Academic literature on the topic 'Tailored Fibre Placement'

This research demonstrates an integrative computational design and fabrication workflow for the production of surface-active fibre composites, which uses natural fibres, revitalises a traditional craft, and avoids the use of costly molds. Fibre-reinforced polymers (FRPs) are highly tunable building materials, which gain efficiency from fabrication techniques enabling controlled fibre direction and placement in tune with load-bearing requirements. These techniques have evolved closely with industrial textile processes. However, increased focus on automation within FRP fabrication processes have overlooked potential key benefits presented by some lesser-known traditional techniques of fibre arrangement. This research explores the process of traditional bobbin lace-making and applies it in a computer-aided design and fabrication process of a small-scale structural demonstrator in the form of a chair. The research exposes qualities that can expand the design space of FRPs, as well as speculates about the potential automation of the process. In addition, Natural Fibre-Reinforced Polymers (NFRP) are investigated as a sustainable and human-friendly alternative to more popular carbon and glass FRPs.

Polypropylene (PP)-cellulose fibre blends exhibit substantial potential for the production of high-performance textile fibre–reinforced composites. The production of reinforced parts from PP-cellulose composites through thermal shaping of intermingled fibre blends is a strategy to form parts which exhibit superior mechanical properties. In this study, the use of intermingled fibre slivers with different ratios of lyocell fibres (CLY) and PP fibres as raw materials for thermally formed composites was investigated. Such a concept will maximize the interface between the reinforcement fibres and polymer matrix. The cellulose fibres remain oriented along the direction in which the drawing process was performed, which forms the basis for tailored fibre placement in technical production. Because of good surface contact between the cellulose fibre surface and PP matrix, no special coupling agents were required to improve the interfacial adhesion between the two different polymers. The share of CLY and PP fibres in the composite varied from 50% w/w CLY content, up to 70% w/w CLY. Besides analysis of the mechanical properties, such as tensile strength and E-modulus, attention was directed towards moisture sorption of the composites. The rate of sorption and amount of water bound in the composite were found to be dependent on the cellulose fibre content. Composites with a higher CLY content exhibited a more rapid and higher moisture uptake. In water saturated state, the ultimate tensile strength of composites reduced from 160 MPa to 90 MPa, which is an indicator for a reduced adhesion between the CLY surface and PP matrix. The results indicate the potential of the intermingled fibre concept blend for the efficient manufacturing of composite parts.

Composites are materials formed by the combination of two or more components that acquire better properties than the ones obtained by each component on its own. Composites have been widely used in the industry due to its light weight and good mechanical properties. To improve these properties several layers of reinforced material (e.g., carbon fibre) are overlapped which produce an increase in the fibre consumption. In this sense Tailored Fibre Placement (TFP) embroidery can offer good opportunity to reduce the consumption of reinforced fibre while improving the mechanical properties due to the alignment of the fibres in the effort direction. This study analyzes the performance of carbon fibre reinforced composites with Polyester resin made with TFP embroidery technology against flexural strength efforts and without using plain woven fabrics to demonstrate that the use of reinforcement fabrics in composites can be optimized by a curved alignment of the fibers. Two different structures were embroidered with TFP technology, one simulating a woven fabric with straight unidirectional alignment of fibres in horizontal and vertical direction, and a second structure made with curvilinear alignment of carbon fibers. After the study of the flexural mechanical properties an improvement of 18% was obtained in maximum flexural strength.

When a composite laminate is tailored to suit its design intent, it is possible to improve the individual ply shapes to reduce component mass. If the laminate is going to be manufactured using an automated deposition system such as an automated fibre placement machine, then the design of the laminate will also influence the material deposition speed. This article identifies methodologies for indicating the likely impact on automated manufacture at the design optimisation stage by evaluating the ratio of ply perimeter to ply surface area when the laminate is defined as a simplified array of cells which are filled or unfilled to create a two-dimensional representation of the ply shape. A set of recommendations are made for using the methodology for improving deposition speed.

La technologie Tailored Fibre Placement (TFP) permet de fabriquer des préformes fibreuses planes à orientation et épaisseur continûment variables. L’hybridation du TFP et du formage est une solution attractive pour produire des pièces composites 3D optimisées. Au cours du formage de pièces complexes, les changements de trajectoires curvilignes des fibres sont inévitables. La prédiction de l’état final de la préforme TFP est nécessaire pour utiliser pleinement le potentiel de cette solution hybride dans le monde industriel.Une première approche de modélisation est proposée pour simuler le formage de préformes TFP. Deux modèles semi-discrets basés sur des éléments finis embarqués sont développés pour représenter des préformes avec et sans matériau support. Dans ces deux modèles, les mèches de fibres sont représentées explicitement avec des éléments finis de poutre et le glissement entre les constituants de la préforme est d’abord négligé. La validation du modèle sans matériau support est réalisée au travers du formage sur des poinçons hémisphérique et tétraédrique avec obtention d’orientations orthotropes. Finalement, une formulation mixte d’éléments embarqués ALE (Lagrangienne-Eulérienne Arbitraire) est proposée pour introduire le glissement des mèches sans modifier les ingrédients initiaux des modèles. Une étude paramétrique expérimentale d’extraction de mèches est menée pour caractériser le comportement en friction à implémenter dans les modèles. La validation de cette stratégie de modélisation pour le TFP est réalisée et son extension pour le renforcement local des textiles conventionnels est abordée
Tailored Fibre Placement (TFP) allows manufacturing flat, net shape fibrous reinforcements with continuously varying orientation and thickness. The hybridisation of TFP and forming is an attractive solution to manufacture mechanically optimized 3D shelllike composite parts. During the forming of complex parts, inevitable fibre path changes occur in the TFP preform. Prediction of the final state of TFP preforms is required to take full advantage of this hybrid solution in the industry.A first numerical modelling strategy is proposed to address the forming of flat TFP preforms. Two semi-discrete models based on an embedded formulation are developed to offer the possibility of removing or keeping the backing material. Both finite element models use an explicit discretisation of the fibre tows using beam elements and assumes no slippage between the preform constituents. Full-scale validations of the model without backing material are successfully addressed by forming hemispherical and tetrahedral parts with final orthotropic orientations. Finally, a mixed embedded element-ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) formulation is proposed to introduce fibre slippage into the models without modifying their initial ingredients. A parametric study of pull-out experiments is performed to characterize the friction behaviour to be implemented in the models. Numerical validations for TFP preforms and an extension to model fibre slippage in conventional textiles are proposed

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen
The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components

Seitdem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen im Luftfahrzeug-, Automobil- und Sportgerätebau eingesetzt werden, erfolgt dies vorrangig mit Hilfe multiaxialer Mehrlagenlaminate. Vergleichsweise neue Fertigungstechnologien, wie die Tailored Fiber Placement (TFP-)Technologie, eröffnen jedoch die Möglichkeit einer gekrümmten, auch als variabelaxial bezeichneten, Ablage von Verstärkungsfäden. Der zugewonnene Freiheitsgrad, den Verstärkungsfasern an jeder beliebigen Stelle eine neue Richtung zuweisen zu können, bedingt aber auch ein komplexes Verständnis für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Faserverbundbauteilen. Ziel ist es dabei, die Fäden so zu orientieren, dass sie die angreifenden mechanischen Lasten mit einer möglichst gleichmäßigen Beanspruchung übertragen und das notwendige Matrixmaterial nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer Analyse bestehender theoretischer Auslegungsstrategien werden Vor- und Nachteile von reinen Materialoptimierungsansätzen bzw. in Kombination mit einer vorgeschalteten Topologieoptimierung diskutiert. Experimentelle Nachweise werden am Beispiel einer Zugscheibe mit ungleich breiten Einspannbereichen und einem steifigkeitsdimensionierten Fahrradbauteil (Brake Booster) erbracht. Dabei wird insbesondere das hohe Leichtbaupotential einer topologisch optimierten variabelaxialen FKV-Struktur gegenüber einer multiaxialen Laminatgestaltung herausgestellt. Anhand der TFP-Prozesskette wird deutlich gemacht, dass für eine numerische Auslegung variabelaxialer Strukturbauteile neue Softwarewerkzeuge sowie ein hinreichend genaues Analysemodell notwendig sind. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Softwarewerkzeugs AOPS kann die Auslegung beanspruchungsgerechter Strukturbauteile zukünftig effizienter erfolgen. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei der vorgestellte Modellierungsansatz für die Finite Elemente Analyse. Damit ist es erstmals möglich ausgehend von einem beliebigen TFP-Ablagemuster, die spätere Struktursteifigkeit eines komplexen variabelaxialen TFP-Bauteils vorauszusagen. Der entwickelte Modellansatz konnte anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Steifigkeits- und Festigkeitsauslegung von mittels der Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologie hergestellten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) am Beispiel eines einteiligen Rotors aus kohlenstofffaserverstärktem Epoxidharz (CFK) für den Einsatz in Turbomolekularpumpen (TMP) vorgestellt. Im Vergleich zu anderen textilen Fertigungsverfahren können mit Hilfe der TFP-Technologie Verstärkungsfaserrovings in der Ebene variabelaxial, d. h. mit ortsunabhängiger, frei wählbarer Richtung, definiert abgelegt werden. Die sticktechnische Fixierung der Rovings mit Hilfe eines Nähfadens führt zu Welligkeiten und Materialinhomogenitäten in TFP-basierten Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Dadurch werden die Materialeigenschaften beeinflusst. Mit Hilfe einer Prozessanalyse in Kombination mit morphologischen Untersuchungen werden in dieser Arbeit die welligkeitsinduzierenden Effekte in TFP-basierten FKV identifiziert und quantifiziert. Darauf aufbauend wird ein mesoskaliges Repräsentatives Volumenelement (RVE) einer TFP-Einheitszelle auf Basis von Finiten Elementen entwickelt. Mit Hilfe des RVE wird es erstmalig ermöglicht, die Dehnungs- und Spannungsverteilung sowie den lokalen Faservolumengehalt in TFP-basierten FKV zu berechnen und daraus wirklichkeitsnahe Materialkennwerte abzuleiten. Darüber hinaus wird anhand des RVE der Einfluss variierender TFP-Prozessparameter auf die resultierenden Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften analysiert. Weiterhin wird der Einfluss des unter Langzeitbelastung eintretenden Matrixkriechens auf die Materialeigenschaften von TFP-basierten FKV untersucht. Anhand der Entwicklungsschritte eines CFK-TMP-Rotordemonstrators werden die Besonderheiten beim Auslegungsprozess für Bauteile aus TFP-Strukturen verdeutlicht. Neben der Erläuterung der Lastfälle von TMP-Rotoren wird die Entwicklung eines lastfallangepassten Faserlayouts unter Berücksichtigung von geometrischen Restriktionen beschrieben. Im Rahmen der Spannungsanalyse auf Basis der Finite Elemente Methode (FEM) erfolgt die Integration der mittels des RVE bestimmten Materialdaten in das FE-Modell schichtweise, entsprechend der verwendeten TFP-Prozessparameter. Die mit dieser Vorgehensweise berechnete Versagensdrehzahl und die ermittelten Eigenfrequenzen konnten in experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden. Durch die Integration der ortsaufgelösten RVE-basierten Materialdaten wird erstmalig nicht nur die Struktursteifigkeit, sondern auch die Festigkeit ausgehend von einem variabelaxialen TFP-Ablagemuster in einem TFP-basierten Bauteil vorhergesagt. Mit dem entwickelten TMP-Rotordemonstrator kann die Versagensdrehzahl gegenüber dem Stand der Technik um 45 % gesteigert werden. In der Arbeit wird auch herausgestellt, welche Änderungen der Geometrie von TMP-Rotoren aus FKV nötig sind, um eine werkstoffgerechte, an die orthotropen Eigenschaften von FKV angepasste Gestaltung zu realisieren und damit die Nenndrehzahlen weiter steigern zu können. Diese Erkenntnisse dienen in verallgemeinerter Weise der werkstoffgerechten Auslegung und Fertigung von TFP-basierten FKV-Bauteilen.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang
The present work demonstrates the stiffness and strength design of fiber reinforced plastics (FRP) made by the Tailored Fiber Placement (TFP) technology using the example of a a turbo molecular pump (TMP) rotor made of carbon fiber reinforced epoxy resin (CFRP). In contrast to other textile preform manufacturing processes, the TFP technology enables the placement of reinforcement rovings in arbitrary direction according to an user defined design path. In this technology a double locked stitch in a zigzag stitch pattern is used to fixate the rovings. The fixation process leads to waviness and material inhomogeneities within the placed rovings resulting in reduced material properties in TFP-based fiber reinforced plastics. The wavinessinducing effects have been identified and quantified by detailed process analysis and morphological investigations. Subsequently, a meso-scaled representative volume element (RVE) of a TFP unit cell based on finite elements was developed. The RVE provides the opportunity to derive realistic material properties by calculating the stress and strain distribution as well as as the local fiber content in TFP-based FRP. In this work, the influence of different TFP process parameters on the resulting modulus and strength has been investigated using the RVE approach. Additionally, long term loading effects leading to a reduced matrix modulus were analyzed numerically with the RVE. Based on the development of the CFRP TMP rotor specific characteristics of the design process for components made of TFP are clarified. Besides the explanation of loading conditions of TMP rotors the progress of a load-adapted fiber layout considering geometrical restrictions is demonstrated. For the stress analysis based on the Finite Element Method (FEM) material data calculated with the RVE according to the applied TFP process parameters have been integrated into the FE model. The numerically determined failure speed and the calculated eigenfrequencies were successfully validated by experimental tests. By implementing TFP specific material data in the FE model, both, the strucural rigidity as well as the strength, were predicted for the first time in a TFP-based component. Compared to the state-of-the-art, the developed TMP rotor offers an increased failure speed by 45 %. Furthermore necessary geometric modifications for FRP based TMP rotors in order to achieve a material-specific design adapted to the orthotropic material properties and thus to further increase the nominal rotational speeds were shown. These findings provide in a generalized way for a material-specific design of TFP-based FRP components.:Kurzfassung Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation und Problemstellung 1.2 Wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen 2.1 Einleitung 2.2 Faser-Kunststoff-Verbunde 2.2.1 Einführung 2.2.2 Kohlenstofffaserverstärkte Epoxidharze 2.3 Elastizitätstheorie 2.3.1 Spannungen 2.3.2 Verzerrungen 2.3.3 Verallgemeinertes Hookesches Gesetz 2.4 Mechanik von rotationssymmetrisch belasteten Körpern 2.4.1 Herleitung der allgemeinen Zusammenhänge am Rotor 2.5 Berechnungsgrundlagen für Faser-Kunststoff-Verbunde 2.5.1 Faservolumengehalt und Dichte 2.5.2 Grundelastizitätsgrößen einer UD-Schicht 2.5.3 Einfluss der Temperatur 2.5.4 Resultierende Eigenschaften der UD-Schicht 2.6 Festigkeitsnachweis von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7 Langzeitverhalten von Faser-Kunststoff-Verbunden 2.7.1 Kriechen und Relaxation 2.7.2 Einfluss der Langzeitbeanspruchung auf die Festigkeiten 2.7.3 Bestimmung der Langzeiteigenschaften 2.8 Finite-Elemente-Methode 2.9 Modalanalyse 2.9.1 Theoretische Grundlagen 2.9.2 Zyklische Symmetrie 2.9.3 Experimentelle Modalanalyse 2.10 Turbomolekularpumpen 2.10.1 Einleitung 2.10.2 Pumpmechanismus von Turbomolekularpumpstufen 3 Faser-Kunststoff-Verbunde auf Basis der TFP-Technologie 3.1 Anforderungen hinsichtlich der Freiheitsgrade bei der Faserablage für Rotoren in Blisk-Bauweise 3.2 Die Tailored Fiber Placement-Technologie 3.2.1 Einführung und Merkmale der TFP-Technologie 3.2.2 In der TFP-Technologie verarbeitete Materialien 3.2.3 Verfahrensgrenzen der TFP-Technologie 3.2.4 Nähfadengehalt in TFP-Laminaten 3.2.5 Faservolumengehalt von TFP-Laminaten 3.3 Infiltrationsverfahren für TFP-basierte Preformen 4 Mikromechanische Betrachtungen an TFP-basierten FKV 4.1 Einführung 4.2 Materialeigenschaften von TFP-Strukturen - Stand der Forschung 4.2.1 TFP-Strukturen in Kombination mit duromeren Matrizes 4.2.2 TFP-Strukturen in Kombination mit thermoplastischen Matrizes 4.3 Analyse der Morphologie von TFP-Strukturen 4.3.1 Rovingwelligkeit bei der Rovingablage 4.3.2 Schliffbildanalyse 4.4 Modellaufbau des Repräsentativen Volumenelementes 4.4.1 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter uniaxialer Zugbelastung in faserparalleler Richtung 4.4.2 Auf Basis des RVE ermittelte Materialeigenschaften von UD-TFP-Strukturen unter Querzug- bzw. Schubbelastung 4.5 Übertragung der RVE-Ergebnisse auf variabelaxiale TFP-Strukturen 4.6 Langzeiteigenschaften von TFP-Strukturen 4.7 Zusammenfassung der ermittelten Materialeigenschaften von TFP-Strukturen 5 Entwicklung eines TFP-basierten TMP-Rotordemonstrators aus CFK 5.1 Einführung 5.2 Geometrische Randbedingungen und Lastfälle in TMP-Rotoren 5.2.1 Geometrie des TMP-Rotordemonstrators 5.2.2 Lastfälle von TMP-Rotoren 5.3 Bauweisendefinition und strukturmechanische Auslegung des TMP-Rotors 5.3.1 Analytische Vorbetrachtungen 5.3.2 Definition der Bauweise 5.3.3 Dimensionierung des TFP-CFK-Rotors mit Hilfe der FEM 5.3.4 Herstellung des TFP-CFK-Rotordemonstrators 5.4 Experimentelle Validierung 5.4.1 Ermittlung der Versagensfrequenz 5.4.2 Experimentelle Modalanalyse am TFP-CFK-Rotor 5.5 Einordnung der entwickelten TMP-Rotorbauweise 5.5.1 Ausnutzung des Werkstoffpotenzials 5.5.2 Übertragung der Ergebnisse auf andere TMP-Rotorbauweisen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis A Anhang

Seitdem Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) als Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen im Luftfahrzeug-, Automobil- und Sportgerätebau eingesetzt werden, erfolgt dies vorrangig mit Hilfe multiaxialer Mehrlagenlaminate. Vergleichsweise neue Fertigungstechnologien, wie die Tailored Fiber Placement (TFP-)Technologie, eröffnen jedoch die Möglichkeit einer gekrümmten, auch als variabelaxial bezeichneten, Ablage von Verstärkungsfäden. Der zugewonnene Freiheitsgrad, den Verstärkungsfasern an jeder beliebigen Stelle eine neue Richtung zuweisen zu können, bedingt aber auch ein komplexes Verständnis für eine beanspruchungsgerechte Auslegung von Faserverbundbauteilen. Ziel ist es dabei, die Fäden so zu orientieren, dass sie die angreifenden mechanischen Lasten mit einer möglichst gleichmäßigen Beanspruchung übertragen und das notwendige Matrixmaterial nur geringen Belastungen ausgesetzt ist. Nach einer Analyse bestehender theoretischer Auslegungsstrategien werden Vor- und Nachteile von reinen Materialoptimierungsansätzen bzw. in Kombination mit einer vorgeschalteten Topologieoptimierung diskutiert. Experimentelle Nachweise werden am Beispiel einer Zugscheibe mit ungleich breiten Einspannbereichen und einem steifigkeitsdimensionierten Fahrradbauteil (Brake Booster) erbracht. Dabei wird insbesondere das hohe Leichtbaupotential einer topologisch optimierten variabelaxialen FKV-Struktur gegenüber einer multiaxialen Laminatgestaltung herausgestellt. Anhand der TFP-Prozesskette wird deutlich gemacht, dass für eine numerische Auslegung variabelaxialer Strukturbauteile neue Softwarewerkzeuge sowie ein hinreichend genaues Analysemodell notwendig sind. Mit Hilfe des in der vorliegenden Arbeit entwickelten Softwarewerkzeugs AOPS kann die Auslegung beanspruchungsgerechter Strukturbauteile zukünftig effizienter erfolgen. Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei der vorgestellte Modellierungsansatz für die Finite Elemente Analyse. Damit ist es erstmals möglich ausgehend von einem beliebigen TFP-Ablagemuster, die spätere Struktursteifigkeit eines komplexen variabelaxialen TFP-Bauteils vorauszusagen. Der entwickelte Modellansatz konnte anhand der durchgeführten experimentellen Untersuchungen erfolgreich validiert werden.

Conventional design and manufacturing techniques of fibre-reinforced laminated materials keep the fibre orientation angle constant within each ply. However, with the development of advanced tow-placement technology it is now feasible to produce composites with curved fibres. This offers more flexibility to tailor the mechanical properties and improve the performance of laminated structures. In this paper, fibre path optimisation of a laminated cylindrical shell is studied. Curvilinear variations for the fibre orientations are adopted in the circumferential and longitudinal directions of the shell. In order to reduce the computational cost a surrogate-based optimisation strategy is proposed to pursue the optimum design. The laminated shell is subjected to bending and torsion loads and the maximum displacement magnitude is minimised while a constraint on the buckling load is imposed. Numerical studies are presented for two cases. First, only circumferential variation in the fibre orientations is considered. Then, circumferential and longitudinal variations are assumed.

An unstructured, two-dimensional pore network model is employed to describe the effect of through-plane porosity profiles on liquid water saturation within the gas diffusion layer (GDL) of the polymer electrolyte membrane fuel cell. Random fibre placements are based on the porosity profiles of six commercially available GDL materials recently obtained through x-ray computed tomography experiments. The pore space is characterized with a Voronoi diagram, and invasion percolation-based simulations are performed. It is shown that water tends to accumulate in regions of relatively high porosity due to the lower associated capillary pressures. It is predicted that GDLs tailored to have smooth porosity profiles will have fewer pockets of high saturation levels within the bulk of the material.

Abstract Variable-axial fiber-reinforced composites allow for local customization of fiber orientation and thicknesses. Despite their significant potential for performance improvement over the conventional multiaxial composites and metals, they pose challenges in design optimization due to the vastly increased design freedom in material orientations. This paper presents an anisotropic topology optimization (TO) method for designing large-scale, 3D variable-axial composite structures. The computational challenge for large-scale 3D TO with extremely low volume fraction is addressed by a tensor-based representation of 3D orientation that would avoid the 2π periodicity of angular representation such as Eular angles, and an adaptive meshing scheme, which, in conjunction with PDE regularization of the density variables, refines the mesh where structural members appear and coarsens where there is void. The proposed method is applied to designing a heavy-duty drone frame subject to complex multi-loading conditions. Finally, the manufacturability gaps between the optimized design and the fabrication-ready design for Tailored Fiber Placement (TFP) is discussed, which motivates future work toward fully-automated design synthesis.

An unstructured, three-dimensional pore network model is employed to describe the effect of through-plane porosity profiles on liquid water saturation within the gas diffusion layer (GDL) of the polymer electrolyte membrane fuel cell. Random fibre placements are based on the porosity profiles of six commercially available GDL materials recently obtained through x-ray computed tomography experiments. The pore space is characterized with a maximal ball algorithm, and invasion percolation-based simulations are performed. It is shown that water tends to accumulate in regions of relatively high porosity due to the lower associated capillary pressures. It is predicted that GDLs tailored to have smooth porosity profiles will have fewer pockets of high saturation levels within the bulk of the material. The results provide a more detailed picture of the possible water distributions in GDLs during operation.