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Dresden - Dresdner Forscher wollen eine völlig neue Werkstoffklasse entwickeln, bei der Aktoren und Sensoren in flexible Faserverbundwerkstoffe integriert werden. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bewilligte dazu das neue Graduiertenkolleg 2430 „Interaktive Faser-Elastomer-Verbunde“ an der TU Dresden in Kooperation mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden. Sprecher ist Prof. Chokri Cherif vom Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden. In den nächsten 4,5 Jahren werden neben Sach- und Projektmittel insgesamt 11 Doktorandinnen und Doktoranden in 11 interdisziplinären Teilprojekten gefördert.
Ziel ist die simulationsgestützte Entwicklung intelligenter Werkstoffkombinationen für sogenannte autarke Faserverbundwerkstoffe. Dabei werden Aktoren und Sensoren in die Strukturen integriert und müssen nicht mehr wie bisher nachträglich platziert werden. So werden die Systeme robuster, komplexe Vorformungsmuster lassen sich an der gewünschten Stelle maßgeschneidert einstellen – und zwar reversibel und berührungslos. Zu diesem Themenbereich wird an der TU Dresden und insbesondere auch am ITM seit Jahren intensiv geforscht.

Faserverbundwerkstoffe werden aufgrund der hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten sowie der Möglichkeit zur maßgeschneiderten Einstellung dieser Eigenschaften immer stärker in bewegten Komponenten eingesetzt. Durch die Integration adaptiver Funktionalitäten in derartige Werkstoffe, entfällt die Notwendigkeit einer nachträglichen Aktorplatzierung und die Robustheit des Systems wird signifikant verbessert. Besonders vielversprechend sind dabei Aktoren und Sensoren auf textiler Basis, wie sie am ITM erforscht und entwickelt werden, da diese direkt im Fertigungsprozess in die Faserverbundwerkstoffe integriert werden können.

Der innovative Ansatz besteht darin, die heute nicht verfügbare Werkstoffklasse der interaktiven Faser-Elastomer-Verbunde (I-FEV) mit strukturintegrierter Aktorik und Sensorik zu schaffen und wissenschaftlich zu durchdringen. Die Entwicklung von I-FEV erlaubt beispielsweise die geometrischen Verformungsfreiheitsgrade von mechanischen Bauteilen reversibel und berührungslos einzustellen und so sehr schnell und präzise auf variable Anforderungen der Umwelt zu reagieren.

Mit ihren innovativen Eigenschaften sind interaktive Faser-Elastomer-Verbunde für zahlreiche Anwendungsfelder im Maschinen- und Fahrzeugbau, in der Robotik, Architektur, Orthetik und Prothetik prädestiniert: Beispiele sind Systeme für präzise Greif- und Transportvorgänge (z.B. bei Handprothesen, Verschlüssen und verformbaren Membranen) und Bauteile (z.B. Trimmklappen für Land- und Wasserfahrzeuge).

M. Sc. Niklas Minsch von der Daimler AG und externer Doktorand am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden wurde für seine Entwicklungen zum Thema "Ultra-Leichtbau-Betriebsmittel aus generischen Faserverbundstrukturen - FibreTEC3D" am 10. Oktober 2017 mit dem handling award 2017 in der Kategorie "Handhabung und Montage" (1. Preisträger) im Rahmen der Messe "Motek" in Stuttgart ausgezeichnet.

Mit FibreTEC3D stellt Herr Niklas Minsch einen Greifer-/Betriebsmittelmodulbaukasten vor und errang in der Kategorie „Handhabung und Montage“ den ersten Platz. FibreTEC3D ist ein komplett neu entwickeltes Herstellungsverfahren für Kohlefaserkunststoffverbunde.

Essenziell dafür ist die dreidimensionale kernlose Wickeltechnik, welche in der Tec-Fabrik von Daimler in Kooperation mit dem ITM der TU Dresden im Rahmen der Promotion von Herrn Minsch entwickelt wurde. Dieses generative Fertigungsverfahren ermöglicht eine werkzeugfreie, flexible Ablage von Kohlefasersträngen im Raum, wodurch ein maximaler Leichtbaugrad bei minimalen Kosten und höchster Flexibilität erreicht werden kann.

Mit dem handling award wurden herausragende Produkte und Systemlösungen im Bereich der Fertigungs- und Montageautomatisierung sowie Neuerungen in den Fachgebieten Handhabungstechnik, Robotik, Materialfluss- und Fördertechnik prämiert. Während der Feierstunde übergab Prof. Dr.-Ing. Jörg Franke vom Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg sowie Vorstandsmitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Montage, Handhabung und Industrierobotik (MHI) als Laudator die Preise gemeinsam mit Herrn René Khestel, Geschäftsführer der WEKA BUSINESS MEDIEN GmbH, Herausgeber der Fachzeitschrift handling.

Ob im Maschinenbau, in der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt – dem Leichtbau kommt für die Zukunft dieser Industriebereiche eine entscheidende Bedeutung zu. Leichtere und steifere Bauteile bewirken eine Verminderung des Treibstoffverbrauchs und führen zur Einsparung von Treibhausgasen. „In der Verarbeitung von Leichtmetallen wie Aluminium bei Gussverfahren sind wir heute allerdings an der Grenze des physikalisch Möglichen angelangt“, erläutert Cornelia Sennewald, Ingenieurin an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. „Der nächste Qualitätssprung zu noch einmal deutlich leichteren und dabei 2 zugleich stabileren Strukturen führt über die Herstellung sogenannter metallischer Zellen. Dabei werden Drähte so ineinander verwoben, dass superfeste Verbindungen bei gleichzeitig minimalem Materialeinsatz entstehen.“

Die noch junge Werkstoffklasse der sogenannten zellularen metallischen Materialien besitzt außerordentliches Potenzial – wobei bislang das Problem bestand, diese Zellen kostengünstig und in industriellem Maßstab zu produzieren. Sennewald gelang es im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Technischen Universität Dresden, ein neuartiges Verfahren zu entwickeln und diese komplexen 3D-Strukturen auf handelsüblichen Webmaschinen herzustellen. „Dank des neuen Verfahrens konnte ich Metallfäden und -drähte statt in den üblichen 2D-Strukturen auch zu 3D-Strukturen verbinden, und zwar in ganz unterschiedlichen Größen und Formen“, erläutert Sennewald. „Außerdem gelang es mir – das war ein zweiter großer Schritt nach vorn –, andere Leichtbaustoffe wie Carbon-Fasern mit zu verweben, was ganz neue Einsatzmöglichkeiten eröffnet.“ Die hybride Verbindung von Metallen und Kunststoffen bietet ein weiteres breites Spektrum ableitbarer Anwendungen. „Wir denken an Crash-Elemente, die eine extrem hohe Steifigkeit besitzen und zudem hohe Temperaturen aushalten. Wir könnten auf diese Weise beispielsweise die Betonstrukturen von Gebäuden verstärken, um sie widerstandsfähiger gegen Erdbeben zu machen. Oder sie besser gegen Explosionen schützen. Bei bestehenden Gebäuden könnte hier ein entsprechender Materialauftrag infrage kommen, bei Neubauten könnten die von uns entwickelten zellularen Webstrukturen gleich mit in den Bau einbezogen werden.“