Eine neue materialgerechte Fügetechnologie für unidirektionale Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe mit Glas- und Carbonfasern

Abstract

Die Fügung von Faser-Kunststoff-Verbundbauteilen ist noch nicht zufriedenstellend gelöst. In dieser Arbeit wird ein neuer materialgerechter Ansatz vorgestellt, untersucht und diskutiert, der auf der Verwendung eines metallischen Matrixwerkstoffs in der Fügezone eines Faser-Kunststoff-Bauteils basiert. Carbon- und Glasfasern werden hierfür bereits bei der Herstellung des Bauteils partiell in eine metallische Matrix eingebettet. Im Lasteinleitungsbereich liegt somit ein Faser-Metall-Verbundwerkstoff (oder auch Metall Matrix Composite - MMC), ansonsten ein Faser-Kunststoff-Verbund vor. Die Substitution der schwachen Kunststoffmatrix durch eine leistungsfähigere metallische Matrix soll eine gesteigerte Tragfähigkeit von einfach ausführbaren Lochleibungsverbindungen von unidirektionalen Faser-Kunststoff-Bauteilen ermöglichen. Diese Arbeit umfasst die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Herstellung der beschriebenen Bauteile auf der Grundlage von bestehenden Thixo-Schmiedeverfahren, die Bewertung der erreichten Materialqualität und -eigenschaften, die Quantifizierung der Bauteiltragfähigkeit und deren numerische Simulation anhand einer gewählten Fügekonfiguration.

The connection of carbon or glass fibers composite elements with other structural parts is still not solved in a satisfactory manner. In this thesis a new technology was developed, investigated and discussed which is based upon the substitution of the standard polymer matrix by a metallic matrix in the load transition zone. Therefor the carbon and glass fibers were embedded in the metallic matrix during the manufacturing process. That means that the final elements are in the area of load transition Metal Matrix Composites (MMC) and apart from that they are standard composite elements. The substitution of the weak polymer matrix by a more efficient metallic matrix should increase the load bearing capacity of a bolted connection of unidirectional composite elements. This thesis contains the development of a new manufacturing process on basis of existing thixo-forming techniques, the investigation of the material qualities and properties of the produces parts, the quantification of the load bearing capacity and numerical simulation of a specific connection assembly.