Aus der Branche

Am Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau (AZL) in Halle 5A Stand D17 demonstriert das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA) vom 12.-14. März 2019 in Paris seine Kompetenzen in den Bereichen Glasfasern, Preforms und Carbon Composites.
Die Exponate stammen aus unterschiedlichen Anwendungsfeldern und adressieren die Branchen Automotive, Luft- und Raumfahrt und Maschinenbau.

1. Innovative Glasfaserforschung am ITA
   Der modulare Aufbau der neu entwickelten, induktiv beheizten Glasfaserproduktionsanlage ermöglicht hohe Flexibilität in der Forschung und das Induktionssystem eine deutlich schnellere Bedienbarkeit. Erstmalig werden am Stand des ITA Glasfasern live auf der JEC World hergestellt. Zu den Neuheiten der Anlage gehört das induktiv beheizte Bushing. Es hat ein flexibles Design und besteht aus einer Platin-/Rhodium-Legierung (Pt/Rh20) zum Einsatz für Hochtemperaturgläser. Die Glasfaserproduktionsanlage wurde so konstruiert, dass sich neue Konzepte und Ideen schnell erproben lassen.
    
2. DrapeCube – Umformung textiler Halbzeuge
   Der DrapeCube bietet eine kostengünstige Konstruktion zur Herstellung von Faservorformlingen aus textilen Halbzeugen. Er kommt zum Tragen bei der Fertigung von Preforms für Prototypen und in der Kleinserie und eignet sich für Unternehmen, die in der von faserverstärkten Kunststoffen (FVK) tätig sind.
   Bei der Produktion von FVK-Bauteilen wird im Preformingprozess ein Großteil der späteren Bauteilkosten definiert. In kleinen und mittelständischen Unternehmen wird dieser Prozessschritt oft noch manuell ausgeführt. Daraus resultieren hohe Qualitätsschwankungen und Bauteilpreise. Besonders bei hochbelasteten Strukturbauteilen führt die Qualitätsschwankung dazu, dass die Bauteile überdimensioniert sind. So wird das Leichtbaupotential von faserverstärkten Kunststoffen zu wenig genutzt.
   Eine Lösung bietet das aus der blechumformende Industrie adaptierte Stempelumformverfahren zur Formgebung von Verstärkungstextilien. Dabei wird das Textil zwischen zwei Formhälften (Patrize und Matrize) eingelegt und automatisiert umgeformt. Dieses Verfahren kommt aufgrund hoher Anlagen- und Werkzeugkosten fast ausschließlich in der Großserie zum Einsatz. Das ITA hat die Formgebungsstation DrapeCube entwickelt, die eine kostengünstige Alternative bietet und in der Lage ist, den aktuellen Stand der Technik für die Formgebung textiler Halbzeige vollständig abzubilden. Am Stand werden die Prozessschritte in einem Video demonstriert.
    
3. Kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK)-Preform
   Der CFK-Preform besteht aus Carbon-Multiaxial-Gelege, das durch expandiertes Polystyrol (EPS) umgeformt ist, um die Drapierqualität zu optimieren. Durch die schonende, textilgerechte Umformung mittels Schaumexpansion können Preforms in erhöhter Qualität hergestellt werden. Erstmalig wurde die Schaumexpansion genutzt, um Preforms so umzuformen, dass die Drapierqualität im Vergleich zur klassischen Stempelumformung verbessert wird.
   Die Vorteile des so umgeformten CFK-Preforms liegen in der Einsparung von Anlagenkosten, da das Investment viel geringer ist. Dazu wird der Verschnittanteil reduziert, weil eine endkonturnahe Fertigung ermöglicht wird. Darüber hinaus wird der Ausschuß verringert, da weniger Fehler im Textil entstehen.
   Zielgruppe sind die Hersteller von faserverstärkten Bauteilen, insbesondere für die Klein- und Mittelserie, bei denen die klassische Stempelumformung nicht wirtschaftlich ist.
    
4. Gestickter Preform mit integriertem Metallinsert
   Die 12k Carbonfaserrovings werden durch das Spezial-Stickverfahren Tailored Fibre Placement (TFP) zu einem Preform abgelegt. Beim weiteren Lagenaufbau wird der Insert nicht nur unter den Rovinglagen integriert, sondern durch zusätzliches Umschlaufen fixiert. Der hochintegrative Preformingansatz bietet die Möglichkeit zur Reduktion von Gewicht und Prozessschritten sowie zur Steigerung der mechanischen Performance.
   Bisher wurden Inserts geklebt oder es waren Bohrungen im Bauteil notwendig. Aufgeklebte Inserts sind durch die Klebefläche limitiert. Das Einkleben von Inserts in Bohrungen zieht hohe Bohrerabrasion und damit hohen Werkzeugverschleiß nach sich.
   Die Vorteile des gestickten Preforms mit integriertem Metallinsert bestehen in der Reduktion von Verschnitt durch TFP-Preforming und der Steigerung der spezifischen Ausreißkraft. Dazu besteht die Möglichkeit, die Herstellung integrativer Preforms zu automatisieren. Damit ist der Preform mit integriertem Metallinsert interessant für die Zielgruppe Automotive und Luft- und Raumfahrt.

• Mit einem Festakt haben Dr. Eva-Maria Stange, Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst des Freistaates Sachsen, Prof. Gerhard Rödel, Prorektor für Forschung der Technischen Universität Dresden, Prof. Hubert Jäger und Prof. Chokri Cherif am 02.11.2018 das Carbonfaser-Technikum des Research Center Carbon Fibers (RCCF) eröffnet.

Das RCCF, eine gemeinsame wissenschaftliche Einrichtung des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden, wurde gegründet, um die Carbonfasern vom Faserrohstoff bis zum fertigen Bauteil zu erforschen und neue Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten zu entdecken.

„Sachsen verfügt in der Schlüsseltechnologie Werkstoff-, Material- und Nanowissenschaft über hervorragende Rahmenbedingungen und hoch motivierte Wissenschaftler an Hochschulen und Forschungseinrichtungen, die in dieser Spezialisierung weltweit ihresgleichen suchen“, erklärt dazu Staatsministerin Dr. Stange. „Beinahe alle Materialklassen von Metallen, Polymeren, Keramiken bis hin zu Verbund- und Naturwerkstoffen werden auf international hohem Niveau bearbeitet. Dabei greifen Grundlagen- und Angewandte Forschung in zahlreichen Feldern eng ineinander und bilden geschlossene Entwicklungsketten bis zu einem Transfer in die Wirtschaft – regional, national und international.“

Der Prorektor für Forschung der TU Dresden, Prof. Gerhard Rödel, ergänzt: „Mit dem Carbonfaser-Technikum ist im Research Center Carbon Fibers eine weltweit einzigartige Anlage entstanden, die völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Es geht darum, Fasern mit einem möglichst hohen Individualisierungsgrad zu designen – je nach Bedarf und Einsatzbereich.“

Auf der derzeit installierten, einzigartigen Anlage erforschen Wissenschaftler des RCCF unter Reinraum-Bedingungen die Grundlagen für maßgeschneiderte Kohlenstofffasern und erschließen deren hohes Innovationspotential. Dabei greifen die Forscher auf einzelne Anlagenmodule zur Stabilisierung und Carbonisierung mit industrienahem Ofendesign und individuell einstellbaren Parameterkombinationen zurück. Durch den außerordentlichen Reinheitsgrad sind die Carbonfasern für die Anforderungen der Luft-/Raumfahrt- und der Automobilindustrie maßgeschneidert.

„Die Carbonfaser ist der Stahl des 21. Jahrhunderts“, führt Prof. Hubert Jäger, Sprecher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), aus. „Ganze Branchen erfinden sich derzeit durch diesen Werkstoff neu und erreichen mit ihren Produkten nie gedachte Dimensionen. Das Problem ist jedoch die Verfügbarkeit. Wir werden mit dem Carbonfaser-Technikum einen Beitrag dazu leisten, dass aus Sachsen heraus dieser Werkstoff nicht nur leichter verfügbar, sondern auch besser und maßgeschneidert einsetzbar wird für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugbau, Architektur und Hochleistungselektronik.“

„Mit der Inbetriebnahme des Carbonfaser-Technikums unter Reinraumbedingungen am RCCF gelingt es uns, die Prozesskette zur Fertigung maßgeschneiderter Kohlenstofffasern signifikant zu erweitern. Die notwendigen Maschinentechniken des ITM einschließlich der bereits gewonnenen Erfahrungen bei Prozessoptimierungen zur Herstellung von Precursorfasern, dem Ausgangsmaterial für die neuen Stabilisierungs- und Carbonisierungslinien, stehen in künftigen Forschungsvorhaben den Wissenschaftlern des RCCF zur Verfügung. Somit geben wir am exzellenten Forschungsstandort Dresden die Initialzündung für die weiterführende Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Kohlenstofffasern“, ergänzt Prof. Chokri Cherif, Direktor des ITM und Inhaber der Professur für Textiltechnik.

Das Carbonfaser-Technikum umfasst einen mehr als 300 m² großen Reinraum der Klasse ISO 8. Neben den beiden auf etwa 30 Metern aufgestellten Stabilisierungs- und Carbonisierungslinien sind weitere Flächen für künftige Erweiterungen der Gesamtanlage vorgesehen, zum Beispiel ein weiterer Hochtemperaturofen, in dem Carbonfasern bis zu Temperaturen über 2000°C graphitierbar sind oder unikale Beschichtungsanlagen zur Oberflächenaktivierung.

Die RCCF-Wissenschaftler ergründen die Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern, Faserstruktur und weiteren mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bei der Herstellung von Carbonfasern, um die Fähigkeiten des Hightech-Werkstoffes weiter zu steigern. Zusätzlich nehmen die Forscher die Entwicklung multifunktionaler Fasern mit neuartigen Eigenschaftsprofilen wie hohe Leitfähigkeit bei hoher Festigkeit oder ausgeprägter Verformbarkeit sowie die Nutzung erneuerbarer Ausgangsstoffe in den Fokus ihrer Arbeiten.

Ein weiterer Schwerpunkt der RCCF-Aktivitäten ist die tiefgreifende studentische Ausbildung im Bereich der Carbonfaser-Herstellung. Den Studierenden werden dabei fundierte Kenntnisse in Herstellung und Weiterverarbeitung von Carbonfasern vermittelt, damit sie in diesem Bereich der Zukunftstechnologien dem sächsischen und deutschen Arbeitsmarkt zur Verfügung stehen. Etwa 15 Studierende werden pro Jahr in Forschungsbereiche wie die Prozessführung, -modellierung und -überwachung sowie die Entwicklung, Fertigung und Charakterisierung neuer Carbonfasern und Verbundwerkstoffe einbezogen.

Zum Thema innovative Baumwollprodukte und -technologien trat CCI Executive Director Bruce Atherley auf der 34. Internationalen Baumwolltagung in Bremen als einer der Redner auf. Atherley informierte die Teilnehmer über CCI’s neue Initiative „WHAT’S NEW IN COTTON™?“ und diskutierte im Expertenforum über neue Chancen für innovative Baumwollprodukte. Im Fokus der diesjährigen Bremer Baumwoll-Konferenz standen die Handlungsfelder nachhaltige Baumwoll- und Textilproduktion, Traceability sowie innovative textile Prozesse. Mehr als 450 Baumwollexperten aus aller Welt nahmen an der Veranstaltung teil.

Innovative textile Prozesse, Rückverfolgbarkeit von Baumwolle und Qualitätstextilien waren nur einige der Themen, die zum Teil kontrovers im historischen Rathaus der Hansestadt Bremen diskutiert wurden. Die Non-Profitmarketingorganisation CCI, vertreten durch Bruce Atherley, referierte über neue Technologien für Textilien aus Baumwolle und Baumwollmischgeweben und zeigte innovative Ideen auf, die mit USA-Baumwolle realisiert werden.

Das vor sechs Monaten erstmals von COTTON USA vorgestellte Innovationsprogramm WHAT’S NEW IN COTTON™? setzt auf Kooperation mit Innovationsunternehmen, um innovative Lösungen für ein neues Leistungsspektrum der USA-Baumwolle zu entwickeln. Argaman Technologies aus Israel entwickelte ein Verfahren, dass Baumwolle vor dem Spinnprozess unter Zugabe von Kupferkomponenten in die Faser hautfreundlicher macht und die Regeneration der Hautzellen unterstützt. Dieses Verfahren bietet sich beispielsweise für Bettwäsche, Unterwäsche und auch in der Kosmetikindustrie an.

Im Rahmen der Bremer Experten-Sessions waren ‚Tracebility‘ also Rückverfolgbarkeit und Nachhaltigkeit wichtige Themen. Die US Baumwollindustrie konnte in Bremen über Ihre Vorreiterrolle berichten. Die USA verfügen über eines der umfassendsten Systeme zur Überwachung und Messung aller relevanten Metriken im Bereich Nachhaltigkeit. Grundlage sind die Daten des USDA und die Daten der Field-to-Market Plattform (2006 gegründete Multistakeholder-Initiative).

Den meisten US-Farmen sind Familienunternehmen, denen das Land gehört, welches sie bewirtschaften. Ihre Felder befinden sich seit Generationen im Familienbesitz. In Amerika wird zunehmend nach dem Modell der Präzisionslandwirtschaft unter Einsatz modernster Technologien gearbeitet, wodurch der ökologische Fußabdruck fortschreitend reduziert wird. In den USA fällt der Baumwollanbau unter die Gesetzgebung des Lebensmittelanbaus.US-Baumwollfarmer unterliegen daher den umfangreichsten und strengsten Anbau-Reglementierungen weltweit, deren Einhaltung kontrolliert wird. Bei Nichteinhaltung drohen massive strafrechtliche und zivilrechtliche Folgen.

In den letzen 35 Jahren erzielte die amerikanische Baumwollindustrie grosse ökologische Verbesserungen und somit eine stete Optimierung des Fußabdrucks. Bis heute wurde eine 31%ige Reduzierung der Anbaufläche erzielt, die für die Produktion von einem Pfund Baumwolle nötig ist. Der Bodenabtrag im Gleichgewicht mit der Humusbildung wurde um 44% reduziert. Ein um 82% minimierter Wassereinsatz wurde erzielt, d.h. mehr Fasern wurden mit einem Liter Wasser hergestellt. Der Energieverbrauch wurde um 38%, die Treibhausgas- Emission um 30% gesenkt. Nur ein Drittel der gesamten US-Baumwollernte wird heute noch zusatzbewässert. Zwei Drittel kommen mit natürlichem Regen- und Grundwasser aus. Gleichzeitig wurde der Kohlenstoffgehalt im Boden um 30% erhöht.

Am 3. April hat die IHK Heilbronn-Franken das Projekt GRAFAT mit dem Forschungstransferpreis 2017 in Silber ausgezeichnet. Dr. Andreas Schmidt, stellvertretend für das Team um Projektleiterin Dr. Bianca Wölfling am Hohenstein Institut für Textilinnovation gGmbH, und Dr. Thomas Schubert von der Heilbronner IOLITEC Ionic Liquids Technologies GmbH nahmen die mit 5.000 Euro dotierte Auszeichnung entgegen. Die IHK-Jury würdigte damit die gemeinsame Arbeit der beiden Projektteams, deren Ziel die Entwicklung einer neuartigen Graphen- Beschichtung ist, die sich gleichmäßig und dauerhaft auf Textilien aufbringen lässt. Durch seine flammhemmende Wirkung und superdünne Beschaffenheit bei gleichzeitig hoher Flexibilität und Bruchfestigkeit eignet sich Graphen beispielsweise für den Einsatz bei persönlicher Schutzausrüstung (PSA) für Feuerwehrleute. Im Gegensatz zu derzeit üblichen Beschichtungen verspricht Graphen verbesserte Flammschutz- und Trageeigenschaften und ist dabei wesentlich umweltfreundlicher.

Graphen ist eine einlagige Kohlenstoffschicht von der Dicke eines Atoms und hat die Form einer aus einzelnen Sechsecken bestehenden Honigwabe. Der transparente, nur unter einem Rasterelektronenmikroskop erkennbare Werkstoff ist extrem strom- und wärmeleitfähig, zugfester als Stahl und abriebbeständig. Während sich die Forschung bislang vor allem auf die Leitfähigkeit des Materials konzentriert hat, fand die Anwendung von Graphen im textilen Sektor kaum Beachtung. Im Rahmen eines EU-Forschungsvorhabens beschäftigen sich die Hohenstein Wissenschaftler und die Firma IOLITEC im deutschen Teilprojekt GRAFAT seit 2015 mit der „Oberflächenmodifizierung von Textilien mittels Graphen“. Während IOLITEC für die Überführung verschiedener Graphen-Modifikationen in stabile wässrige Dispersionen verantwortlich zeichnet, untersuchen die Hohenstein Experten, wie sich unterschiedliche textile Oberflächen mit den wässrigen Lösungen dauerhaft ausrüsten lassen. Darüber hinaus wird in Hohenstein die Eignung der Graphen-Beschichtung für Hitzeschutzbekleidung ermittelt.