Zur Gestaltung adhäsiver Laminatstirnverankerungen und Prozessanalyse zur Fertigung thermoplastischer Faserverbundrohre : Beiträge zur Weiterentwicklung modularer Druckbehälter nach der Darmstädter Bauweise

Diese Arbeit steht im Kontext der Entwicklung von Druckbehältern mit thermoplastischer Matrix nach der sogenannten Darmstädter Bauweise. Konkret thematisiert werden Konstruktionsparameter adhäsiver Laminatstirnverankerungen und Prozessparameter für die Herstellung endlosfaserverstärkter Thermoplast-Rohre aus Bandhalbzeug im Schleuderverfahren.

In eine Bohrung eingeklebte Anker ermöglichen eine punktuelle Krafteinleitung in die Stirnseite von Faser-Kunststoff-Laminaten. Die Untersuchung dieses Krafteinleitungskonzepts ist der Themenschwerpunkt dieser Arbeit. Die grundlegenden Einflüsse auf die Leichtbaueigenschaften werden beschrieben. Das mechanische Verhalten wird numerisch analysiert. Es werden Verfahren für eine zuverlässige Herstellung der Verankerung aufgezeigt. Den Kern der Arbeit stellt die experimentelle Untersuchung zum Einfluss des Laminataufbaus und der Geometrie auf das Tragverhalten einschließlich dem Vergleich zur T-Bolzenverbindung dar. Die Belastbarkeit der Klebschicht wird für verschiedene Adhäsive und Anker untersucht. Abschließend werden die wesentlichen Ergebnisse zu Konstruktionshinweisen zusammengefasst. Die Verankerung bewirkt eine niedrige Zwischenfaserbruch-Anstrengung im Laminat: Bereits kleine Querschnitte genügen, um Lasten bis zum Erreichen der Mindestbruchkraft hochfester Gewindestangen einzuleiten.

Im Schleuderverfahren wird durch die Fliehkraft und das Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix das Bandhalbzeug konsolidiert. Dieses Verfahren wird in einer Prozessanalyse untersucht und die Auswirkung der Drehzahl, der Prozesstemperatur und der Heizdauer auf den Porengehalt von CFK- und GFK-Polyamid6-Rohren diskutiert. Für beide Werkstoffe werden geringe Porengehalte erreicht. In einer Machbarkeitsstudie zeigt sich ein alternatives Fertigungsverfahren mit anionischer in-situ-Polymerisation von Polyamid6 ebenfalls für den Schleuderprozess geeignet.

In this work, advices are presented for the design of adhesively bonded anchor bolts into the cross section of thick fiber-reinforced laminates and process parameters for rotational casting of cylinders made of fiber-reinforced thermoplastic prepreg are discussed.

The anchors are adhesively bonded into a bore at the cross section of the laminate. Influences on the lightweight characteristics are described. The mechanical behavior is numerically analyzed. Manufacturing processes appropriate for the anchorage are identified. The main results concern the experimental analysis of the load bearing behavior, depending on the geometry and the laminate layup, as well as a comparison to t-bolts. The loading capacity of the adhesive layer is examined for a variety of adhesives and anchors. Finally design advices are concluded. The bonded anchor bolt achieves a low inter-fiber-fracture stress exposure of the laminate: Small cross sections are sufficient to transmit loads of high strength threads.

The centrifugal force and the melting of the thermoplastic matrix consolidate the thermoplastic prepreg during the rotational casting. This manufacturing process is analyzed. The influences of the rotational speed, the temperature and the duration on the porosity of CFRP and GFRP PA6 laminates are discussed. A low porosity can be achieved for either material. Further, it is shown in a feasibility study, that rotational casting is an appropriate process for the anionic in-situ polymerization of PA6.