CFK-Bauteile sind häufig unter rauen Umweltbedingungen im Dauereinsatz und werden bei Beschädigung einfach durch neue Bauteile ersetzt. Mit einem neuen Verfahren können defekte CFK-Strukturen nun deutlich einfacher lokal repariert werden.

Bild 1. Übersicht über das simulationsgestützte Reparaturverfahren für CFK-Bauteile: Die Methode ermöglicht eine gezielte Reparatur der Schadstelle 

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Verfahren zur Reparatur von CFK-Bauteilen ohne Spanen

Kunststoff Werkstoffe

Andere Werkstoffe

Faserverbundwerkstoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Reparieren statt austauschen

CFK verfügen in Abhängigkeit vom Carbonfasergehalt, der Faserlänge sowie der Orientierung der Fasern über eine inhärente Leitfähigkeit. Bisher wurde diese jedoch kaum beachtet oder als störender Effekt betrachtet. Richtig umgesetzt, lassen sich damit jedoch zusätzliche Funktionen wie EMV-Abschirmung und Heizleistung in Bauteile integrieren.

Bild 1. Spezifischer Oberflächenwiderstand verschiedener rCFK: Der Widerstand hängt sowohl vom Faservolumengehalt als auch dem Herstellungsverfahren ab 

Die elektrische Leitfähigkeit von CFK für Zusatzfunktionen nutzen

Kohlenstofffasern / -matten

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Elektronik

Mehr als nur Leichtbau

Das Auftreten von prozessspezifischen Fehlstellen im Nasswickelverfahren erfordert eine Überdimensionierung der Bauteile. Im vorgestellten Beitrag wird die Entwicklung einer Qualitätskontrolle zusammen mit einem Bildverarbeitungsalgorithmus auf Basis einer Industriekamera vorgestellt, mit welchen sich Fertigungsabweichungen im zylindrischen Bereich von Druckbehältern ermitteln lassen.

Mit einer Industriekamera wird ein Druckbehälter während des Einlaufens von Faserbändern auf Fertigungsabweichungen untersucht.

Bildverarbeitungs-Software

Fertigungsautomation

Bildverarbeitung

Qualitätssicherung

Wickelmaschinen

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Faserverarbeitung

Qualitätssicherung Kunststoff

Optische Mess- und Prüfverfahren

Einsatz einer Industriekamera zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung des zylindrischen Bereichs von Typ-IV Druckbehältern im Nasswickelverfahren

An der FPP-Technologie zeigen derzeit vor allem zwei Industrien besonderes Interesse: die Luft- und Raumfahrt bei der Automatisierung der Legeprozesse von Multimaterial-Leichtbauteilen mit Sandwichkern, sowie die Hersteller von CFK-Drucktanks für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (FCEV).

Laminatverstärkung filamentgewickelter Drucktanks. Die Ausprägung der Patches und des Greifers ist an die Größe und Komplexität des Bauteils angepasst.

Neue Anwendungen und Kunden für die automatisierte Produktion von Faserverbundbauteilen

Greifer

Automatisierungstechnik

Handling, Handhabungstechnik

Composite-Halbzeuge

Inspektionssysteme

Industrieroboter

Montagetechnik

Verstärkung im Anflug

Mittels angeregter Lockin-Thermografie und neuronalen Netzen kann erstmals eine quantitative Charakterisierung von oberflächennahen Defekten in isotropen und faserverstärkten Kunststoffen erfolgen.

Darstellung des experimentellen Versuchsaufbaus: Thermografiekamera (links unten), Photodiode (links oben), VCSEL Array (rechts), CFK-Prüfkörper (Mitte)

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0

Künstliche Intelligenz für die Qualitätssicherung

Polymethylmethacrylat

Thermoplaste

Defektcharakterisierung in isotropen und faserverstärkten Kunststoffen mittels aktiver Thermografie und neuronalen Netzen

Die Preisträger zeigen jedes Jahr aufs Neue, welche Möglichkeiten Composites bieten. Am Ende sind es oft nur Nuancen, die beim Votum der Jury entscheiden.

Die Preisverleihung am Abend des 29. November 2022 führte die glücklichen Preisträger in Augsburg zusammen.

AVK ehrt herausragende Composite-Innovationen

Am 29. November 2022 hat die AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe ihre Innovatonspreise verliehen. Wir zeigen Ihnen die herausragenden Ideen in Bildern.

AVK Innovationspreise 2022

Zum 20. Mal hat Composites Germany aktuelle Kennzahlen zum Markt für faserverstärkte Kunststoffe erhoben. Das Ergebnis: Die Situation ist herausfordernd, aber nicht hoffnungslos.

Leichtbau

Wirtschaft

Die Lage ist besser als die Stimmung

Kunststoffe sind für viele Anwendungen im Leichtbau die Materialien der Wahl. Das zeigen auch die Aussteller der JEC 2023 in Paris.

Das Wabenmaterial Cormaster basiert kann überall dort zum Einsatz kommen, wo geringes Gewicht bei gleichzeitig höchster Stabilität gefordert ist.

Mit leichtem Gepäck nach Paris

Beim Ultraschallnieten plastifiziert eine Sonotrode durch gezieltes Umwandeln von Schallenergie in Wärme ein Kunststoffniet. Ein angepasster Nietkopf führt im Vergleich zu konventionellen Varianten zu höheren Festigkeiten.

Bild 1. Schliffbild einer Nietverbindung aus PA 66-GF30 mit der geringen Anbindung des Materials im Nietkopf am Nietpin

Angepasster Nietkopf für höhere Festigkeiten beim Ultraschall-Nieten

Ultraschall-Sensoren

Messtechnik

Sensoren / Messwertaufnehmer

Nieten, Toxen

Verbindungstechnik Verfahren

Mechanisches Fügeverfahren

Nieten

Verbindungstechnik

Verbindungselemente

Schweißmaschinen, Ultraschall

Thermisches Fügeverfahren

Ultraschallschweißen

Fügen / Verbinden

Anlagen / Systeme

Höhere Festigkeit durch bessere  Geometrie

Mit dem „Bayerischen Energiepreis“ zeichnet der Freistaat Bayern alle zwei Jahre herausragende Leistungen rund um das Thema Energie aus. Die Kurtz GmbH durfte in einer feierlichen Übergabe die Hauptpreisauszeichnung aus acht Preisträgerkategorien entgegennehmen.

Chemiefreies Recycling und Energieeinsparung bis zu 90%: Kurtz Wave Foamer mit Radiofrequenz-Technologie

Partikelschäumen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Schaumstoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Energieeffizienz

Kurtz Ersa erhält den Bayerischen Energiepreis 2020

Integration möglichst vieler Funktionen, immer geringere Wanddicken der Bauteile – die Anforderungen an Stoßfängerverkleidungen sind im Laufe der Zeit kontinuierlich gestiegen. Dies hat nicht zuletzt Auswirkungen auf die Fügetechnik in der Endmontage.

Welche Auswirkungen hat Design auf die Fügetechnik? Dieser Frage muss sich der Automobilhersteller bzw. -zulieferer stellen

Großserientaugliche Verfahren für lackierte dünnwandige Stoßfänger mit Class-A-Oberfläche

KFZ-Zulieferer

Dienstleistungen

Der Weg zu neuen, passenden Fügetechnologien

Seit 1. Januar verstärkt ein neuer Vorstand den Hersteller von Lösungen und Komponenten für den industriellen Einsatz von Ultraschall. Bereits zwei Monate vorher besetzte die Weber Ultrasonics AG die Position des technischen Leiters neu.

Personen

kunststoffe.de

Ultraschallprüfgeräte

Werkstoffprüfung

Kunststoffverarbeitung

Ultrasonicmaschinen

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Neuer Vorstand und technischer Leiter bei Weber Ultrasonics

Eine Atmosphärenplasmabehandlung kann eine Aufrauhung, Aufschmelzung oder Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen – und damit eine bessere Klebbarkeit – bewirken. Ein Team der TH Lübeck hat untersucht, welche Faktoren entscheidend sind und welche Prüfmethoden im Praxistest überzeugten.

Der Plasmastrahl verändert die PE-Probeoberfläche 

Der Grenzflächenbereich Kunststoff/Klebstoff ist entscheidend für die Klebverbindung

Polyethylen besser kleben

Zur Abdichtung von Biopolymerverpackungen hat sich das Ultraschallschweißen bewährt. Moderne vertikale Form-, Füll- und Schließmaschinen (VFFS) sind heute dazu in der Lage, durch den Verpackungsinhalt hindurch zu versiegeln.

Branson-Ultraschallkomponenten für VFFS-Systeme von Emerson können direkt durch den Verpackungsinhalt hindurch versiegeln, wodurch Verunreinigungen eliminiert, Materialverschwendung und Fehlschweißungen bei einer Vielzahl von Produktverpackungen reduziert werden

Ultraschallgeschweißte Dichtungen für nachhaltige Verpackungen

Alles schön dicht

Neuartige, werkstoffgerechte Fügeverfahren für Faserkunststoffverbunde setzen die Erwärmung der Materialien voraus. Um die damit verbundenen komplexen Temperaturfelder und -verläufe vorherzusagen, haben das Fraunhofer IAP und die BTU Cottbus-Senftenberg numerische Verfahren entwickelt. Mit diesen können auch verschiedene Strahlungsquellen und Prozessabläufe simuliert werden.

Bei neuen Fügeverfahren für FVK wird deren Matrix erwärmt. Die Vorhersage der Auswirkungen dieses Prozesses ist mit der passenden Simulation möglich.

Thermoplastische Faserkunststoffverbunde (FKV) sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten prädestinierte Materialien für den Leichtbau. Sie tragen damit zur Ressourcenschonung sowie zur Reduzierung von Treibhausgasen insbesondere im Verkehrssektor bei. Bei der Entwicklung und Optimierung der Werkstoffe konnten in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt werden. In der Verarbeitung kommen jedoch meist faserschädigende und hohe Kerbspannungen induzierende Fügeverfahren, wie sie aus dem Stahlbau bekannt sind, zum Einsatz.

Bei neuartigen, werkstoffgerechten Fügemethoden wie dem CMT-Pin-Schweißen (engl. Cold Metal Transfer) werden die Fasern im Fügebereich verdrängt und lastpfadgerecht ausgerichtet statt durchtrennt. Dazu ist ein lokales thermisches Erweichen der Matrix erforderlich. Eine effektive Methode dafür ist die Wärmeeinbringung mittels Infrarotstrahlung [1]. Am Forschungsbereich PYCO des Fraunhofer-Instituts für angewandte Polymerforschung (IAP) und dem Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) wurden die numerischen Berechnungen der entsprechenden Temperaturfelder und -verläufe untersucht. Die entwickelten Simulationsmodelle lassen sich auf weitere Anwendungsfelder übertragen. Dadurch können unterschiedliche Strahler und Prozessabläufe ohne kostenintensiven experimentellen Aufwand erprobt werden.

Untersucht wurde carbonfaserverstärktes Polyamid 6 (PA6) mit einer symmetrischen Abfolge von unidirektionalen 0/90°-Lagen. Die Anzahl der 0°- und 90°-Lagen wurde der Plattendicke angepasst. Für die Herstellung der Organobleche kam eine KV275.09-Heißpresse von Rucks Maschinenbau zum Einsatz. Die Erwärmung erfolgte mit einem Omega-IR-Strahler des Unternehmens Heraeus Noblelight mit einem Durchmesser von 39 mm und einer Nennleistung von 250 W. Experimentell wurde die Temperatur auf der nicht bestrahlten Seite der FKV-Platten mittels eines Thermografiesystems untersucht (Bild 1). Dieses wurde mithilfe von Messwerten eines Typ-K-Thermoelements auf derselben Seite geeicht.

Die thermografische Untersuchung der bestrahlten FKV-Seite bei der Erwärmung wird durch die Reflexion der IR-Strahlung erschwert. Deshalb erfolgte die Temperaturmessung auf der Oberseite der bestrahlten Platte mittels Thermoelementen des Typs K. Dafür wurde die zu untersuchende Platte aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit einer Heizplatte auf ca. 270 °C erwärmt und die Thermoelemente so eingedrückt, dass die Kontaktenden möglichst nah an der zu messenden Seite liegen. Experimentell wurden CFK-Platten mit 2 und 3,8 mm Dicke untersucht. Die Temperaturen auf den CFK-Oberflächen wurden dabei kontinuierlich während des Erwärmungs- sowie Abkühlvorgangs aufgenommen. Zur Untersuchung des Einflusses der Strahlerentfernung wurden die Erwärmungsversuche mit den Abständen 28, 35, 54 und 100 mm zwischen der Unterkante des IR-Strahlers und der CFK-Oberfläche durchgeführt.

Bei der Untersuchung wird der Omega-Infrarotstrahler parallel im definierten Abstand über der CFK-Probe angeordnet. Die Wärmeströme sowie die erwarteten Strahlungsverteilungen bei unterschiedlichen Strahlerabständen sind in Bild 2 schematisch dargestellt. Die Infrarotstrahlung erwärmt die Oberseite der CFK-Platte. Ein Teil dieser Wärme wird durch Konvektion und durch Strahlung wieder an die Umgebung abgegeben. In der Platte erfolgt der Wärmetransport mittels Konduktion. Aufgrund der Zeitabhängigkeit des Erwärmungsprozesses sind für eine Simulation mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) Angaben zur Wärmekapazität und der Dichte des Materials notwendig. Benötigt werden außerdem die Emissions- und Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Wärmeleitfähigkeiten. Sie werden im Folgenden Kalibrierparameter genannt. Für die Untersuchungen wurden sie in einer Parameterstudie bestimmt. Dazu wurden die Werte variiert und jeweils die FEM-Berechnungen durchgeführt. Die Temperaturen als Funktion der Zeit wurden an mehreren Punkten entlang der Plattendiagonalen mit experimentellen Daten verglichen.

Die Materialeigenschaften der Faserverbundkunststoffe wurden bis auf die Wärmeleitfähigkeit experimentell bestimmt:

<ul><li>Dichte ρ = 1,434 g/cm3 (bestimmt nach dem archimedischen Prinzip)</li><li>Faservolumengehalt φ = 46 % (ermittelt in Anlehnung an DIN EN 2564:2018-12 und DIN 16459:2019-12)</li><li>Zersetzungstemperatur = 434 °C (Onset, bestimmt mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA), Heizrate: 10 K/min)</li></ul>

Die Wärmekapazität des CFK weist im Unterschied zu den oben genannten Materialparametern eine starke Temperaturabhängigkeit auf. In den Simulationsmodellen ist eine den Messwerten von drei Proben gefittete Funktion implementiert (Bild 3). Die Messungen erfolgten mit einem dynamischen Differenzkalorimeter (dynamische Differenzkalorimetrie, engl. differential scanning calorimetry, DSC) mit einer Heizrate von 10 K/min.

Im ersten Ansatz erfolgt die Berechnung mit einem radialsymmetrischen Modell in der Software Ansys R19.1. Dieses weist eine geringe Elementanzahl und Berechnungszeit auf, kann allerdings für komplexe, nicht radialsymmetrische Probenformen und Strahlquellen nicht angewendet werden. Darüber hinaus lässt sich die Anisotropie der faserverstärkten Kunststoffe beim radialsymmetrischen Modell in der Ebene nicht berücksichtigen. Daraus ergeben sich an vom Plattenzentrum entfernten Positionen Abweichungen zwischen den experimentell und den numerisch bestimmten Temperaturen.

Radialsymmetrisches Modell: Vorhersage der Temperatur in der Probenmitte

Zur Ermittlung der Kalibrierparameter sowie zur experimentellen Validierung des Modells wurde eine kreisförmige CFK-Scheibe mit einer Dicke von 3,8 mm und einem Durchmesser von 76 mm bei den Strahlerabständen 28 mm (Dauer 80 s) und 54 mm (200 s) bestrahlt. Der Temperaturverlauf in der Mitte der Probe wurde auf beiden Seiten kontinuierlich mit Zeitabständen von 1 bis 30 s aufgenommen. Die Messwerte auf der Oberseite wurden mit einem mittig eingedrückten Thermoelement und auf der Unterseite mittels Thermografie aufgenommen.

Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Daten des zeitlichen Temperaturverlaufs in der Probenmitte ist in Bild 4 dargestellt. Die beste Übereinstimmung wurde mit einem konstanten Übergangskoeffizient von 4 W/(m2·K) erreicht. Zusätzlich wurde an den Außenflächen der CFK-Platte ein ebenfalls konstanter Emissionskoeffizient von 0,95 angenommen. Der Emissionskoeffizient des Strahlers, dessen Einfluss mit einem Wert zwischen 0,6 und 0,8 vernachlässigbar klein ist, wurde mit 0,7 angenommen. Die Wärmeleitfähigkeiten wurden als λ|| = 15 W/(m·K) in Flächen- und λ⊥ = 1,5 W/(m·K) in Dickenrichtung angenommen.

Dreidimensionales Modell: Vorhersage der Temperaturverteilung über die Probe

Mit dem radialsymmetrischen Modell können die Temperaturen in der Probenmitte berechnet werden. Zahlreiche Anwendungsfälle setzen jedoch eine Übereinstimmung der zeitabhängigen Temperatur an mehreren Punkten sowie die Möglichkeit der Simulation komplexer Strahler- und Probenformen voraus. Daher erfolgten weitere Untersuchungen mit dreidimensionalen Modellen in der Simulationssoftware Abaqus 2019. Zur Validierung dieser Modelle wurden quadratische CFK-Platten mit einer Kantenlänge von 160 mm und Dicken von 2 und 3,8 mm experimentell untersucht. Zur Beobachtung der Flächenverteilung der Temperatur auf der bestrahlten Seite wurden 16 Thermoelemente mit unterschiedlichen Abständen zum Plattenzentrum in die CFK-Platte eingedrückt (Bild 1).

Bei der Simulation der IR-Erwärmung der rechteckigen Probe wurde der Omega-Strahler als rundes Bauteil angenommen und zur Reduzierung der Berechnungszeit die sich damit ergebende zyklische Symmetrie genutzt. Die Übertragung der mittels radialsymmetrischem Modell festgestellten Kalibrierparameter auf die 3D-Simulation der rechteckigen Platte ergab wesentliche Abweichungen zu den Experimenten. Daher wurden einzelne Kalibrierparameter neu angenommen. Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt den konvektiven Wärmeübergang und wurde mit einem konstanten Wert von 2,5 W/(m2·K) modelliert. Der Emissionskoeffizient beschreibt den Wärmeübergang mittels Strahlung und wurde für das CFK mit 0,95 und für den Strahler mit 0,6 angenommen.

Die unidirektionalen (UD) Lagen des symmetrischen 0/90°-Lagenaufbaus sind anisotrop. Sie weisen in der Ebene zwei Wärmeleitfähigkeitswerte, den in Faserrichtung und den senkrecht zur Faserrichtung, auf. Der dritte Wert beschreibt die Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung und entspricht in dem Fall dem Wert senkrecht zu den Fasern in der Ebene. In dem FEM-Modell wurden die einzelnen UD-Lagen jeweils durch ein Volumenelement in Dickenrichtung abgebildet. Die Carbonfasern selbst sind ebenfalls anisotrop. Ihre Wärmeleitfähigkeit wurde in Faserrichtung mit 10 W/(m·K) angenommen und orthogonal zur Längsrichtung mit 1,7 W/(m·K) [2, 3]. Die Wärmeleitfähigkeit des PA6 beträgt 0,23 W/(m·K) [4]. Die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit der UD-Lagen erfolgte mit der Mischungsregel [5]:

Senkrecht zur Faserrichtung wird der Mittelwert aus den mit folgenden Gleichungen bestimmten Werten verwendet [6-8]:

Es ergibt sich eine Wärmeleitfähigkeit der Einzellagen in Faserrichtung von λ|| = 4,72 W/(m·K) und senkrecht zur Faserrichtung von λ⊥ = 0,48 W/(m·K).

Darüber hinaus wurden, da Verluste anzunehmen sind, geringere Leistungen des Strahlers untersucht. Die geringste bestimmte Abweichung zwischen Experiment und Modell wird bei 210 W in der Simulation erreicht. Der Vergleich der Ergebnisse des entwickelten FEM-Modells mit den experimentellen Messungen der Temperaturverläufe an der Oberseite ist in Bild 5 für unterschiedliche Entfernungen der Messpunkte zur Plattenmitte entlang der Diagonalen dargestellt. Der Vergleich der mit Thermografie gemessenen Temperaturfelder an der Unterseite der 2 mm dicken CFK-Platte mit dem entwickelten Modell ist in Bild 6 zu sehen.

Die Erwärmungsgeschwindigkeit auf der bestrahlten Seite nimmt bei kürzerem Abstands des Strahlers, insbesondere nah am Plattenzentrum, deutlich zu. Das entwickelte Modell bildet das ab. Etwaige Abweichungen zwischen Experiment und Simulation entstehen durch den im FEM-Modell fehlenden Spiegel, Messungenauigkeiten bei den Materialeigenschaften, die Anpassung der Parameter, die Vernachlässigung der Reaktionszeit des Strahlers beim Einschalten und die Umgebungstemperatur. Letztere sollte an sich konstant bei 25 °C liegen, schwankt im Experiment aber um 5 °C. Die Vergrößerung der Plattenstärke von 2 auf 3,8 mm hat einen geringeren Einfluss auf die Erwärmungsgeschwindigkeit auf der bestrahlten Seite als der Abstand des Strahlers.

Den passenden Abstand des Strahlers bestimmen

Mit den Thermoelementen werden zeitliche Verläufe der Temperaturen an bestimmten Positionen auf der Probenoberseite gemessen. Die Aufnahmen der Wärmebildkamera geben hingegen kontinuierliche Darstellungen der Temperaturfelder auf der Probenunterseite zu bestimmten Zeitpunkten wieder (Bild 6). Die Simulationsergebnisse stimmen sowohl bezüglich der zeitlichen Verläufe als auch der Temperaturfelder hinreichend genau mit den Experimenten überein.

Ein Abstand des Strahlers von 35 mm im Vergleich zu 100 mm ergibt eine schnellere Erwärmung im Plattenzentrum und eine stärker konzentrierte Temperaturverteilung. Anhand der gewonnen Ergebnisse und den entwickelten Modellen kann der Strahlerabstand entsprechend der Anwendungen und den geforderten Temperaturverteilungen angepasst werden. Darüber hinaus lassen sich die Modelle zur Untersuchung alternativer Strahler verwenden. An den beiden Forschungsinstitutionen konnte damit eine Erwärmungsstrategie für das Fügen von FKV und Metallen mit der CMT-Pin-Technik entwickelt und ein dafür geeigneter Strahler und Prozessablauf bestimmt werden.

Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde der Prozess der Erwärmung von FKV mit Infrarotstrahlung numerisch und experimentell betrachtet. Durch den Einsatz unterschiedlicher Probenabmessungen und Messtechniken konnte der Einfluss der Plattendicke sowie des Strahlerabstands auf die Temperaturänderung in den CFK-Platten untersucht werden. Das radialsymmetrische Modell der IR-Erwärmung ermöglicht mit geringem Rechenaufwand eine gute Vorhersage des zeitlichen Temperaturverlaufs in der Probenmitte. Der Vergleich experimenteller Ergebnisse mit denen eines 3D-Simulationsmodells mit zyklischer Symmetrie zeigt eine gute Übereinstimmung sowohl zeitlicher als auch räumlicher Temperaturänderung in der CFK-Probe während der Erwärmung und Abkühlung.

[1] T. Bayerl: Application of particulate susceptor for the inductive heating of

polymer–polymer composites. Kaiserslautern: IVW GmbH; 2012

[2] B. A. Newcomb: Processing, structure, and properties of carbon fibers. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016, Volume 91, Part 1, Pages 262–282

[3] O. Rodrigo, G. Bertrand: Radial thermal conductivity of a PAN type carbon fiber using the 3 omega method. International Journal of Thermal Sciences 2022, 172, Part A, 107321, doi: 10.1016/<a href="http://j.ijther" target="_blank">j.ijther</a>malsci.2021.107321

[4] Kern GmbH: Polyamid 6 (PA 6), Technisches Datenblatt, o.J., <a href="https://www.kern.de/de/technisches-datenblatt/polyamid-pa-6?n=1102_1" target="_blank">https://www.kern.de/de/technisches-datenblatt/polyamid-pa-6?n=1102_1</a> (zuletzt Aufgerufen am 14.07.2022)

[5] H. Schürmann: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. 12.8 Waermeleitfaehigkeiten der UD-Schicht und des MSV. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007, <a href="https://doi.org/10.1007/978" target="_blank">https://doi.org/10.1007/978</a>–3–540–72190–1

[6] Lord Rayleigh Sec. R.S.: LVI. On the influence of obstacles arranged in rectangular order upon the properties of a medium. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 1892, 34:211, 481–502, <a href="https://doi.org/10.1080/14786449208620364" target="_blank">https://doi.org/10.1080/14786449208620364</a>

[7] S. Bard, F. Schönl, M. Demleitner, V. Altstädt: Influence of Fiber Volume Content on Thermal Conductivity in Transverse and Fiber Direction of Carbon Fiber-Reinforced Epoxy Laminates. Materials 2019, 12, 1084, doi:10.3390/ma12071084

[8] R. Rolfes, U. Hammerschmidt: Transverse thermal conductivity of CFRP laminates: A numerical and experimental validation of approximation formulae. Composites Science and Technology, Volume 54, Issue 1, 1995, Pages 45–54, <a href="https://doi.org/10.1016/0266" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0266</a>–3538(95)00036–4

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP Forschungsbereich PYCO

http://www.pyco.fraunhofer.de

Ausgabenartikel KU02-23

Die Vorhersage des Erwärmungsverhaltens von FKV ist für moderne Fügeverfahren sehr interessant.

Bild 1. Versuchsaufbau zur experimentellen Messung der Temperaturfelder an der Unter- (links) und Oberseite (rechts) der FKV-Platte: Das Thermografiesystem auf der nicht bestrahlten Unterseite wird mit einem Thermoelement geeicht. Auf der bestrahlten Oberseite kommen für die Messung mehrere Thermoelemente zum Einsatz.

Bild 2. Wärmeströme und Strahlungsverteilung im modellierten System: Je nach Abstand des Strahlers ändert sich die Strahlungsverteilung.

Bild 3. Die Wärmekapazität des untersuchten CFK hängt stark von der Temperatur ab. 

Bild 4. Vergleich des experimentell ermittelten und des mit dem radialsymmetrischen Modell berechneten Temperaturverlaufs der bestrahlten und nicht bestrahlten Flächen in der Probenmitte während und nach der Erwärmung: Die Werte zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation.

Bild 6. Vergleich zwischen FEM (untere Bildhälften) und Experiment (obere Bildhälften) der Temperaturfelder auf der Unterseite einer 2 mm dicken CFK-Platte bei der Erwärmung: Zwischen beiden besteht eine hinreichende Übereinstimmung.

Bild 5. Vergleich der Temperaturverläufe an der Oberseite zwischen FEM und Experiment für verschiedene Entfernungen zur Plattenmitte: Der Strahlerabstand hat einen größeren Einfluss auf die Erwärmungsgeschwindigkeit als die Plattendicke.

KU 2-23_TU Cottbus_Ost - Hauptartikel

Faserverbundkunststoffe: Erwärmung simulieren

Lucas Ost ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Polymerbasierter Leichtbau der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) und am Forschungsbereich Polymermaterialien und Composite (PYCO) des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP.

Oleg Shapovalov ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik der BTU.

Felix Kuke ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungsbereich PYCO und Leiter des Zentrums für nachhaltige Leichtbautechnologien (ZenaLeb) des Fraunhofer IAP.

Dr. Nikolay Doynov ist Associate Professor am Institute of Metal Science, Equipment and Technologies with the Center for Hydro- and Aerodynamics „Acad. A. Balevski” at the Bulgarian Academy of Sciences und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik der BTU.

Prof. Dr. Holger Seidlitz leitet den Forschungsbereich PYCO des Fraunhofer IAP und das Fachgebiet Polymerbasierter Leichtbau der BTU. Er ist CEO des Strukturwandel-Clusters SpreeTec neXt sowie kommissarischer Leiter des Lehrstuhls Füge- und Schweißtechnik; <a href="mailto:pyco@iap.fraunhofer.de">pyco@iap.fraunhofer.de</a>

Prof. Dr. Vesselin Michailov leitet den Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik der BTU.

Marcello Ambrosio ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungsbereich PYCO des Fraunhofer IAP und im Fachgebiet Polymerbasierter Leichtbau der BTU.

Das Forschungsvorhaben IGF-Nr. 20.649 BR der AiF-Forschungsvereinigung „DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V.” wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken der Forschungsvereinigung DVS für die Unterstützung des Vorhabens und den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die wertvollen Hinweise, Erläuterungen und Ratschläge.