Forschungspublikationen

19.10.2022

ENTWICKLUNG UND VALIDERUNG EINES AUF TEXTIL GEDRUCKTEN DRUCK-SENSORS, FÜR DIE ANWENDUNG BEI EXOSKELETTEN

Veredlung Sensorik Smart Textiles

Zusammenfassung

Bericht

Einleitung

Exoskelette werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt. Zum Heben von schweren Lasten, die ohne Exoskelett nicht zu bewältigen wären, bis zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten, die durch einen Unfall eine Einschränkung in ihrer Bewegungsunfähigkeit besitzen. Im Alltag jedoch finden Exoskelette kaum Anwendung. Ein Grund dafür ist unter anderem die umständliche Steuerung. Viele Modelle nutzen eine Auswahl an Bewegungsmodi, die durch Knopfdruck eingestellt werden. Dadurch lässt sich kein dynamischer Bewegungsablauf erreichen. Werden Sensoren für die Steuerung verwendet, sind diese entweder zu langsam, sodass kein natürlicher Bewegungsablauf möglich ist, oder es ist nötig Elektroden direkt auf der Haut zu platzieren. Das erfordert einerseits eine hohe Präzision bei der Anbringung der Elektroden und andererseits kann der direkte Hautkontakt als unangenehm empfunden werden. [1]

Experimentieller Teil

Das Ziel dieses Forschungsansatzes ist die Entwicklung einer Drucksensormatrix, die in der Lage ist, sowohl unterschiedliche Druckbelastungen zu unterscheiden als auch die Druckbelastung räumlich abzugrenzen. Dazu wird das kapazitive Drucksensorprinzip verwendet, siehe Abbildung 1.

Der Aufbau des kapazitiven Drucksensors basiert auf dem Prinzip des Plattenkondensators. Dabei fungiert das Textil als Dielektrikum. Auf dem Textil werden Kondensatorplatten aus leitfähiger Tinte auf das Textil gedruckt, sodass der Aufbau eines Plattenkondensators entsteht. Bei Ausübung von Druck auf den Aufbau verringert sich der Plattenabstand d, wodurch sich die gemessene Kapazität erhöht. Diese Kapazitätsänderung wird gemessen, um Rückschlüsse auf die ausgeübte Kraft zu ziehen.

Für die Drucksensormatrix wird die Entwicklung dieser in drei (I bis III) aufeinander aufbauende Schritte unterteilt, siehe Abbildung 2.

Im ersten Schritt (I) wird das Textil für die Herstellung der Drucksensoren ermittelt. Dazu wird die relative Permittivität von einer Auswahl an Textilien bestimmt und das Textil mit der höchsten relativen Permittivität ausgewählt. Mit dem ausgewählten Textil erfolgt im zweiten Schritt (II) die Validierung des Drucksensorprinzips, indem einzelne Drucksensoren hergestellt und ausgemessen werden. Zusätzlich dazu wird der Einfluss der Kondensatorplattengröße und Textildicke auf die gemessene Kapazität untersucht, indem diese variiert werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird im dritten Schritt (III) der einzelne Drucksensor auf eine Drucksensormatrix erweitert.

Ergebnisse

Durch die Erweiterung des einzelnes Drucksensors auf eine Drucksensormatrix ist es möglich, sowohl unterschiedlich starke Belastungen zu unterscheiden als auch diese räumlich abzugrenzen, siehe Abbildung 3.

Dabei wird das Feld 3|3 (oben rechts) stärker belastet als das Feld 3|1 (unten links), wie durch die unterschiedliche Größe der Gewichte veranschaulicht (Abbildung 3, links). In der Matrix (Abbildung 3, rechts) ist die Differenz zwischen dem unbelasteten Zustand dargestellt und dem belasteten Zustand dargestellt.

Diskussion

Die Ergebnisse der Drucksensormatrix zeigen, dass es möglich ist sowohl unterschiedliche Druckbelastungen zu erkennen als auch diese räumlich abzugrenzen. Allerdings ist auch ein Ausschlag bei einigen nicht belasteten Feldern zu beobachten. Ein Grund ist das die Felder sich untereinander beeinflussen. Zusätzlich ist kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Messkabeln zu beobachten, sodass sich durch eine relative Verschiebung dieser zueinander, die gemessene Kapazität verändert. Aus diesem Grund sind auch Ausschläge für unbelastete Felder zu beobachten.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Drucksensormatrix entwickelt und die Funktionsweise validiert. Der Drucksensor ist in der Lage unterschiedliche Belastungen zu unterscheiden. Durch den Aufbau einer Drucksensormatrix ist es möglich die Belastung räumlich abzugrenzen.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz für die Förderung des Forschungsprojektes im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).

AutorInnen: Kevin Lengefeld, Autor, Tobias Lauwigi, Co-Autor, Robert Boich, Co-Autor, Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University Arbeitsgruppenleiter:Akram Idrissi – Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

ITA Institut für Textiltechnik
Otto-Blumenthal-Str. 1
52074 Aachen

Mobiltech Smarttech Sensor

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30.09.2022

DigiPEP: Components designed according to the load path

Composites Technische Textilien

Zusammenfassung

Developing components made of fibre-reinforced plastics, is often performed with the focus on the lightweight construction aspect. For this purpose, the occurring load cases are determined on the basis of the boundary conditions and forces. Afterwards, the component is designed accordingly. If this intention is taken even further, the method is usually assigned to the field of Tailored Textiles. Tailored Textiles are, as the term suggests, textiles that are manufactured to suit the application. This also includes the Tailored Fibre Placement (TFP) process.

Bericht

During the product engineering process (PEP) of fibre composite components made from TFP preforms, a large number of iterations is necessary to ensure the desired properties in the finished component. Especially the interaction of the different process steps from roving deposition, draping to infusion and the occurring interactions complicate the component design. In order to link the required design processes and thus reduce the number of iterations as much as possible, the Model Based Systems Engineering (MBSE) approach is used in the DigiPEP project (see Fig. 1). This approach makes it possible to integrate the different models and assign tasks to individual responsible persons. The overall aim is to create a model with a user interface that requires only the most important boundary conditions and decisions from the responsible person. Models for structural analysis, stick path design, topology optimisation, draping and failure analysis of the finished component are to be integrated into the model. Furthermore, a cost estimation as well as a form of life cycle analysis shall be enabled. The generated model will be validated by the design of a demonstrator component. This demonstrator component can be located in the field of future transport and production.

The two-year project is funded by the Federal Ministry of Economics and Climate Protection (BMWK) as part of the Lightweight Construction Technology Transfer Programme under funding number 03LB3063A. The following partners are involved in the project: EDAG Group, Digel Sticktech GmbH & Co. KG, ModuleWorks GmbH, Ph-MECHANIK GmbH & Co. KG, adesso SE.

AutorInnen: Rebecca Emmerich, Till Quadflieg

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Germany

Sporttech Mobiltech

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29.09.2022

Servicekonzept für Scheren: Projektvorhaben InfiniCut

Textilmaschinenbau

Zusammenfassung

Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt auf der Entwicklung eines alternativen Servicekonzepts für Scheren. Die intelligente Verschleißvorraussage über Modelle und integrierte Mikrochips erlaubt in Zukunft den Verkauf von Schnittleistung anstelle von Scheren. Gleichzeitig wird die Lebensdauer der Scheren durch rechtzeitiges Schleifen erhöht.

Bericht

Ein zentraler Bestandteil bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserver-bundkunststoffen (FVK) stellt der Zuschnitt von textilen Halbzeugen aus teuren Hightech-Materialen wie Kohlenstoff-, Aramid-, und Glasfasern dar. Der manuelle Zuschnitt mit handgeführten Schneidwerkzeugen erfolgt sowohl bei kleinen Unternehmen als auch bei Konzernen wie zum Beispiel beim Zuschnitt von Textilien für Rotorblätter von Windkrafträdern.

Die hochabrasiven Verstärkungsfasern verursachen in Abhängigkeit der individuellen Textil- und Fasereigenschaften einen hohen Verschleiß der Werkzeuge. Dadurch steigt die Schnittkraft über die Einsatzzeit kontinuierlich an, während die Schnittqualität abnimmt. Die Erfassung des Verschleißes erfolgt aktuell primär durch das subjektive Gefühl des Bedieners, wie groß die Schnittkraft ist, die aufgebracht werden muss. In der Praxis werden die Werkzeuge folglich über ihren Verschleißpunkt hinaus betrieben. Bei einer rechtzeitigen Wartung müssen die Scheren wesentlich weniger intensiv nachbearbeitet werden, was zu erheblich längeren Lebenszeiten und auch zur Kostenreduktion beiträgt.

Ziel des laufenden Projekts InfiniCut ist die Ermöglichung von modernen Servicekonzepten, die dem Anwender kurz vor einem kritischen Verschleiß automatisch ein überholtes Werkzeug schickt. Dies ist aktuell nicht möglich, da der vorliegende Verschleiß über geeignete Größen, wie die Schnittkraft, kontinuierlich gemessen werden müsste.

Das Projekt InfiniCut erforscht eine andere, geeignetere Möglichkeit, die auf der modellbasierten Vorhersage des Verschleißes basiert. Hierfür werden für verschiedene Scheren und Materialkombinationen die Kraft-Weg Diagramme während der Schneidevorgänge über die Lebenszeit aufgezeichnet. Gleichzeitig wird optisch die Schnittqualität und der Schneidenverschleiß überwacht, bis diese an eine vom Hersteller definierte Grenze stoßen. Über die Erfassung der Anzahl durchgeführter Schnitte und der durchschnittlichen Schnittlänge kann der Verschleiß in Abhängigkeit des bearbeiteten Materials vorhergesagt und der optimale Wartungszeitpunkt eingehalten werden. Zur Umsetzung wird im laufenden Projekt von der Firma Miltronik Steuer- und Leistungselektronik GmbH & Co. KG ein schnittzählender Mikrochip entwickelt, der von der Firmal Robuso-Stahlwarenfabrik Buntenbach & Sohn GmbH in die Schere integriert wird. Die Modellentwicklung liegt beim Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University.

Das Forschungsvorhaben InfiniCut (KK5055917) wird am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), der Firma Miltronik Steuer- und Leistungselektronik GmbH & Co. KG. und der Firma Robuso-Stahlwarenfabrik Buntenbach & Sohn GmbH durchgeführt. Es wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e. V. gefördert.

AutorInnen: Santino Wist

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

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29.09.2022

Nachhaltige Faserverbundlösungen: Projektvorhaben NFK Federbein

Fasern Composites Nachhaltigkeit

Zusammenfassung

Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt auf der Simulation, dem Design, der Auslegung und Herstellung eines Federbeins für ein Ultraleichtflugzeug aus Naturfasern. Das Projekt soll die Machbarkeit eines Strukturell ausgelegten Bauteils mit ausgeprägten Lastfällen aus Naturfasern unter Beweis stellen und die Nachhaltigkeit des Konzepts überprüfen.

Bericht

Der Markt für nachhaltige Faserverbundlösungen ist besonders interessant für kleine und mittelständische Firmen, weil die Sensibilität für das ökologische Bewusstsein und der Wunsch nach nachhaltigen und zugleich hochwertigen Lösungen in Europa und insbesondere in Deutschland im internationalen Vergleich stark ausgeprägt ist. Gleichzeitig sind Naturfaserkunststoffe derzeit noch ein Nischenmarkt und der sich von Produkten abhebt, die ausschließlich über den günstigsten Preis verkauft werden. Folglich unterliegt dieser Markt weniger der Konkurrenz- und dem Preiswettbewerb aus Niedriglohnländern, beziehungsweise Großunternehmen, die über entsprechend große Stückzahlen, Skaleneffekte realisieren.

Ziel des Projekts ist die Nutzbarmachung von naturfaserverstärktem Kunst-stoff (NFK) mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften für Strukturbauteile am Beispiel eines Federbeins für ein Ultraleichtflugzeug. Hierdurch soll eine ökologische Alternative zu konventionellem Leichtbaumaterial, wie Aluminium und Verbundwerkstoffen auf Basis von Glas- und Carbonfasern, bereitgestellt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, gliedert sich das Projekt in die Teilschritte: Computergestützte Auslegung des Strukturbauteils mittels FEA-Methoden, lastfalloptimierte Fertigung des Bauteils und Validierung im Feldtest. Dies erfolgt exemplarisch anhand eines Federbeins für ein Leichtbauflugzeug der Firma Viethen.

Der im Projekt gewählter Ansatz hat ein Ziel, eine kosten- und zeiteffiziente Methode für die Entwicklung von hochbeanspruchten Leichtbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit Verstärkung aus nachwachsenden Rohstoffen zu zeigen. Der Ansatz soll die Anreize für weitere Wirtschaftszweige geben, nachwachsende Rohstoffe durch abschätzbare Eigenschaften und Kostenstruktur in deren Produkten öfters zu verwenden. Darüber hinaus kann diese Projektmethode für bereits vorhandene Werkstoffkombinationen mit Verstärkung aus Glas- sowie Kohlenstofffasern angewendet werden und zu Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung beitragen.

Projektpartner
CompDesE, Firma Viethen

Das Forschungsvorhaben NFK-Federbein (UW-01-054B) wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), der Firma Viethen und der Firma CompDesE GmbH durchgeführt. Es wurde von der Landesregierung Nordrhein-Westfalen im Sonderprogramm Umweltwirtschaft im Rahmen der Corona-Hilfe gefördert.

AutorInnen: Santino Wist

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Naturfasern Strukturbauteil LCA

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29.09.2022

Projekt CoopLaserJoining

Composites Textilmaschinenbau Recycling

Zusammenfassung

Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt auf der Verbesserung der Multimaterialverbindungen von recyceltem Carbon mit Aluminium und der Entwicklung eines intelligenten Strahlschalters zur Betreibung von parallelgeschalteten Laserprozessen mit einer Laserquelle.

Bericht

Mit der Weiterentwicklung der Elektromobilität wird der Bedarf der Automobilindustrie an Leichtbaukomponenten immer deutlicher. Die Leichtbauteile werden benötigt, um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und damit die Reichweite zu erhöhen. Gleichzeitig steigt mit der jährlichen Wachstumsrate von 11% bei carbonfaserverstärkten (CFK) Verbundwerkstoffen die Sorge um die Entsorgung bzw. Wiederverwendung von Carbonfasermaterialien speziell aus der Automobilindustrie. Denn nach EU-Regelung müssen 85 Prozent des im Automobil verbauten Materials wiederverwendet werden und 95 Prozent recyclingfähig sein. Im Multimaterialbau stehen die Fügestellen im Fokus. Fügestellen sind kritische Bereiche für die mechanischen Eigenschaften des Konstrukts, behindern aber gleichermaßen die Materialtrennung am Lebensende und erschweren damit das Recycling.

Ziel des Vorhabens von CoopLaserJoining ist die Entwicklung modernster Laserbearbeitungs- und Fügetechnologien für rezyklierbare Carbonfaserverbundwerkstoffe für den Einsatz in Automobilkarosserieteilen. Zur Erhöhung der Produktivität der Laserbearbeitungsprozesse wird ein intelligenter Strahlschalter entwickelt, welcher die vorhandene Laserleistung auf zwei oder mehr Bearbeitungsköpfe aufteilt. So kann die Zykluszeit für die Lasermaterialbearbeitung in beiden Fügeprozessen mindestens halbiert werden und erhöht so Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit der Laserprozesse.
Hierbei konzentriert sich das Projektkonsortium auf die Einbringung von Krafteinleitungselementen mittels Ultrakurzpuls (UKP)-Laserbohren in Preforms zur Erhöhung der Haftfestigkeit und Verkürzung der Prozesskette. Außerdem erlauben lösbare Verbindungen eine Verbesserte Trennbarkeit der Materialien und schaffen somit die Voraussetzung zum einfachen Recycling der Materialien.

Das Vorhaben wird am Beispiel der Automobilindustrie für die kostenorientierte Massenproduktion durchgeführt. Ein Aluminium-Leichtbaurahmen wird mit verschiedenen CFK-Komponenten verstärkt. Die Dauerfestigkeit und Belastbarkeit der Bauteile wird im Wesentlichen durch die Fertigungstechnologie sowie die Technik des Verbindens der CFK-Bauteile mit dem Aluminium-rahmen bestimmt. Die Festigkeit der resultierenden Verbindungen wird durch Belastung bis zum Versagen bewertet. So ist es möglich, für unter-schiedliche Funktionsteile eine optimierte Fertigungs- und Fügetechnik zu identifizieren und den Fügeprozess an die spezifischen Anforderungen anzupassen.

Projektbeteiligte
Fraunhofer Institut für Lasertechnik, Amphos GmbH, Seoul National University of Science and Technology, Sungwoo Hitech CO., LTD.

Das Forschungsvorhaben CoopLaserJoining (01DR21026B) wird am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) und der Firma Amphos GmbH durchgeführt. Es wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme IB-Asien gefördert.

AutorInnen: Santino Wist

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

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29.09.2022

DigiPEP: Lastpfadgerecht-ausgelegte Bauteile

Composites Technische Textilien

Zusammenfassung

Bei Entwicklungen von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen steht häufig der Leichtbauaspekt im Vordergrund. Dazu werden die auftretenden Lastfälle anhand der Randbedingungen und Kräfte bestimmt und anschließend das Bauteil entsprechend ausgelegt. Wird dieser Ansatz noch weiter ausgereizt, so wird die Methode meist den Tailored Textiles zugeordnet. Tailored Textiles sind, wie es der Begriff bereits vermuten lässt, Textilien, die auf den Anwendungsfall abgestimmt hergestellt werden. Dazu gehört ebenfalls das Tailored Fibre Placement (TFP) Verfahren.

Bericht

Während des Produktentstehungsprozesses (PEP) von Faserverbundbauteilen aus TFP-Preforms ist eine Vielzahl von Iterationen notwendig um die gewünschten Eigenschaften im fertigen Bauteil zu gewährleisten. Vor allem das Zusammenspiel der verschiedenen Prozessschritte von der Roving-Ablage, der Drapierung bis hin zur Infusion und die auftretenden Wechselwirkungen erschweren die Bauteilauslegung. Um die benötigten Auslegungsprozesse zu verknüpfen und so die Anzahl der Iterationen möglichst zu reduzieren wird im Rahmen des DigiPEP-Projektes der Model Based Systems Engineering (MBSE) Ansatz verwendet (siehe Abb. 1). Dieser Ansatz ermöglicht eine Integration der verschiedenen Modelle und eine Zuordnung der Aufgaben zu einzelnen Verantwortlichen. Insgesamt soll somit ein Modell mit einem User Interface entstehen, das nur die wichtigsten Randbedingungen und Entscheidungen von dem jeweiligen Verantwortlichen erfordert. In das Modell sollen Modelle zur Strukturanalyse, Stickpfadauslegung, Topologie-Optimierung, Drapierung und Versagensanalyse des fertigen Bauteils integriert werden. Darüber hinaus soll eine Kosteneinschätzung sowie eine Form der Lebenszyklusanalyse ermöglicht werden. Um die verschiedenen Modelle zu erzeugen und eine Datenbasis aufzubauen, wird u.a. das Ablageverhalten verschiedener Materialien untersucht sowie mechanische Prüfungen an Probenkörper durchgeführt. Dabei werden die Produktionsparameter variiert, um deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Diese Variation wird ebenfalls zur Untersuchung des Drapierverhaltens verwendet. Zur Repräsentation des Drapierverhaltens im Modell soll eine Datenbasis aus qualitativen Versuchen erzeugt und mittels Künstlicher Intelligenz in das MBSE-Modell integriert werden.

Das erzeugte Modell wird anhand der Auslegung eines Demonstrator-Bauteils validiert. Dieses Demonstrator-Bauteil stammt aus dem Bereich des zukünftigen Transportes und der Produktion der Zukunft. Das erzeugte MBSE-Modell soll durch das erstellte Userinterface einfach bedienbar sein. Als Einsatzgebiet zielt das Projekt besonders auf KMU ab, um für diese den Einsatz der TFP-Technologie zu vereinfachen und die Auslegung neuer Bauteile zu beschleunigen. Darüber hinaus wird angestrebt durch die Software eine grobe Kosten- sowie Nachhaltigkeitsabschätzung zu ermöglichen. Damit kann der Anwender vor der genaueren Planung bereits erste Aussagen gegenüber dem Kunden treffen.

Das auf zwei Jahre ausgelegte Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Technologietransferprogramms Leichtbau unter der Fördernummer 03LB3063A gefördert. An der Bearbeitung sind die folgenden Partner beteiligt: EDAG Group, Digel Sticktech GmbH & Co. KG, ModuleWorks GmbH, Ph-MECHANIK GmbH & Co. KG, adesso SE.

AutorInnen: Rebecca Emmerich, Till Quadflieg

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Sporttech Mobiltech

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29.09.2022

Patientenindividuelle Textilimplantate: Gewirkte Maschenwaren in Losgröße 1-Fertigung

Gestricke & Gewirke Technische Textilien

Zusammenfassung

Die patientenorientierte Gesundheitsversorgung macht die Individualisierung der Medizin unabdingbar. Dies erfordert Fortschritte in der Patientenindividualisierung, insbesondere durch die Medizintechnik, um den gewünschten Therapieerfolg zu erzielen. Dem steht aus technischer und wirtschaftlicher Sicht die Forderung nach einer wirtschaftlichen und reproduzierbaren Herstellung von Produkten mit der Losgröße 1 gegenüber, die mit innovativen textilen Herstellungsverfahren erfüllt werden kann.

Bericht

Einleitung
Der demografische Wandel und ein zunehmend ungesunder Lebensstil in der westlichen Welt führen zu einer stetig steigenden Zahl von Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und stellen die moderne Medizin vor große Herausforderungen. Mit der zunehmenden Zahl von Behandlungen steigt auch die Zahl der Patienten, die aufgrund ihrer individuellen Anatomie oder Physiologie für eine Behandlung mit Standardprodukten nicht geeignet sind. Dies betrifft etwa 40% aller Patienten der jährlich in Deutschland durchgeführten rund 21.000 endovaskulären Behandlungen von Aortenaneurysmen. Eine patientenorientierte Gesundheitsversorgung macht daher eine Individualisierung der Medizin notwendig [2]. Dies erfordert auch ein Fortschreiten der Patientenindividualisierung durch die Medizintechnik, um den gewünschten Therapieerfolg zu erzielen. Diese individualisierten Implantate sollten exakt auf die spezifische Anatomie des Patienten zugeschnitten sein und auf Basis eines medizinischen Bilddatensatzes in Losgröße 1 hergestellt werden. Auf diese Weise wird eine Versorgung der lebenswichtigen Abgänge der Aorta gewährleistet. Aus technischer und wirtschaftlicher Sicht steht der Individualisierung die Bedingung einer wirtschaftlichen und reproduzierbaren Herstellung von Produkten mit Losgröße 1 gegenüber. Diese Anforderungen können mit innovativen textilen Fertigungsverfahren erfüllt werden. Die Kettenwirktechnik im Allgemeinen und die Jacquard-Wirktechnik im Besonderen erfüllen die notwendigen Anforderungen, sind aber in hohem Maße bedienerabhängig. Das enorme Potenzial der Jacquard-Wirktechnologie für die Herstellung von textilen Implantaten wird derzeit nicht genutzt, da keine Erfahrungen über die Zusammenhänge des Wirkprozesses vorliegen und keine Konstruktionswerkzeuge existieren, die diese Zusammenhänge adäquat beschreiben. Die am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) im Projekt "IndiTexPlant" erzielten Ergebnisse bieten erstmals die Möglichkeit, das virtuelle Produktdesign in Kombination mit der Jacquard-Stricktechnologie in eine digitale Produktentwicklung vom medizinischen Bilddatensatz über das Topologiemodell der rekonstruierten Produktgeometrie bis hin zur Ableitung der Musterung für das textile Produkt zu übertragen (siehe Abbildung 1).

AutorInnen: Tobias Lauwigi Author, Kai-Chieh Kuo Co-Author

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Medtech Textilimplantat Medizin

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29.09.2022

TapeCheckSim: Aktive Fehlervermeidung durch kontinuierliche, zerstörungsfreie Qualitätsanalyse von UD-Tapes für Tape-Legeprozesse

Fasern Composites Textilmaschinenbau

Zusammenfassung

(Faserverbundwerkstoffe): Das Projekt adressiert die Fehleranfälligkeit von Tape-Legeprozessen. Produktionsstillstand und Produktausschuss werden aktiv vermieden. Dies fördert die Attraktivität automatisierter und verschnittarmer Herstellungsprozesse von FVK.

Bericht

Defizite aktueller Qualitätssicherungssysteme für Tape-Legeprozesse
In den letzten Jahren wurden Online-Qualitätssicherungssysteme für Automated Tape Laying (ATL) bzw. Automated Fiber Placement (AFP) Prozesse im Rahmen akademischer und industrieller Forschungsprojekten entwickelt, um die Produktivität dieser Prozesse zu steigern. Diese Systeme erfassen während der automatischen Faserablage entstandene Fehler, wie beispielsweise Gassen, Überlappungen und Falten. Allerdings können Fehler erst erkannt werden, wenn diese bereits abgelegt wurden. Eine aktive Fehlervermeidung ist mit diesen Ansätzen nicht möglich.

Auf Basis der Online-Daten dieser Qualitätsüberwachungsystemen wurden „In-situ“-Simulationsansätze entwickelt, die die "as-built"-Eigenschaften eines abgelegten Bauteils simulieren. Damit wird eine Entscheidung ermöglicht, ob ein entstandener Fehler im abgelegten Laminat verbleiben kann oder entfernt werden sollte. Da die Daten während des Ablegeprozesses erfasst werden, stehen jedoch nur sehr kurze Simulationszeiten zur Verfügung, wodruch eine genaue Vorhersage der Bauteileigenschaften erschwert wird. Ein weitere Nachteil dieser Systeme ist, dass sie zwar Defekte im Laminat bzw. Preform, aber nur in sehr begrenztem Umfang Defekte im Eingangsmaterial (z. B. Abweichung des Faservolumenanteils, geometrische Toleranzen) erkennen können. Dies ist insbesondere für thermoplastische Prepreg-Tapes entscheidend. Diese weisen deutlich häufiger Materialfehler auf als etablierte und ausgereifte Epoxid-basierte Prepreg-Tapes. Im Gegensatz zu Epoxid-Prepreg-Tapes werden materialbedingte Defekte (z. B. Porosität) zudem bei der laser-basierten In-situ-Konsolidierung von thermoplastischen Tapes durch den Entfall einer nachgeschalteten Autoklavkonsolidierung nicht mehr kompensiert. Daher ist die Materialqualität von thermoplastischen Prepreg-Tapes von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Prozesstabilität und Laminatqualität zu erreichen.

Aktive Fehlervermeidung durch kontinuierliche, zerstörungsfreie Qualitätsanalyse von UD-Tapes
Ziel des TapeCheckSim-Projektes ist es, das Auftreten von materialbedingten Fehlern bei der automatisierten Faserablage von thermoplastischen Prepreg- und Trockenfaser-Tapes zu vermeiden. Dies wird durch eine vorgelagerte Qualitätsanalyse des Materials realisiert. Zu diesem Zweck entwickeln die SURAGUS GmbH (Dresden, Deutschland) und die Textechno H. Stein GmbH & Co. KG (Mönchengladbach) geeignete Sensorsysteme, die durch eine kontinuierlichen, zerstörungsfreien Prüfung eine 100 % Inspektion des Tape-Materials ermöglichen. Materialfehler werden dabei auf der Tape-Spule erkannt und lokalisiert. Diese Informationen bilden den „digitalen Zwilling“ einer jeden Tape-Spule. Die Zusammenhänge zwischen der Tape-Qualität und den daraus resultierenden mechanischen Verbundeigenschaften werden am Insitut für Texiltechnik Aachen (ITA) untersucht.

Die Bahnplanungssoftware des Tape-Legesystems liefert Informationen über die Ablegeposition eines Materialabschnittes im Bauteil. In der „pre-build“ Bauteilsimulation, die am ITA entwickelt wird, werden die Ablegepositionen und die Materialeigenschaften eines Tape-Abschnittes zu einem digitalen Zwilling des fehler-behafteten Bauteils verknüpft. Das Simulationsmodell ermöglicht damit eine Prognose, ob der induzierte Fehler im Bauteil zu einem kritischen Bauteilverhalten führen würde bevor der Tape-Legeprozess überhaupt gestartet wurde. In einem kritischen Fall wird der entsprechende Tape-Abschnitt durch das Tape-Legesystem ausgeschnitten und somit nicht abgelegt. Die neue Prozesskette wird auf den Anlagen der AFPT GmbH (Dörth, Deutschland) implementiert. Die Implementierung der notwendigen Infrastruktur für den Datenaustausch zwischen den einzelnen Teilsystemen und die Datenverarbeitung wird von der nebumind GmbH (Taufkirchen) durchgeführt.

Durch den Entfall von hohen Nebenzeiten für die Prüfung und Fehlerkorrektur, trägt die aktive Fehlervermeidung zu einer Produktivitätssteigerung von Tape-Legeprozessen bei. Durch die Vermeidung von hohen Sicherheitsaufschlägen kann der Materialeinsatz weiter optimiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Tape-Qualität und mechanischen Bauteileigenschaften vereinfachen die Materialauswahl und erhöhen die Zugänglichkeit der Tape-Legetechnologie für den Anwender.

Danksagung
Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) (Förderkennzeichen: 03LB5001E) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

AutorInnen: Philipp Quenzel, M.Sc.

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Qualitätsanalyse

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28.09.2022

Filterung von Abgasen von Holzfeueröfen auf Basis neuartiger textiler Filtersysteme

Nachhaltigkeit Technische Textilien Haus- und Heimtextilien

Zusammenfassung

Gasförmige und vor allem partikelförmige Emissionen aus handbeschickten Holzöfen haben einen nicht unerheblichen Anteil an der Luftverschmutzung in Deutschland. Vor allem ultra-feine Rußpartikel und organische Schadstoffe wie polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe werden häufig in hohen Anteilen emittiert. Die Freisetzung dieser Schadstoffe hat negative toxikologische und klimatische Konsequenzen für Mensch und Umwelt. Andererseits gewinnen erneuerbare biogene Festbrennstoffe aufgrund der Knappheit fossiler Rohstoffe für die regenerative Wärmebereitstellung zunehmend an Bedeutung.

Bericht

In Anbetracht dieser Problemstellung forschen an der RWTH Aachen University das Institut für Textiltechnik (ITA) und das Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (TEER) gemeinsam mit der Skantherm GmbH & Co. KG und der Culimeta Textilglas-Technologie GmbH & Co. KG im Rahmen des FNR-Projekts „PartEX4Abholz“ an der Entwicklung eines neuen, hocheffizienten Abscheiders, der die partikelförmigen (festen und flüssigen) Emissionen aus dem Abgas von handbeschickten Holzöfen abscheidet und sequestriert. Der innovative Ansatz besteht in der Nutzung neuartiger Filtersysteme auf Basis textiler Strukturen.

Im Gegensatz zu den auf dem Markt erhältlichen E-Abscheidern erzeugt die zu entwickelnde Filterlösung nicht nur keine Rußflocken, es werden auch die groben Partikel durch das Filtersystem effizient im Filtermedium gespeichert. Außerdem wird eine hohe Abscheideleistung gegenüber flüchtigen und kondensierten organischen Substanzen erreicht. Die Herausforderung liegt dabei nicht nur in der Abscheidung der prozessimmanenten ultrafeinen (< 100 nm) Partikel durch Diffusionsabscheidung an sich, sondern vielmehr das Erreichen einer hohen und damit wirtschaftlichen Standzeit (hohe Speicherkapazität).

Unter Einsatz des neuen Filtersystems sollen die emittierten Partikel und Stäube von Holzfeueröfen gemäß dem Umweltzeichen "Der Blaue Engel" auf 15 mg/m³ reduziert werden. Mit ersten Projektergebnissen wird im ersten Quartal 2023 gerechnet.

AutorInnen: Maryam Sodagar, M.Sc.

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

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28.09.2022

Reinforcement Learning im Faserverbundsektor

Fasern Composites

Zusammenfassung

(Faserverbundwerkstoffe): Das Projekt adressiert die Fehleranfälligkeit in kontinuierlichen Herstellungsverfahren von Hochmodulfaser-Tapes. Durch den Einsatz einer KI-basierten Regelung des Spreizverfahrens werden der hohe Produktausschuss, die niedrige Anlagenproduktivität und die aufwendige Anlageneinrüstung bisheriger Herstellungsverfahren vermieden.

Bericht

Systeme mit künstlicher Intelligenz (KI) werden in der Robotik mittlerweile vermehrt eingesetzt und dort beispielsweise für Bewegungs- und Handhabungsaufgaben verwendet, die mit reinen regelungstechnischen Systemen nicht mit ausreichender Genauigkeit ausgeführt werden können. Die Vorteile einer Ansteuerung von Industrierobotern durch KI-Systeme liegen beispielsweise in einer höheren Wiederholgenauigkeit und in der automatischen Anpassung an veränderte Umgebungsparameter, die nicht im Regelmodell berücksichtigt sind. Für kontinuierliche Produktionsprozesse hingegen hat der Einzug von KI-Systemen für die Optimierung der Produktionsparameter bislang nicht stattgefunden.

Einen kontinuierlichen Produktionsprozess mit hoher Anzahl an Einflussfaktoren, die zu einer hohen Komplexität des Gesamtsystems führen, stellt z.B. der Prozess zur Spreizung von Hochmodulfasergarnen für die Tape-Herstellung im Faserverbundsektor dar. Aufgrund derzeitiger Limitierungen innerhalb des Spreizprozesses treten bei gespreizten Hochmodulfasergarnen insbesondere Inhomogenitäten (bspw. Breiten- und Dickenverteilung) und Faserfehlorientierungen auf. Die vorhandenen Inhomogenitäten erschweren die Verarbeitbarkeit in den nachfolgenden Verarbeitungsprozessen.

Ziel des IGF-Projektes „intelli.line“ ist es, künstliche Intelligenz (KI) zur Regulierung der Produktionsparameter im Spreizprozess einzusetzen. Hierfür wird ein gängiges für das Faserspreizen angewendetes Verfahren – das Spreizen mittels Spreizstangen – gezielt weiterentwickelt. Durch die Integration zusätzlicher Sensorik für die Erfassung von Einflussfaktoren (bspw. Kameras, Temperatur-, Luftfeuchtigkeit-, Vibration-, Kraft-Sensor) wird innerhalb von umfangreichen Testläufen eine Datenbasis erzeugt, auf deren Grundlage ein selbstlernendes KI-System antrainiert wird (Reinforcement Learning). Dieses intelligente System wird als übergeordnete Kaskade in den bestehenden Regelkreis integriert und versetzt diesen in die Lage, sich auf wechselnde Materialien als auch verschiedener Chargen eines Materials zu adaptieren. Über einen rein adaptiven Regler hinaus kann das selbstlernende System dabei die Produktionsparameter an bisher (für das System) unbekannte Materialien anpassen. Auf diese Weise können die Zeiten für die Anlageninbetriebnahme und für den Materialwechsel reduziert werden. Zudem wird durch eine kontinuierliche Optimierung die Produktionsqualität erhöht und der Produktionsausschuss reduziert, was zu einer Senkung der Produktionskosten führt. Die gewonnenen Erkenntnisse können im Anschluss an das Projekt auf weitere Anwendungsbereiche übertragen werden.

Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr. 22237 N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e.V. aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

AutorInnen: Jan Patrick Böhler, M.Sc.

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Faserverbundwerkstoffe KI

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27.09.2022

Melt spinning of guitar strings made of Nylon 6 and measurement of their material properties

Fasern Textilmaschinenbau

Zusammenfassung

Monofilaments made of the polymer polyamide 6 (PA6) are produced using a laboratory sized melt tester and a drawing machine in a subsequent process. The influence of the production parameters spinneret hole diameter, draw down ratio and drawing temperature are investigated using a factorial design plan. To evaluate the melt spinning process, the spun filaments are compared to commercial nylon guitar strings.

Bericht

Introduction
Synthetic fibers have become increasingly important in recent years. One reason for this is that they are versatile and can fulfill different requirements and functionalities. Among other things, their functionality spectrum is influenced by the manufacturing process, for example melt spinning. One everyday application example for synthetic fibers is guitar strings.

Classical guitar strings are monofilaments made of nylon, which is the trade name of polyamide. They are usually designed to be used with guitars which have a scale length of 0.65 m. Of the six typical guitar string, the first and highest string is the high E string. It is usually tuned to a pitch of 330 Hz and has a diameter around 0.7 mm. Many acoustical properties of guitar strings can be linked to mechanical properties of the string, which are measured in this work.

The aim of this paper is to evaluate the melt spinning process of monofilaments of polyamide 6 and to compare them to commercial monofilaments. Therefore, the influence of different production parameters on the quality of monofilaments will be investigated. The considered production parameters are spinneret hole diameter, drawing temperature and draw down ratio (Ddr). Different kinds of mechanical and thermal properties, for example tensile strength, relaxation behavior, degree of crystallinity and melt temperature, are measured and compared for different filament types.

AutorInnen: Ortega, Jeanette Karen; Zhao, Jasmin; Storm, Annegret; Schüll, Elena; Gries, Thomas

ITA Institut für Textiltechnik of RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Germany

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