A study of contactless localised positioning of carbon fibres using electrical and magnetic fields for reinforced plastics applications

Pangboonyanon, Woramon

Faserverstärkte Kunststoffe werden dank ihrer gewichtspezifischen Eigenschaften in vielen Leichtbauanwendungen eingesetzt. Beim konventionellen Fügen zu komplexen Strukturen werden die Fasern durch den Bohrvorgang geschnitten, sodass die Lastpfade geschnitten und die Bauteile aufgrund der Diskontinuität der Lastpfaden und von Spannungskonzentrationen schließlich zum verfrühten Bruch der Struktur kommen. Zusätzlich werden Makro- und Mikroschäden ins Bauteil durch externer mechanischen Krafteinbringung eingebracht. Eine Repositionierung der Fasern vor dem Bohrungsprozess kann jedoch die Fasern schützen, sodass bei gezielter Umlenkung eine verbesserte Kraftübertragung und verminderte Spannungsüberhöhung im Bohrungsbereich realisiert werden kann. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Faserpositionierung, die Flexibilität, kontaklose Handhabung und geringen Zeitaufwand bietet. Dafür werden die kontaklose Faserumlenkung mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Identifizierung der relevanten Randbedingungen untersucht. Zur Nutzeneinschätzung der Bauteile mit umgelenkten Faserstrukturen, werden zunächst die mechanischen Eigenschaften von FVK unter Zug- und Lochleibungsbeanspruchung im Vergleich zu konventionellen gebohrten Bauteilen untersucht. Als Ergebnis werden unter anderem Zug- und Lochleibungsfestigkeiten, Kerbzahlen und Versagensmechanismen betrachtet. Anschließend werden mögliche Lösungen der kontaktlosen Faserumlenkung erarbeitet und anhand mehrerer Kriterien bewertet. Die ausgewählte Lösung wird systematisch untersucht und einzelne systemrelevante Parameter analysiert, beispielsweise die elektrischen Eigenschaften, Randbedingungen zur Umlenkung, Geometrien und deren Berechnung während der Umlenkung sowie mögliche Bauteildefekte. Zur Validierung der Methode werden schließlich Kohlenstofffaserrovings und 2D Kohlenstofffasergelege in einem elektrischen und magnetischen Feld erprobt und die Umlenkung getestet. Als Ergebnis wird ein neuartiges Verfahren zur berührungslosen Faserumlenkung mittels Lorentzkraft für Faserrovings vorgestellt. Ein Beweis für die verbesserten mechanischen Eigenschaften der umgelenkten Faserstrukturen, ein Nachweis der Durchführbarkeit des Verfahrens, die Grenzen der Methode und eine Handlungsempfehlung werden in dieser Arbeit aufgezeigt. Weiterhin werden die Grundlagen der Methode beschrieben und erarbeitet sowie Parameterkorrelationen innerhalb der vorgestellten Methode detailliert vorgestellt.

Fibre reinforced plastics are being generously used in various light-weight applications in last few decades thanks to their stiffness to weight ratio. For conventional joining, fibres are cut by the drilling process, and hence the primary load transfer paths are discontinued. Because of the discontinuity of load transmission, an abrupt stress concentration at hole area as well as undesired micro damages e.g. micro cracks are occurred in the part. These ultimately lead to final fracture of the structure. A repositioning of the fibres before drilling process can, however, protect the fibres, so that an improved load transfer and a reduced stress concentration at hole area can be achieved by the specific fibre deflection. Therefore, the ultimate goal of this thesis is to develop a novel method of fibre deflection around holes which provides flexibility, contactless handling and low process-time consumption. For this purpose, the contactless fibre deflection via electrical current and magnetic field is investigated. The method’s relevant boundary conditions in a fibre roving is also identified. In order to evaluate advantages of parts with a deflected fibre structure, mechanical properties of FRP under tensile and bearing loading are firstly investigated. Laminates of deflected fibres are compared with ones with conventional cut fibre. As a result, tensile and bearing strength, notch ratio and corresponding failure modes are shown. Subsequently, possible solutions of contactless fibre deflection are conceived and evaluated. Systematic investigations of individual parameter of the selected solution regarding conductive behaviours and relevant system boundaries as well as investigation of geometric and part defects are conducted. Finally, a validation of the proposed method within electric and magnetic fields of a carbon fibre roving and a 2D non-crimp carbon fibre textile is performed. As a result, a novel method of a contactless fibre deflection via Lorentz force for a fibre roving is introduced. Proof of enhanced mechanical properties of structures with deflected fibres, proposed method’s feasibility in magnetic field and its limitations as well as recommendation for action are shown. Additionally, fundamental understanding of method’s functionality and parameter’s correlations are also provided.

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Pangboonyanon, Woramon: A study of contactless localised positioning of carbon fibres using electrical and magnetic fields for reinforced plastics applications. Clausthal-Zellerfeld 2021.

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