined by the three-point bending test. The results show that fibre-reinforced conventional PP films with 30 wt% are the most suitable for the skin layers. In the case of foam injection moulding, only the mould temperature influences the cell density and cell size of the injected foams. Functionally graded material results from the sandwich structure, which is produced by 1-component injection moulding process, because a foamed layer, compact layers and short glass fibres reinforced layers occur from the middle to the edges of these samples. The presence of foam structures reduces the flexural modulus and the flexural strength. The bending elongation at maximum bending stress decreases significantly with the existing glass fibres. The sandwich structures only increase the flexural modulus and the flexural strength compared to compact and foamed PP. The bending elongation at maximum bending stress behaves in the opposite way in the sandwich structures compared to the flexural module and the flexural strength. When comparing sandwich structures produced using different injection moulding processes, the sandwich structures produced by the 1-component injection moulding process have a lower flexural modulus and a lower flexural strength than those produced by the 2-component injection moulding process. However, the sandwich structures with foamed core from the 1-component injection moulding process show the higher specific flexural modulus and the higher specific flexural strength in Y-direction compared to those in the same direction from the 2-component injection moulding process. In addition, the various types of failure of the sandwich structures during the bending test and the determination of the interlaminar shear strength provide no delamination between the skin and core layers. The calculation suggests that the modulus of elasticity of the foams and the sandwich structures, calculated by the modified Gonzales approach and the parallel theory, respectively, is almost identical to that from the experiments. Nevertheless, the calculation of the fibres-reinforced samples cannot be achieved, hence, the modulus of elasticity of the fibres-reinforced samples from the experiments is used to determine the deflection based on a beam theory. The almost identical deflection from the experiment and the calculation can also be demonstrated by the Euler-Bernoulli beam theory.The work shows that the significant change in rigidity and strength decrease in each layer of 1-component and 2-component injection moulded sandwich structures. Thus, the avoidance of delamination between the skin and core layers can be achieved. The density and the amount of material in the sandwich structures are reduced without a significant decrease in the specific flexural modulus and the specific flexural strength. With the use of mechanical properties of subcomponents of the sandwich structure, the bending properties of the graded sandwich structures can be predicted by a calculation.:1 Einführung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Ziel 4 Versuchsdurchführung 5 Ergebnisse und Diskussion 6 Zusammenfassung und Ausblick

Ziel der Arbeit ist es eine Faltstruktur als gewichtsminimierte, weitgespannte, stützenfreie Überdachung zu erstellen. Durch die dreidimensionale Faltung entsteht eine freitragende Struktur ohne zusätzliche Stützen innerhalb der Spannweite. Dafür werden verschiedene Origamifaltungen untersucht und die Charakteristika einander gegenübergestellt. Die analogen Experimente der verschiedenen Formen dienen zur Auswahl eines Faltmusters, das für die weitere Verarbeitung verwendet wird. Das ausgewählte Faltmuster wird anhand seiner geometrischen Proportionen parametrisiert, wobei die Größe der Grundelemente und die Grundform des Patterns als Variable festgelegt werden. Eine Simulation durch particle-spring systems mit dem Rhino/Grasshopper Plugin Kangaroo2 ermöglicht eine räumliche Übertragung des flachen Faltmusters auf ebene, einfach und doppelt gekrümmte Geometrien. Die erstellte Struktur wird unter Zuhilfenahme der Finite Elemente Analyse-App, Karamba3D, nach strukturellen Kriterien und quantitativ bewertet. Eine schrittweise Optimierung wird mittels Variation der Elementgrößen angestrebt. Im Zuge einer Case Study wird die Tragkonstruktion als Atriumsüberdachung für das Wien Museum angewandt. Die Ergebnisse der strukturellen Analyse werden hierbei berücksichtigt und es erfolgt eine Anpassung der Faltelementgröße an die architektonischen Wünsche. Durch Berücksichtigung von bauphysikalischen Randbedingungen können erforderliche Detaillösungen wie Belichtungsmöglichkeiten entwickelt werden. Der Montageablauf wird in einer Bauphasensimulation dargestellt, wobei Transport, Lagerung und Dauer der Montage berücksichtigt werden., This master thesis aims to generate a folding structure used as a column-free, lightweight construction for canopies. Through the three-dimensional folding, the structure behaves as a self-supporting system, achieving stiffness without additional columns within its span. Therefore, various crease patterns analogously were built to identify their characteristics. One particular pattern is selected for further processing after comparing and evaluating the geometry, architecture, and statics of different crease patterns. The defined crease pattern is built parametrically, with the size of the base element being one of the main variables, where the second variable is being the global geometry. Using particle-spring systems simulation tool Kangaroo 2®, the flat-folding pattern can be applied to two-dimensional, simply, and doubly ruled surfaces. The resultant structure is assessed according to structural criteria using the Finite Element Analysis of Karamba 3D. The structural performance, architectural goals are compared to evaluate the quality of the final result. A step-by-step optimization provides information about the structure’s behavior when using different element sizes. The following case study applies the supporting structure as an atrium canopy to the Vienna museum. In doing so, the structural analysis results are taken into consideration, and the sizes of the folding ele-ments are adapted to meet the structural challenges. Detailed solutions can be developed if required taking environmental fac-tors into account. The assembly process is presented in a simula-tion of the building sequence, including transport, storage, and duration of the installation.

Die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW hat gemeinsam mit 3A Composite Mobility Altenrhein und dem Technologielieferanten Rapid Technic Killwangen das Konzept der integrierten FSW- Sandwiches entwickelt. Die Forderung nach leichteren Waggons ist gross, zulassungsrelevante Radsatzlasten müssen eingehalten werden und Betriebskosten sind zu minimieren. Durchgängig verschweisste Sandwichbauteile eröffnen einen Weg zu leichteren Schienenfahrzeugen. Gewichtseinsparungen von mehreren 100 kg pro Wagenkasten, je nach Fahrzeugtyp, sind möglich und verbessern so die CO2-Bilanz und die Betriebskosten.

Steigende Leichtbauanforderungen führten in den vergangenen Jahren zu einer verstärkten Weiterentwicklung neuer Leichtbauwerkstoffe und besonders leistungsfähiger Verfahrenstechnik für die Umsetzung leichter Automobilkomponenten in Großserie. Im Fahrzeuginterieur konnten sich naturfaserverstärkte Kunststoffe erfolgreich etablieren, die in Form flächiger Wirrfaserhalbzeuge zu formgepressten Verkleidungselementen verarbeitet werden. Für die Auslegung derartiger Verkleidungsbauteile ist eine monolithische Leichtbauweise charakteristisch, bei der zur Gewährleistung erforderlicher mechanischer Eigenschaften die minimalen Halbzeugflächenmassen bauteilabhängig im Bereich 1200–1400 g/m2 liegen. Zur Erschließung weiterer Leichtbaupotenziale stellt die Anwendung der Sandwichverbundbauweise eine aussichtsreiche Leichtbaustrategie dar, die aufgrund des Fehlens anforderungsgerechter Materialkonzepte bisher kaum Berücksichtigung fand. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines ganzheitlichen Leichtbaukonzepts in neuartiger Sandwichbauweise, welches die Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Bauteilstabilität erfüllt und eine signifikante Reduktion der Flächenmasse unter 1000 g/m2 gestattet. Die verfahrenstechnische Grundlage bildet eine neuartige durchgängige Prozesskette, wobei leichte Naturfaser-Polypropylen-Hybridvliesstoffe in Kombination mit einer Kunststoffschaumfolie in einem kontinuierlichen Prozess zu einem Sandwichhalbzeug und anschließend in automatisiertem Formpressverfahren zu einem komplex geformten Bauteil verarbeitet werden. Durch eine umfangreiche Charakterisierung der einzelnen Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette werden in zugehörigen Sensitivitätsanalysen optimale Fertigungsparameter ermittelt und bei der Herstellung eines Technologiedemonstrators validiert. Darüber hinaus wird am Beispiel dieses Technologiedemonstrators erstmalig ein integrativer Simulationsansatz erarbeitet, der umformbedingte lokale Änderungen der Flächenmasse und der resultierenden Werkstoffkennwerte bei der numerischen Steifigkeits- und Festigkeitsanalyse berücksichtigt. Abschließend erfolgt im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung die Beurteilung potenzieller Umweltwirkungen der entwickelten Sandwichverbundtechnologie sowie die Untersuchung einer verfahrenstechnischen Lösung zur stofflichen Wiederverwertung von Produktionsreststoffen und Altbauteilen.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung Rising lightweight requirements have led in recent years to an intensified development of new lightweight materials and high-performance processing technologies for the implementation of lightweight automotive components in a large scale production. For trim parts in the automotive interior, natural fiber-reinforced plastics in the form of nonwovens, are successfully established. To fullfill the mechanical requirements, the most common design of such parts is monolithical with an component specific area weight of the semi-finished products between 1200–1400 g/m2. A promising strategy for generating further lightweight potentials are sandwich constructions, which are currently rarely used in the automotive interior, due to the lack of suitable material concepts. The aim of this work is the development of a new sandwich-based lightweight concept, that fullfills the requirements in terms of formability and component stability, by permitting a weight reduction of the semi-finished product below 1000 g/m 2 at the same time. The part production is based on a novel process chain, where light NF-PP hybrid nonwovens are continuously processed with a polymeric foam foil to a semi-finished product, that is formed afterwards to complex parts in a compression molding process. The optimal processing parameters along the entire process chain are determined by sensitivity analyses, and validated by a technology demonstrator. In addition, the technology demonstrator will be used for the development of a novel simulation approach, where local changes of the area weight in the forming process and the resulting material properties are taken into account for a numerical analysis of stiffness and strength. Finally the potential environmental impact of the new sandwich-based lightweight technology and a possible method for material recycling are investigated.:1 Einleitung 2 Problemstellung und Zielsetzung 3 Leichtbau im Fahrzeuginterieur 4 Neues ökologisches Leichtbaukonzept für Interieur-Verkleidungselemente 5 Beschreibung der Prüfmethoden 6 Werkstoffmechanische Betrachtung einer Referenzstruktur 7 Halbzeugentwicklung und -optimierung 8 Bauteil- und Verfahrensentwicklung 9 Struktursimulation von neuartigen Mikrosandwich-Bauteilen 10 Vergleichende Ökobilanzierung 11 Stoffliche Wiederverwertungsstrategie für Altbauteile 12 Zusammenfassung

Vorstellung des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte Motivation für Leichtbau B-Säulen Spant aus CFK Sandwichbauweise Untersuchung von PU-Schaumproben Fahrzeugkonzept in Sandwichbauweise

Ill., graph. Darst.

Diese Abhandlung dokumentiert wesentliche Forschungsergebnisse der Untersuchung von transluzenten Sandwichstrukturen in ihrer Eignung und Verwendbarkeit als tragende Konstruktionselemente in baulichen Strukturen. Vor dem Hintergrund der Bestrebungen, materialsparende und energieeffiziente Produkte für ein zunehmend komplexes Anforderungsprofil zu entwickeln, steigt seit einigen Jahren der Anteil konstruktiver Bauteile in Sandwichbauweise in der Architektur und im Bauwesen stetig an. Dabei spielt der Leichtbaucharakter dieser Bauweise eine entscheidende Rolle. Sandwichstrukturen sind aufgrund ihres geschichteten flächigen Aufbaus in der Regel als Platten oder Paneele erhältlich. Sie lassen sich als biegebeanspruchte Platten, Wandscheiben oder auch als räumlich gekrümmte Flächen verwenden und kombinieren. Seit einigen Jahren werden auch mehrschichtige Plattenwerkstoffe auf dem Markt angeboten, die aus lichtdurchlässigen Kunststoffen wie Acrylglas, Polycarbonat oder Glasfaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Sie werden in unterschiedlichsten Formen, Farben, Strukturen und Abmessungen hergestellt. Die Bandbreite der Produktpalette orientiert sich dabei vor allem an den Herstellungsmöglichkeiten und marktgängigen Fertigungstechniken der Kunststoffindustrie. Betrachtet man den überwiegenden Teil der praktischen Anwendungen dieser Plattenmaterialien, so wird deutlich, dass ein großer Anteil der Verwendung den Sandwicheffekt gar nicht oder nur eingeschränkt nutzt. In diesem Zusammenhang steht vorrangig die Frage, welche dieser Produkte den Strukturprinzipien eines Sandwichverbundes wirklich entsprechen und die statisch-konstruktiven Vorzüge des Sandwichverbundes effektiv nutzen können. Bisherige Anwendungsschwerpunkte sind Messe- und Innenausbauten sowie Fassaden bei Freizeit- und Industriebauten. Die statisch-konstruktiven Potentiale, die der mehrschichtige Aufbau der Produkte teilweise mit sich bringt, bleiben aber weitgehend ungenutzt. Die konstruktive Verwendung und Fügung unterscheidet sich bisher nicht wesentlich von der monolithischer Plattenmaterialien. Kapitel 1 beschreibt einführend die grundlegenden Prinzipien der Sandwichbauweise und dient zur Definition von Begriffen und Bezeichnungen. Bezug nehmend zu opaken Sandwichstrukturen werden wesentliche Merkmale und grundlegende Eigenschaften transluzenter Sandwichstrukturen aufgezeigt. Basierend auf einer umfangreichen Produktanalyse sowie ausgewählten Anwendungsbeispielen wird in Kapitel 2 eine strukturbasierende Typologie transluzenter Sandwichstrukturen aufgestellt. Dabei werden unterschiedliche bauliche Eigenschaften überprüft und tabellarisch gegenübergestellt. Ein spezieller Fokus liegt dabei auf der Untersuchung, in welcher Weise das jeweilige Herstellungsverfahren Einfluss auf das jeweilige Eigenschaftsprofil der Plattenprodukte besitzt. In ausgewählten Projektbeispielen werden Stärken und Schwächen des bisherigen Einsatzes mit Schwerpunkt in bau- und tragkonstruktiver Hinsicht aufgezeigt und bewertet. In Kapitel 3 erfolgt die Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten transluzenten Sandwichstrukturen in Form von Versuchsreihen hinsichtlich ihrer statisch-konstruktiven Fähigkeiten. Die resultierenden Ergebnisse bilden die Grundlage zur Beurteilung der konstruktiven Eignung der untersuchten Sandwichverbunde für tragwerksrelevante Anwendungen. Basierend auf den Versuchsergebnissen aus Kapitel 3 wird in Kapitel 4 der Plattentyp mit dem größten statisch-konstruktiven Potential einer weiterführenden Optimierung unterzogen. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: zum einen die Optimierung der Deckschichtlage in ihrer Materialbeschaffenheit und Verbundwirkung, zum anderen die Optimierung der Kernschichtlage in Bezug auf die geometrische Struktur. In Kapitel 5 wird neben der tragkonstruktiven Eignung des in Kapitel 4 optimierten transluzenten Sandwichverbundes die baupraktische Verwendbarkeit und Einsatzfähigkeit untersucht. Hierzu werden erweiterte Anwendungsspektren in der Architektur und dem Messebau aufgezeigt. Ziel ist dabei die Nutzung der Sandwichplatte als Konstruktionsraum für Fügetechnik. Den aufgezeigten Potentialen für selbsttragende Anwendungen wird versucht, fügetechnisch zu begegnen. Die konstruktive Fügung ist Thema praktischer Detailstudien und Modellversuche zu material- und anwendungsgerechten Methoden des Fügens, die in diesem Kapitel exemplarisch aufgezeigt und bewertet werden. Zusammenfassende Schlussfolgerungen bilden den Abschluss mit einem Ausblick auf weiterführende Anknüpfungspunkte der Forschung.