Forming behaviour of sandwich materials made of steel covers and polyamide cores with or without glass fibre reinforcements
The research in this thesis is based on the policy objectives of industry for energy saving and emission reduction, especially in the automotive industry, the rail transport industry and the aerospace industry. The reduction of energy consumption and CO2 emissions contributes to the sustainable development of an environmentally friendly society. This has led to the development and application of new lightweight materials. Since their invention, sandwich hybrids have enjoyed a high potential for lightweighting and have combined the advantages of different materials, so more attention has been focused on the development of sandwich materials. Sandwich constructions based on thermoplastic matrix materials are currently a hot topic because of their good formability compared to conventional resin-based sandwich composites, which can further shorten production cycles, increase production efficiency and reduce production costs. The main challenges are the different bonding properties between the layers due to different material combinations and the unknown nature of the forming properties. The main objectives of this thesis are: — solve the bonding problem between the metal and the thermoplastic material PA6, which determines the overall mechanical properties of the sandwich material; — develop a one-step thermoforming method to verify the feasibility of one-step forming of sandwich structures — further investigate the bending properties, stretch forming properties and deep drawing properties of sandwich materials — develop a simulation model to reproduce the thermoforming process of sandwich composites, such as stretch forming, and damage modelling of composite materials. In this work, the problem of air bubbles between galvanized steel TS275 and PA6 due to the decomposition of corrosive products was successfully eliminated through different surface treatments. Good metal and polymer bonding properties were gained by the adjustment of the hot press parameters and the application of adhesion promotor. Subsequently, a heating/cooling tool for one-step thermoforming was designed and used to produce the sandwich structure with first success. The entire process was significantly shortened and the bonding properties between the layers of material were guaranteed. The bending, stretch-forming and deep-drawing properties of the sandwich material were extensively investigated and reliable conclusions were drawn which can be used as a benchmark for subsequent studies. In particular, the forming properties of fibre metal laminate at elevated temperatures have been greatly improved and validated by ABAQUS-based models.
Die Forschung dieser Arbeit basiert auf den politischen Zielen der Industrie zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung, insbesondere in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Die Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen trägt zur nachhaltigen Entwicklung einer umweltfreundlichen Gesellschaft bei. Dies hat zur Entwicklung und Anwendung neuer Leichtbauwerkstoffe geführt. Durch die Entwicklung von Sandwichverbundwerkstoffen verfügen diese Art von Werkstoffen über ein hohes Leichtbaupotenzial und zusammenbringen die Vorteile verschiedener Werkstoffe, so dass ihre Weiterentwicklung mehr Augenmerk gewidmet wurde. Sandwichaufbau auf der Basis von thermoplastischen Polymermatrix sind derzeit ein hochaktuelles Thema, da sie sich im Vergleich zu herkömmlichen epoxidharzbasierten Sandwichmaterialien gut umformen lassen, was die Produktionszyklen weiter verkürzen und die Produktionseffizienz steigern kann. Die größten Herausforderungen sind die unterschiedlichen Bindungseigenschaften zwischen den Schichten aufgrund verschiedener Materialkombinationen und die unbekannte Natur der Umformeigenschaften. Dementsprechend sind die Hauptziele dieser Arbeit: - Systematische Vorgehensweise zur Beschreibung und Lösungsansätze zur Verbindungsproblematik zwischen dem Metall und dem thermoplastischen Material PA6, die das mechanisches Verhalten des Sandwichmaterials durchgängig beeinflusst; - Entwicklung eines einstufigen Warmumformverfahrens zur Verbesserung der Umformung der Sandwichverbunde; - Grundlegende Beschreibung der Biege-, Streckzieh- und Tiefzieheigenschaften von Sandwichmaterialien - Entwicklung eines Simulationsmodells zur Beschreibung und Vorhersage des Warmumformprozesses von Sandwichmaterialien durch u.a. Modellierung des Schädigungsverhaltens der faserverstärkten Kernschicht. In dieser Arbeit wurde das Problem der Luftblasenbildung zwischen verzinktem Stahl TS275 und PA6 aufgrund der Zersetzung von Korrosionsprodukten durch verschiedene Oberflächenbehandlungen erfolgreich behandelt und beseitigt. Durch die Anpassung der Heißpressparameter und den Einsatz von Haftvermittlern wurden gute Haftungseigenschaften zwischen Metall und Polymer erzielt. Anschließend wurde ein Heiz-/Kühlwerkzeug für das einstufige Warmumformen entwickelt und zur Herstellung eines Sandwichbauteils mit erstem Erfolg eingesetzt. Der gesamte Prozess wurde deutlich verkürzt und die Haftungseigenschaften zwischen den Materialschichten wurden gewährleistet. Die Biege-, Streckzieh- und Tiefzieheigenschaften des Sandwichmaterials wurden eingehend untersucht und es wurden zuverlässige Schlussfolgerungen gezogen, die als Benchmark für nachfolgende Studien verwendet werden können. Insbesondere wurden die Umformeigenschaften von Faser-Metall-Laminaten erheblich verbessert sowie durch ABAQUS-basierte Modelle bei erhöhten Temperaturen simuliert und durch die Experimente validiert.
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