Near-net-shape semi-finished products for the local reinforcement and repair of fibre reinforced plastics

Endkonturnahe Halbzeuge zur lokalen Verstärkung und Reparatur faserverstärkter Kunststoffe

  • The European Parliament and Council has defined a mandatory specific emission target of 95 g CO2/km by 2020 for passenger cars. Vehicle weight is a significant factor contributing to fuel consumption. Reducing the weight of the vehicle can be one promising option for decreasing CO2 emissions, which becomes a top priority for the automotive industry. In this research, two approaches were used to address the need. One involved developing structural parts using fibre reinforced plastics (FRP), and the other involved designing and developing FRP–metal hybrid laminates, which were constructed by reinforcing FRP locally to the metal surface. Existing joining techniques such as riveting, bolting, adhesive joining, ultrasonic welding, and flow drill joining techniques require additional processing steps to perform the joining, which could considerably increase processing time, cost, and energy expenditure. The present work describes a method to join FRP and metals using the adhesion strength of the investigated polymers. The developedThe European Parliament and Council has defined a mandatory specific emission target of 95 g CO2/km by 2020 for passenger cars. Vehicle weight is a significant factor contributing to fuel consumption. Reducing the weight of the vehicle can be one promising option for decreasing CO2 emissions, which becomes a top priority for the automotive industry. In this research, two approaches were used to address the need. One involved developing structural parts using fibre reinforced plastics (FRP), and the other involved designing and developing FRP–metal hybrid laminates, which were constructed by reinforcing FRP locally to the metal surface. Existing joining techniques such as riveting, bolting, adhesive joining, ultrasonic welding, and flow drill joining techniques require additional processing steps to perform the joining, which could considerably increase processing time, cost, and energy expenditure. The present work describes a method to join FRP and metals using the adhesion strength of the investigated polymers. The developed FRP–metal hybrid laminates combine the advantages of metal and FRP together. Steel hot-stamping is known to yield very high strength. Fibre reinforced plastic–metal hybrid laminates were developed using hot stamped steels to transfer their superior mechanical properties to the final structure. To utilize the complete lightweight potential of thermoset and thermoplastic polymers, FRPs and FRP–metal hybrid laminates were developed using both the polymers. Along with this increased demand for FRP structures, there is growing interest in a repair technique in the automotive industry. The second objective of this thesis consists of designing and developing a new repair technique, which regains the strength and stiffness properties of the damaged part. The existing scarf repair technique is not suitable for thin laminates, which have limited access to the damaged area. Perforation damages were introduced into the FRP structures using a low-velocity impact load. A modified injection repair technique is used to repair these damaged FRP structures. Non-destructive techniques were utilized to understand the damage and the effectiveness of the repair.show moreshow less
  • Das Europäische Parlament und der Europäische Rat haben für 2020 ein verbindliches Emissionsziel von 95 g CO2/km für Personenkraftwagen festgelegt. Das Fahrzeuggewicht hat einen signifikanten Anteil am Kraftstoffverbrauch. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist daher eine effektive Methode zur Verringerung der CO2-Emission und stellt ein Hauptziel der Automobilindustrie dar. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste betraf die Entwicklung von Strukturbauteilen auf Basis faserverstärkter Kunststoffe (FKV) und der zweite die Auslegung und Entwicklung von FKV-Metall-Hybrid-Laminaten. Letztere wurden durch die lokale Verstärkung von Metallbauteilen mit gefügten FKV-Komponenten realisiert. Die bekannten Fügeverfahren wie Nieten, Verschrauben, Kleben, Ultraschallschweißen und Fließlochschrauben machen zusätzliche Arbeitsschritte notwendig, welche die Herstellungszeit, die Kosten sowie den Energiebedarf erheblich vergrößern können. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zum Fügen von FKV und Metall mittels derDas Europäische Parlament und der Europäische Rat haben für 2020 ein verbindliches Emissionsziel von 95 g CO2/km für Personenkraftwagen festgelegt. Das Fahrzeuggewicht hat einen signifikanten Anteil am Kraftstoffverbrauch. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist daher eine effektive Methode zur Verringerung der CO2-Emission und stellt ein Hauptziel der Automobilindustrie dar. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste betraf die Entwicklung von Strukturbauteilen auf Basis faserverstärkter Kunststoffe (FKV) und der zweite die Auslegung und Entwicklung von FKV-Metall-Hybrid-Laminaten. Letztere wurden durch die lokale Verstärkung von Metallbauteilen mit gefügten FKV-Komponenten realisiert. Die bekannten Fügeverfahren wie Nieten, Verschrauben, Kleben, Ultraschallschweißen und Fließlochschrauben machen zusätzliche Arbeitsschritte notwendig, welche die Herstellungszeit, die Kosten sowie den Energiebedarf erheblich vergrößern können. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zum Fügen von FKV und Metall mittels der Adhäsionsfestigkeit des untersuchten Polymers. Die entwickelten FKV-Metall-Hybrid-Laminate kombinieren die Vorteile der FKVs und von Metall. Pressgehärteter Stahl weist sehr hohe Festigkeiten auf. Die FKV-Metall-Hybrid-Laminate wurden unter Verwendung pressgehärteter Stähle entwickelt, um deren herausragenden Eigenschaften auf die Struktur zu übertragen. Zur Erschließung des gesamten Leichtbaupotentials von duroplastischen und thermoplastischen Polymeren werden FKVs und FKV-Metall-Hybrid-Laminate mit beiden Kunststoffen hergestellt. Aus der gestiegenen Nachfrage nach FKV-Strukturen resultiert ein wachsendes Interesse der Automobilindustrie an Reparaturmethoden. Das zweite Ziel dieser Arbeit besteht in der Auslegung und Entwicklung einer neuen Reparaturmethode, welche die Festigkeit und Steifigkeit des beschädigten Bauteils wiederherstellt. Das bekannt Schäftreparaturverfahren ist für dünne Laminate nicht geeignet, bei denen nur ein begrenzter Zugang zum beschädigten Bereich besteht. Mit einer Aufpralllast mit niedriger Geschwindigkeit wurden Hohlraumschäden in die FKV-Strukturen eingebracht. Es wird eine modifizierte Injektionsmethode zur Reparatur der beschädigten FKV-Strukturen verwendet. Mittels zerstörungsfreier Verfahren werden der Schaden und die Effektivität der Reparatur bewertet.show moreshow less

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Metadaten
Author: Venkateswaran Santhanakrishnan Balakrishnan
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52667
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-5266
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. oec. habil. Herwig Winkler, Prof. Dr.-Ing. Holger Seidlitz, Prof. Dr.-Ing. habil. Sabine Weiß
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of final exam:2020/09/16
Release Date:2020/10/07
Tag:Faser-Metall-Laminate (FML); Fügetechnologie; Injektionsreparatur; Komposite/Metall-Hybride; Leichtbaukonstruktion
Composite/metal hybrids; Fibre metal laminates (FML); Injection repair; Joining technology; Lightweight construction
GND Keyword:Faserverstärkter Kunststoff; Fügen; Laminat; Metallischer Werkstoff; Schichtverbundwerkstoff
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Polymerbasierter Leichtbau
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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