Investigation of mechanical anisotropy and interlayer bonding in thermoplastic composites produced by additive manufacturing

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Additive Fertigungsverfahren sind eine attraktive Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren in der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Letztere weisen hervorragende mechanische Eigenschaften bei geringem Gewicht auf, weshalb sie für viele Industrien von großem Interesse sind. Das schichtweise Arbeitsprinzip additiver Fertigungsverfahren bringt jedoch einen erheblichen Nachteil mit sich, denn es führt zwangsläufig zu richtungsabhängigen Eigenschaften der Teile und zur Anhäufung von Defekten zwischen den Schichten, was wiederum deren Belastbarkeit nachteilig beeinflusst. Deswegen widmet sich die vorliegende Arbeit der Charakterisierung der mechanischen Anisotropie und Zwischenschichthaftung von additiv gefertigten Bauteilen. Die Studien zur mechanischen Anisotropie erfolgten anhand der Untersuchung von mit kurzen Kohlenstofffasern (KF) verstärkten Polyamid 1212 Zugstäben, die durch selektives Lasersintern hergestellt wurden. Die Ergebnisse wiesen auf eine bevorzugte Faserorientierung hin und röntgentomographische Analysen bestätigten, dass mehr als die Hälfte der KF entlang der Laufrichtung der Walze ausgerichtet waren. Dieser Effekt resultierte in richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften. Weiterhin wurde das anisotrope Verhalten von reinen und mit kurzen KF verstärkten Polymilchsäure (PLA)-Proben mittels Zugversuche und Digital Image Correlation (DIC) studiert. Die Probenherstellung erfolgte durch Fused Filament Fabrication und unter Variation des Rasterwinkels. Unter Annahme transversaler Isotropie konnten für beide Materialien die vollständigen Sätze der technischen Konstanten erfasst werden. Zusätzlich wurden Mehrkomponententeile durch direktes Drucken von reiner PLA auf mit kurzen KF verstärkter PLA (KF-PLA) hergestellt. Die Zwischenschichthaftung dieser Materialien wurde anschließend durch bruchmechanische Tests charakterisiert, nämlich anhand von Mode I Double Cantilever Beam (DCB) und Cracked Round Bar Tests. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Zwischenschichthaftung von PLA/KF-PLA mindestens so gut ist wie die von KF-PLA/KF-PLA. Aus der Gruppe bruchmechanischer Tests wurde weiterhin der Mode I DCB-Test unter quasistatischer sowie Ermüdungsbelastung angewandt, um den Einfluss der Herstellungsparameter auf die Zwischenschichthaftung von unidirektionalen (UD) KF verstärkten Polyphenylensulfid-Laminaten zu charakterisieren. Die Produktion erfolgte durch Automated Tape Placement mit In-situ-Konsolidierung (ATPisc) und unabhängig von den verwendeten Herstellungsparametern wiesen alle Laminate ein komplexes Delaminationsverhalten mit Mehrfachrissbildung auf. Für die quantitative Bewertung der Laminatqualität wurden verschiedene Ansätze zur Datenreduktion und -darstellung verwendet. Um den Mode I DCB-Test weniger arbeitsintensiv zu machen und die Abhängigkeit von visuellen Risslängenmessungen zu verringern wurde DIC eingesetzt. Im Rahmen dieses Konzepts erfolgte die Entwicklung zweier Datenreduktionsmethoden, um die Risslänge entweder anhand der hohen Dehnungskonzentration an der Rissspitze oder der Verschiebung der Rissspitzenöffnung zu bestimmen. Die erhaltenen Daten waren in Übereinstimmung mit den Resultaten der literaturbekannten Top Surface-Analyse. So konnte demonstriert werden, dass DIC eine geeignete Alternative zu konventionellen optischen Messwerkzeugen darstellt und darüber hinaus eine automatisierte Verfolgung der Rissausbreitung ermöglicht. Neben der Bruchzähigkeit war die Charakterisierung der Zwischenschichthaftung hinsichtlich der Scherfestigkeit von Interesse. Zu diesem Zweck wurden Druck-Scherversuche an UD-KF/PA6- und Stahl-KF/PA6-Hybridmaterialien, die mittels ATPisc hergestellt wurden, durchgeführt. Diese erwiesen sich als geeignete und leicht durchführbare Prüfmethode, die somit für eine erste qualitative Bewertung der Zwischenschichthaftung in additiv gefertigten Bauteilen e

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung der mechanischen Anisotropie und Zwischenschichthaftung in thermoplastischen Verbundwerkstoffen hergestellt durch additive Fertigung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Godec, Damir, Mitbetreuer (extern)
  • Lomov, Stepan, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Pinter, Gerald, Betreuer (intern)
  • Blackman, Bamber, Beurteiler B (extern), Externe Person
StatusVeröffentlicht - 2021