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Alexander Sänger

• Faserverbundwerkstoffe ersetzen zunehmend konventionelle Metalllegierungen in Flugzeugstrukturen, wobei der vermehrte Einsatz thermoplastischer Matrixwerkstoffe neue Möglichkeiten im Hinblick auf stoffschlüssige Fügetechnologien eröffnet. Die Entwicklung dieser neuen Fügeprozesse basiert heutzutage meist auf experimenteller Probenherstellung und anschließender Bewertung der Versuchsreihen durch mechanische Prüfung. Dieses sequentielle Vorgehen ist sehr ressourcenintensiv in Bezug auf Zeit, Geld und Material, wobei Prozessalternativen oft nicht betrachtet und mögliche Optimierungspotentiale vernachlässigt werden. Die erzeugte Fügequalität hängt dabei maßgeblich von der thermischen Historie der Fügepartner ab. Diese kann über moderne FEM-Prozesssimulationen sehr gut abgebildet werden, wird bislang aber nahezu nicht zur Vorhersage der mechanischen Festigkeit genutzt. Die Motivation dieser Arbeit liegt darin, diese Lücke zu schließen und einen Beitrag zu verkürzten EntwicklungszeitenFaserverbundwerkstoffe ersetzen zunehmend konventionelle Metalllegierungen in Flugzeugstrukturen, wobei der vermehrte Einsatz thermoplastischer Matrixwerkstoffe neue Möglichkeiten im Hinblick auf stoffschlüssige Fügetechnologien eröffnet. Die Entwicklung dieser neuen Fügeprozesse basiert heutzutage meist auf experimenteller Probenherstellung und anschließender Bewertung der Versuchsreihen durch mechanische Prüfung. Dieses sequentielle Vorgehen ist sehr ressourcenintensiv in Bezug auf Zeit, Geld und Material, wobei Prozessalternativen oft nicht betrachtet und mögliche Optimierungspotentiale vernachlässigt werden. Die erzeugte Fügequalität hängt dabei maßgeblich von der thermischen Historie der Fügepartner ab. Diese kann über moderne FEM-Prozesssimulationen sehr gut abgebildet werden, wird bislang aber nahezu nicht zur Vorhersage der mechanischen Festigkeit genutzt. Die Motivation dieser Arbeit liegt darin, diese Lücke zu schließen und einen Beitrag zu verkürzten Entwicklungszeiten mit reduziertem Ressourceneinsatz bei gleichzeitig erhöhtem Digitalisierungsgrad in der Erforschung neuer Fügetechnologien zu leisten. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein neuer thermisch-basierter Qualitätsfaktor – der sog. Sänger-Faktor – eingeführt, der den Temperaturzustand in der Fügezone anhand eines linearen Regressionsansatzes des überwachten Lernens über vier Temperaturcharakteristika quantifiziert. Hiermit wurde die Hypothese einer mechanischen-thermischen Analogie untersucht und eine Korrelation zu mechanischen Kennwerten aus Single Lap Shear-Versuchen nachgewiesen. Im weiteren Verlauf wurden Vorhersagemodelle über den simulierten Temperaturzustand verschiedener Prozesskonfigurationen abgeleitet, trainiert und so die Fügequalität für mechanische Schweißfaktoren ⪆0,75 mit guter bis sehr guter Übereinstimmung vorhergesagt. Simulative Grundlage für die analytische Auswertung des Temperaturzustands ist ein neuer numerischer Modellierungsansatz auf Meso-Ebene für das elektrische Widerstandsschweißen, da die gängige makroskopische Modellierungsform mit homogenisierten Materialkennwerten die spätere Vorhersagegenauigkeit mindert. Dafür wurde das rein mechanische Mosaik-Modell nach Ishikawa um thermische und elektrische Freiheitsgrade erweitert. Die Simulationsergebnisse des so Modifizierten Mosaik-Modells (M³) wurden anhand thermischer und elektrischer Kennwerte validiert und lieferten höher aufgelöste Temperaturverteilungen mit besserer Übereinstimmung zum experimentell beobachteten Erwärmungsverhalten. Dabei wurde auch die Skalierbarkeit und Übertragbarkeit auf andere Matrix- und Druckstückmaterialien gezeigt.…
• Fibre-reinforced composites are increasingly replacing conventional metal alloys in aircraft structures, with the growing use of thermoplastic matrix materials opening up new possibilities with regard to material-bonding joining technologies. Today, the development of these new joining processes is usually based on experimental specimen manufacturing and subsequent evaluation of the test series through mechanical testing. This sequential approach is very resource-intensive in terms of time, money and materials, whereby process alternatives are often not considered and possible optimisation potentials are neglected. The joining quality produced depends largely on the thermal history of the joining partners. This can be modelled very well using modern FEM process simulations, but to date it has hardly been used to predict the mechanical strength. The motivation behind this work is to close this gap and contribute to shorter development times with reduced use of resources whileFibre-reinforced composites are increasingly replacing conventional metal alloys in aircraft structures, with the growing use of thermoplastic matrix materials opening up new possibilities with regard to material-bonding joining technologies. Today, the development of these new joining processes is usually based on experimental specimen manufacturing and subsequent evaluation of the test series through mechanical testing. This sequential approach is very resource-intensive in terms of time, money and materials, whereby process alternatives are often not considered and possible optimisation potentials are neglected. The joining quality produced depends largely on the thermal history of the joining partners. This can be modelled very well using modern FEM process simulations, but to date it has hardly been used to predict the mechanical strength. The motivation behind this work is to close this gap and contribute to shorter development times with reduced use of resources while simultaneously increasing the degree of digitalisation in the research of new joining technologies. For this reason, a new thermal-based quality factor – the so-called Sänger-factor – was introduced in this work, which quantifies the temperature state in the joining area using a linear regression approach of supervised learning over four temperature characteristics. This was used to investigate the hypothesis of a mechanical-thermal analogy in order to prove a correlation with mechanical characteristic values from single lap shear tests. In the further course, prediction models were derived and trained via the simulated temperature state of different process configurations and thus the joining quality for mechanical welding factors ⪆0.75 was predicted with good to very good agreement. The simulative basis for the analytical evaluation of the temperature state is a new numerical modelling approach at meso level for electrical resistance welding, as the conventional macroscopic form of modelling with homogenised material parameters reduces the subsequent accuracy of predictions. Therefore, the purely mechanical mosaic model according to Ishikawa was extended to include thermal and electrical degrees of freedom. The simulation results of the so Modified Mosaic Model (M³) were validated using thermal and electrical parameters and provided higher-resolution temperature distributions with better agreement with the experimentally observed heating behaviour. The scalability and transferability to other matrix and pressure piece materials was also demonstrated.…