Forschungspublikationen

Einleitung: Die Gründe für einen Zahnverlust sind sehr vielfältig, z. B. Traumata, Tumorentfernungen, Karies, oder sehr häufig Parodontitis (bakterielle Zahnfleisch-/Kieferknochenentzündung). In Deutschland leiden etwa 50 – 60 % der Bevölkerung an einem mittelschweren bis schweren Verlauf von Parodontitis, wobei die Inzidenz mit zunehmendem Alter steigt und daher auch in Zukunft mit einem wachsenden Bedarf an künstlichen Zähnen zu rechnen ist [1]. Neben der bei Zahnverlust entstehenden Wurzelkavität können die genannten Ursachen auch zu Verletzungen größerer Bereiche des Kieferknochens führen oder deren Entfernung erforderlich machen. Zudem kommt es zu einer Knochenrückbildung auf Grund der fehlenden mechanischen Belastung des Kiefers, wodurch das Setzen eines Implantates ohne vorherige Rekonstruktion des Knochengewebes unmöglich wird. Da ein Implantat fest im Kieferknochen verankert sein muss, ist deshalb in den genannten Fällen eine vorangehende Knochenaugmentation zwingend notwendig, um die Patienten optimal versorgen zu können. In Deutschland benötigen über 50 % der gesetzten Zahnimplantate eine solche Augmentation [2–4]. Bei diesem Therapieansatz wird ein Knochenersatzmaterial in die Kavität gefüllt und mit einer GBR-Membran abgeschirmt. Die Membran ist essentiell für den Therapieerfolg, da sie primär das Einwachsen von schnell proliferierenden Weichgewebezellen in die Kavität verhindert. Aktuell werden nicht-resorbierbare (z. B.: PTFE, Titan) und resorbierbare (z. B.: Kollagen) GBR-Membranen eingesetzt, die das geforderte Eigenschaftsprofil jedoch nur teilweise abbilden können. Resorbierbare Membranen werden tendenziell bevorzugt, da sie nicht in einer zweiten Operation entfernt werden müssen, die den Therapieerfolg gefährden kann und ein geringeres Infektionsrisiko besitzen. Jedoch erlauben ihre mechanischen Eigenschaften auf Grund der fehlenden Primärstabilität bisher keine raumhaltende Funktion im feuchten Milieu. Daher werden weiterhin auch nicht-resorbierbare GBR-Membranen verwendet [5, 6]. Eine GBR-Membran, die Resorbierbarkeit mit raumhaltenden Eigenschaften anforderungsgerecht kombiniert, existiert noch nicht, was auch durch hohe Revisionsraten von etwa 20 % unterstrichen wird [7, 8].

Im IGF-Projekt OsteoMe wurde die Entwicklung neuartiger, mehrschichtiger GBR-Membranen für die Knochenaugmentation mit einem komplexen, anwendungsorientierten Eigenschaftsprofil angestrebt. Hierzu bündelten die Projektpartner ITM und FILK ihre komplementären Kompetenzen in der Entwicklung elektrogesponnener und mittels additiver Fertigung (Fiber Additive Manufacturing, FAM) gefertigter Biopolymerstrukturen, der Funktionalisierung von Chitosanen sowie der zellbiologischen Charakterisierung. Das im Vorfeld durch Gespräche mit Klinikern und Industrievertretern erarbeitete Eigenschaftsprofil sollte durch einen dreischichtigen Membranaufbau realisiert werden, bestehend aus einer mucoadhäsiven Schicht zur Positionsstabilisierung, einer zellexkludierenden Barriereschicht sowie einer strukturgebenden, mineralisierten Schicht mit definierten Porositäts- und Mineralgradienten zur biomimetischen Abbildung des Knochenübergangs und zur Erzeugung raumhaltender Eigenschaften. Basierend auf den Materialien Polycaprolacton (PCL), Seidenfibroin (SF) und Chitosan (Ch) wurden simulationsgestützte Fertigungsstrategien untersucht, die eine gezielte Einstellung mechanischer, funktioneller und biologischer Eigenschaften ermöglichen.

Ergebnisse:

Mucoadhäsive Schicht: Mucoadhäsive Materialien ermöglichen eine verlängerte Verweildauer an Schleimhäuten und sind daher für zahlreiche medizinische Anwendungen von Interesse. Chitosan gilt aufgrund seiner positiven Ladung und der daraus resultierenden Wechselwirkungen mit negativ geladenen Mucinen als vielversprechendes mucoadhäsives Biopolymer. Zur weiteren Verbesserung der Haftung wurde die kovalente Anbindung thiolhaltiger Verbindungen untersucht, da diese zusätzlich die Ausbildung von Disulfidbrücken mit Mucin ermöglichen.

Die Funktionalisierung erfolgte mittels Carbodiimid (EDC/NHS)-vermittelter Kopplung von N-Acetylcystein (NAC) bzw. Cystein an Chitosan mit einem Deacetylierungsgrad von über 90 %. Sowohl die direkte Modifikation von Chitosanfolien als auch die Derivatisierung von gelöstem Chitosan wurden untersucht. Während die Funktionalisierung von Folien durch die eingeschränkte Zugänglichkeit der Aminogruppen innerhalb der festen Polymermatrix erschwert wurde und eine inhomogene Verteilung der Thiolgruppen zeigte, ermöglichte die Modifikation von gelöstem Chitosan die Herstellung reproduzierbarer Konjugate mit hohen Thiolgehalten. Das optimierte Chitosan-Konjugat erreichte einen Gesamtthiolgehalt von etwa 878 µmol/g, wobei rund 311 µmol/g als freie Thiolgruppen vorlagen. Aufgrund der hohen Reaktivität der Thiolgruppen wurde bei Lagerung an Luft innerhalb von zwei Wochen ein Verlust von etwa 20 % beobachtet, sodass eine Lagerung unter Sauerstoffausschluss empfohlen wird. Für die Herstellung mechanisch stabiler Membranen war die Zugabe von mindestens 70 Gew.-% unverändertem Chitosan erforderlich (s. Abbildung 1).

Die mucoadhäsiven Eigenschaften wurden mithilfe eines speziell entwickelten Prüfaufbaus an einem Texture Analyzer unter Verwendung von Schweinedarmschleimhaut als Modellsubstrat untersucht. Die Haftkräfte wurden relativ zu nicht modifiziertem Chitosan bestimmt. Dabei zeigten insbesondere sauer eingestellte Chitosanfolien hohe Haftkräfte, die sich durch Variation von Anpressdruck und Kontaktzeit gezielt beeinflussen ließen. Neutralisierte Folien erreichten hingegen die angestrebten Haftkräfte nicht. Auch die Einführung von Thiolgruppen führte unter neutralen Bedingungen zu keiner signifikanten Verbesserung der Mucoadhäsion (s. Abbildung 2 und 3).

Obwohl die Ausbildung von Disulfidbrücken zwischen Thiolgruppen und Mucin als etablierter Mechanismus zur Steigerung der Mucoadhäsion gilt, konnte dieser Effekt in den vorliegenden Untersuchungen nicht nachgewiesen werden. Als mögliche Ursachen werden eine zu geringe Dichte reaktiver Thiolgruppen an der Oberfläche sowie deren eingeschränkte Reaktivität unter physiologischen Bedingungen diskutiert.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass thiolmodifizierte Chitosanmaterialien erfolgreich hergestellt werden können. Die höchsten Haftkräfte wurden jedoch nicht durch die chemische Funktionalisierung, sondern durch sauer eingestellte Chitosanfolien erzielt. Für eine zukünftige Anwendung stellen daher insbesondere Strategien zur Stabilisierung und kontrollierten Neutralisation dieser hochadhäsiven Materialien einen vielversprechenden Entwicklungsansatz dar.

Barriereschicht: Zur Realisierung submikroskaliger Poren wurden zunächst die Wechselwirkungen zwischen Prozess- und Spinnlösungsparametern sowie Faserdurchmessern detailliert untersucht. Es wurden die Spinnlösungskonzentration (2 – 15 %), das Seidenfibroin (SF)- Polycaprolacton (PCL)-Verhältnis (0 – 100 % SF), der Einfluss von Salzadditiven (bis zu 5 wt-% Kaliumchlorid - KCl), die Flussrate (0,5 – 2 ml/h) und Feldstärke (0 – 1,5 kV/cm) systematisch variiert. Dabei wurde festgestellt, dass insbesondere durch Senkung der Flussrate, der Spinnlösungskonzentration (Abbildung 4 A) sowie die Zugabe von bis zu 66 % SF die Faserdurchmesser gezielt verringert werden können. Höhere SF-Anteile sowie Salzadditive führen zu Inhomogenitäten der entstehenden Faserdurchmesser und ‑formen sowie teilweise zur Versprödung der Membranen. Eine Variation der Feldstärke (0 – 40 kV) führte ebenso zur Beeinflussung der Faserdurchmesser, allerdings nur in sehr kleinen Größenordnungen (ca. ± 22 nm), weshalb hier die Auswahl der Vorzugslösung auf Basis von Handhabungsunterschieden bei der Membranherstellung getroffen wurde. Konzentrationen unter 3 % waren nicht spinnbar oder führten zu unregelmäßigen Strangabbrüchen. Auf Basis der Erkenntnisse wurde die Fallgruppe SF:PCL_1:2_3% als Vorzugslösung ausgewählt. Diese Fallgruppe wies nahezu normalverteilte Porengrößen mit einem Mittelwert von 613 nm auf (Abbildung 4 B). Etwa 6 % der Poren wiesen einen Durchmesser unterhalb des angestrebten Zielwerts von 200 nm auf. Zur Untersuchung des Migrationsverhaltens wurden die Membranen in Zellkultur-Einsätze (CellCrownTM Einsatz) eingespannt und für 72 h mit gingivalen Epithelzellen besiedelt. Nach der Kultivierung wurden Kryoschnitte angefertigt und das Zytoskelett sowie die Kerne der Zellen angefärbt. Die Barrierefunktion konnte über einen Zeitraum von 72 h nachgewiesen werden (Abbildung 4 C).

Mineralschicht: Zum definierten Aufbau makroporöser Verstärkungsstrukturen wurde eine Tricalciumphosophat (TCP)-haltige Druckpaste auf Basis von PCL für das FAM entwickelt. Dabei konnten Mineralgehalte von bis zu 50 % erreicht werden, ohne die Druckbarkeit zu verhindern. Mit dem FAM wurden Konstrukte mit dreieckigen Porengeometrien hergestellt, da diese sich vorteilhaft hinsichtlich der operativen Handhabung, insbesondere hinsichtlich der Flexibilität, auszeichneten. Die 3D-gedruckten Probekörper wurden über 8 Wochen hinweg enzymatisch-katalysiert degradiert und in Abhängigkeit des Degradationsgrades im feuchten Milieu mechanisch charakterisiert sowie mit kommerziell verfügbaren, nicht-degradierten GBR-Membranen (BioGuide, CollProtect, Mucoderm) verglichen. Dafür wurden je Woche vier Probekörper über 8 Wochen in einer Degradationslösung (physiologisch phosphatgepufferte Salzlösung (PBS) und ein Enzymcocktail aus Protease XIV und Lipase) inkubiert. Jede Woche wurden zwei Medienwechsel durchgeführt, um eine Sättigung der Degradationslösung mit Degradationsprodukten zu vermeiden. Die Enzymkonzentration wurde mit 2,5 U/L je Enzym so gewählt, dass sowohl die Lipase als auch Protease allein gesehen die Gesamtheit der Enzymkonzentration im menschlichen Speichel widerspiegeln [9]. Dieses erhöhte Enzymangebot ermöglicht eine zügige Degradation und gleichzeitig eine gesicherte Aussage zur Mindesthaltbarkeit der entwickelten GBR-Membran im menschlichen Mundraum. Initial wurde eine leichte Erhöhung der Masse und Zugfestigkeit im feuchten Zustand beobachtet, was vermutlich auf die Abscheidung von Salzen auf der Oberfläche zurückzuführen ist (Abbildung 5). Ab Woche 3 ist ein kontinuierlicher Rückgang der Masse und Mechanik zu beobachten, der jedoch vergleichsweise gering ausfällt. Auch nach 7 Wochen ist die Zugfestigkeit weiterhin im Bereich von 8 MPa und damit vergleichbar mit der initialen Festigkeit vor der Degradation. Somit wurde die raumhaltende Fähigkeit der entwickelten GBR-Membran für ca. 2 Monate nachgewiesen, was für eine Remodellierung der natürlichen Knochensubstanz ausreichend ist. Der Zielwert von > 5 MPa im feuchten Milieu wurde über den gesamten Degradationszeitraum aufrechterhalten. Weiterhin wurde ein Vergleich mit nicht-degradierten kommerziell verfügbaren GBR-Membranen durchgeführt, die eine Vergleichbarkeit der entwickelten Membran aufzeigt. Zusätzlich konnte über den Zeitraum der Degradation eine kontinuierliche Calciumfreisetzung nachgewiesen werden, die sich positiv auf die Knochenregeneration auswirken kann.

Zur Überprüfung der osteokonduktiven Wirkung der Mineralschicht, wurde die Differenzierung von Knochenvorläuferzellen (mesenchymale Stammzellen MSC) in Richtung osteogene Zellen untersucht. Anhand der Färbung von Calcium-Ablagerungen im mineralisierten Gewebe (Alizarinrot-S-Färbung) und der quantitativen Analyse der osteogenen Marker-Expression (qPCR von Kollagen I (Col1,) Alkalische Phosphatase (ALP), Osteocalcin (BGLAP) und Osteopontin (SPP1)) konnte ein positiver Einfluss der im Projekt entwickelten Membran auf die Regeneration des Knochengewebes nachgewiesen werden. Die osteogene Induktion erfolgte mithilfe der Zugabe von Dexamethason, ß-Glycerophosphat und Ascorbinsäure für 28 Tage. Die Differenzierungskontrolle erfolgte mittels MSC ohne Materialeinfluss.

Zusammenfassung: Im Ergebnis des Projekts OsteoMe konnten drei Membranschichten entwickelt werden, die jeweils essentielle Aspekte des Anforderungsprofils an GBR-Membranen für die Dentalmedizin erfüllen. Die mucoadhäsive Schicht entwickelt in Abhängigkeit vom sauren Charakter des Chitosans sowie von Anpresszeit und -druck Haftkräfte im Bereich von 1 bis 4 N, die mit etablierten Fibrinklebern vergleichbar sind. Dadurch wird eine positionsstabile Applikation der Membran an der Defektstelle ermöglicht, ohne dass zusätzliches Nahtmaterial oder Pins erforderlich sind. Die Barriereschicht ist offenporig gestaltet, sodass ein Nähr- und Botenstoffaustausch möglich ist, was die Regeneration positiv beeinflussen kann. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass die Porengröße ausreichend klein ist, um als Barriere für schnell proliferierende Mundschleimhautzellen zu wirken und so den langsam wachsenden Knochengewebszellen ausreichend Zeit für die Regeneration bereitzustellen. Die 3D-gedruckte Mineralschicht weist ausreichend hohe mechanische Eigenschaften in simuliertem Speichel auf um eine raumhaltende Funktion zu gewährleisten. Dabei sind die erzielten Zugfestigkeiten vergleichbar zu kommerziell verfügbaren GBR-Membranen und weisen nahezu keine Abnahme während einer enzymatisch-katalysierten Degradation über acht Wochen auf. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Mineralschicht osteoinduktive Eigenschaften aufweist und so die Knochenregeneration aktiv unterstützen kann. Abschließend wurden Methoden entwickelt, die eine delaminationsfreie Verbindung der Einzelschichten gewährleisten. Dabei können die Schichten flexibel miteinander kombiniert und so das erzielbare Anwendungsspektrum erweitert werden.

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 01IF22810N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über den DLR Projektträger im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Quellenverzeichnis:

[1]         CHOLMAKOW-BODECHTEL, Constanze: Fünfte Deutsche Mundgesundheitsstudie (DMS V). JORDAN, Andreas Rainer (Hrsg.); MICHEELIS, Wolfgang (Hrsg.). Köln : Deutscher Zahnärzte Verlag DÄV, 2016

[2]         CHA, Hyun-Suk ; KIM, Ji-Wan ; HWANG, Jong-Hyun ; AHN, Kang-Min: Frequency of bone graft in implant surgery. In: Maxillofacial plastic and reconstructive surgery 38 (2016), Nr. 1, S. 19

[3]         MOY, Peter K. ; AGHALOO, Tara: Risk factors in bone augmentation procedures. In: Periodon-tology 2000 81 (2019), Nr. 1, S. 76–90

[4]         KNÖFLER, Wolfram ; BARTH, Thomas ; GRAUL, Reinhard ; KRAMPE, Dietmar: Retrospective analysis of 10,000 implants from insertion up to 20 years-analysis of implantations using aug-mentative procedures. In: International journal of implant dentistry 2 (2016), Nr. 1, S. 25

[5]         CABALLÉ-SERRANO, Jordi ; MUNAR-FRAU, Antonio ; ORTIZ-PUIGPELAT, Octavi ; SOTO-PENALOZA, David ; PEÑARROCHA, Miguel ; HERNÁNDEZ-ALFARO, Federico: On the search of the ideal barrier membrane for guided bone regeneration. In: Journal of clinical and experi-mental dentistry 10 (2018), Nr. 5, e477-e483

[6]         JIMÉNEZ GARCIA, J. ; BERGHEZAN, S. ; CARAMÊS, J. M. M. ; DARD, M. M. ; MARQUES, D. N. S.: Effect of cross-linked vs non-cross-linked collagen membranes on bone: A systematic re-view. In: Journal of periodontal research 52 (2017), Nr. 6, S. 955–964

[7]         BUTENSCHÖN, Sina: Prävalenz periimplantärer Entzündungen bei teilbezahnten Patienten nach einer minimalen Beobachtungsdauer von 10 Jahren - eine retrospektive Querschnittsstu-die. Göttingen, Georg-August-Universität zu Göttingen. Dissertation. 2019

[8]         RAKIC, Mia ; GALINDO-MORENO, Pablo ; MONJE, Alberto ; RADOVANOVIC, Sandro ; WANG, Hom-Lay ; COCHRAN, David ; SCULEAN, Anton ; CANULLO, Luigi: How frequent does peri-implantitis occur? A systematic review and meta-analysis. In: Clinical oral investigations 22 (2018), Nr. 4, S. 1805–1816

[9]         CHAUNCEY, Howard Haskell. The chemical composition of human saliva. 1955.

Isolationsstrukturen sind vor allem im Bekleidungsbereich in Form von Produkten für den Sport- und Outdoorbereich präsent und stellen die Grundlage für viele Aktivitäten im Freizeitbereich dar. Mit einem hohen Anspruch an Komfort und Isolationsvermögen sind Endverbraucher bereit, für Funktionskleidung zum Wandern, Skifahren oder Reiten einen entsprechenden Preis zu zahlen, wodurch diese Branche in Deutschland im Vergleich zu anderen Bekleidungsprodukten für das Gesamtmarktergebnis relevant ist [1]. Auch in technischeren Branchen wie der Automobilbranche spielen solche Strukturen in Form von Dach- oder Fahrerkabinenisolationen eine wichtige Rolle. Die im Bekleidungsbereich dominierende Standardbauweise für voluminöse Wärmeisolation stellen gesteppte Strukturen dar, die eine vielgliedrige Prozesskette durchlaufen (Herstellung der Dämm-/Ober-/Futterstoffe, Textildruck/Veredlung, Steppprozess, Konfektionierung) [2]. Sie beinhalten jedoch einen strukturellen Nachteil, durch den das Isolationspotenzial der Einzelkomponenten nicht voll ausgeschöpft werden kann. Durch die eingebrachten Steppnähte, die die Integrität der Gesamtstruktur herstellen, entstehen komprimierte Bereiche, die aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Wärmeübertragung, das Gesamtisolationsvermögen herabsetzen. In Abhängigkeit der Nahtdichte erhöht sich der Wärmedurchgangskoeffizient um bis zu 40 % [3]. Dieser Verlust wird mit erhöhtem Materialeinsatz kompensiert. Darüber hinaus induzieren Steppnähte optische Unterbrechungen, verteilt über die Fläche. Diese Unterbrechungen beschränkten die Designfreiheit und Individualisierbarkeit erheblich. Verschiedene Verfahren wie das Abstandssteppen versuchen durch Reduktion der Fadenspannung im Steppprozess und Überbrückung größerer Dicken die Komprimierung der Isolationsschicht zu reduzieren, wodurch jedoch lediglich eine Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten um 10-14 % möglich ist [4]. Darüber hinaus finden optische Ansprüche hier keinerlei Beachtung. Zur Verbesserung der Isolationsleistung, der Erweiterung der Designfreiheit und der Reduktion aufwendiger Prozessschritte, wurden im durchgeführten Vorhaben Strukturaufbau und Fertigung von Isolationsstrukturen neu gedacht. Durch einen integralen Webprozess, der die Verarbeitung aller relevanten Materialien erlaubt, und einem Aufbau und Fadenverlauf, der zum einen die Strukturintegrität erhält, zum anderen aber auch Freiheiten zur optisch ansprechenden und individuellen Gestaltung ermöglicht, ist es gelungen, des Wärmedurchgangskoeffizienten signifikant zu verringern und die Leistungsfähigkeit von Isolationsstrukturen zu verbessern. 

Zielsetzung und Lösungsweg

Ziel des Vorhabens war die simulationsgestützte Auslegung und Entwicklung gekammerter Isolationsstrukturen mit einem entsprechend weiterentwickelten Webprozess, der die Inline-Integration isolationswirksamer Vliesstoffstreifen nahezu ohne dauerhafte Strukturdeformation ermöglicht und gleichzeitig eine textile Heizstruktur webtechnisch zu integrieren. Zur Erreichung der Zielstellung wurde zunächst eine thermodynamische Auslegung zugrunde gelegt, aus der sich Anordnung der Fadensysteme und geometrische Gestaltung der Einheitszellen ableiten ließen. Auf diese Weise konnten thermische Pfade nachvollzogen werden und die Isolationskammern so gestaltet werden, dass die Vliesstoffstreifen möglichst unkomprimiert im Innern vorlagen (Abbildung 1). Es wurde eine Prozesskette zur Bindungsentwicklung erarbeitet, die es ermöglicht, die Decklagen im Prozess durch Jachquardbindung zu Mustern und gleichzeitig die Führung der Bindekette zur Verbindung der Lagen sicherstellte. Bindungstechnisch wurde des weiteren Lösungen zur optisch ansprechenden Anbindung der Bindekette an die Decklagen sowie der von außen nicht sichtbaren Heizstruktur entwickelt.

Zur Integration der in Schussrichtung verlaufenden Vliesstoffstreifen, wurde eine Vorbereitungs- und Zuführanlage in modularer Bauweise entwickelt, die es erlaubt, den als Rollenware bereitgestellten Vliesstoff in Streifen mit der Kammergeometrie entsprechenden Maßen zu schneiden, entsprechend der im Eintragsprozess wirkenden Zugbelastungen zu modifizieren und anschließend dem Greifer zum Eintrag in das Webfach vorzulegen. Die Validierung der hergestellten Funktionsmuster und des Demonstrators erfolgte Qualitativ anhand optischer Kriterien sowie der Identifikation thermischer Brücken durch Infrarot-Aufnahmen. Mittels Guarded-Hot-Plate-Verfahren wurde der Wärmedurchgangskoeffizient ermittelt und im Vergleich zur gesteppten Referenzstruktur quantitativ bewertet. Die entwickelten Strukturen konnten erfolgreich auf der um die modulare Vorbereitungsanlage ergänzten Jacquard-Greiferwebmaschine umgesetzt werden.

Ergebnisse

Prozesskette zur integralen Fertigung von Vlies-Thermogeweben

Die integrale Herstellung von hocheffizienten Vlies-Thermogeweben basiert auf einem neuartigen Ansatz, der die bisher getrennten Prozessschritte der Gewebeherstellung der Isolationseinbringung (Steppen) und der Funktionsintegration (Heizung) in einem einzigen, automatisierten Webprozess vereint. Die am ITM entwickelte Prozesskette ermöglicht dabei die Fertigung komplexer, mehrlagig gekammerter Strukturen mit verbesserten thermodynamischen Eigenschaften bei gelichzeitiger hoher gestalterischer Freiheit. Der vollständige Entwicklungsprozess beginnt mit der Präzisierung der Anforderungen, wobei Materialparameter wie Garnfeinheit und Dämmstoffcharakteristika sowie Zielwerte für den Wärmedurchgangskoeffizienten und die Heizleistung definiert werden. Auf dieser Grundlage erfolgt die simulationsgestützte thermodynamische Auslegung mittels eines FEM-Wärmeleitungsmodells in Matlab. Dieses Modell erlaubt es, die ideale geometrische Anordnung der Schichten, beispielswiese eine versetzt gekammerte Struktur zur Minimierung von Kältebrücken, sowie die optimale Positionierung der Heizstrukturen vorab zu bestimmen.

Die Struktur- und Bindungsentwicklung wird digital unter Verwendung einer spezialisierten Software (EAT DesignScope Victor) durchgeführt. Hierbei wird die Gesamtstruktur in funktonale Bereiche (Rand, Musterlagen, Bindekette) unterteilt und ein entsprechendes Farbbild erstellt. Die technologische Herausforderung besteht darin, die Bindungskombinationen der oberen und unteren Lage so mit den Bindekettverläufen zu synchronisieren, dass stabile Kammern für die Vliesstoffstreifen entstehen. Durch die Verwendung komplementärer Bindungen können dabei die Anbindestellen der Bindekette in den Decklagen sowie die integrierten Heizfäden auf der Außenseite optisch kaschiert werden.

Ein zentrales Element der Prozesskette ist die automatisierte Inline-Vorbereitung des Dämmstoffs. Der als Rollenware vorliegende Vliesstoff wird hierbei prozesssynchron längs geschnitten, abgelängt und mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssig mit einem lasttragen Hilfsfaden verbunden. Diese Ertüchtigung ist essenziell, um die beim Schusseintrag auf der Greiferwebmaschine wirkenden Trägheitskräfte sicher aufzunehmen und eine plastische Deformation des Vliesmaterials zu verhindern. Im eigentlichen integralen Webprozess werden alle Komponenten, die Decklagen, die Bindekette die vorkonfektionierten Vliesstreifen und die Heizgarne, zusammengeführt. Durch eine präzise Steuerung der Webmaschinenparameter, insbesondere die Abstimmung der Fachschlusszeitpunkte und des Litzenhubs, wird eine komprimierungsarme Integration des hochvoluminösen Vliesstoffes in die Gewebekammern sichergestellt.

Simulationsgestützte thermodynamische Auslegung der Strukturen

Für die Entwicklung hocheffizienter Vlies-Thermogewebe ist eine präzise thermodynamische Auslegung der mehrlagigen, versetzt gekammerten Strukturen erforderlich. Ziel der Simulation war die Bestimmung des Wärmedurchgangs und der Heizleistung unter Berücksichtigung der komplexen Materialinteraktionen. Hierzu wurde ein zweidimensionales, stationäres FEM-Wärmeleitungsmodell in Matlab unter Verwendung der PDE Toolbox umgesetzt. Grundlage des Modells ist die stationäre Wärmeleitungsgleichung ∇⋅(λ∇T) = 0, wobei den geometrisch definierten Teilflächen für Vlies-, Deck- und Bindungsbereiche ihre spezifischen materialabhängigen Wärmeleitfähigkeiten λ zugewiesen wurden.

Die zentrale Randbedingung der Simulation bestand darin, die geometrische Anordnung der Schichten und die Positionierung der Heizstruktur so zu gestalten, dass Wärmeverluste minimiert und eine hohe Temperaturhomogenität an der Oberfläche erreicht wird. Mittels des Fourier’schen Gesetzes wurde der lokale Wärmestrom bestimmt und daraus der effektive Wärmedurchgangskoeffizient U über die Breite der Einheitszelle berechnet. Die Matlab-basierte Simulationslösung ist dabei voll parametrisch aufgebaut, sodass Schichtdicken, Kammerbreiten sowie die Anzahl und die versetzte Anordnung der Dämmstofflagen effizient variiert und verglichen werden konnten.

Die numerischen Untersuchungen zeigten deutlich, dass die Wärmeleitung bei herkömmlichen Strukturen vorwiegend über die Bindungsbereiche stattfindet, was zu inhomogenen Temperaturverteilungen führt. Durch die simulationsgestützte, versetzte Anordnung der Vliesstoffkammern konnten diese direkten Wärmeleitpfade effektiv unterbrochen und „Kältebrücken“ minimiert werden.

Zur Validierung des Modells wurden die experimentell ermittelten Wärmewiderstände der Funktionsmuster systematisch mit den berechneten Werten verglichen. Durch die Identifikation und iterative Anpassung von struktur- und fertigungsbedingten Einflüssen, insbesondere hinsichtlich Schichtkontakt und Kompressionseffekten, wurde eine hohe Modellgüte mit einer maximalen Abweichung von lediglich 2 % erreicht. Als validierte Vorzugslösung wurde eine zweilagig zueinander versetzte Anordnung der Vliesstoffstreifen identifiziert, die als Grundlage für die bindungstechnische Umsetzung diente.

Sturktur- und Bindungsentwicklung für mehrlagige gekammerte Gewebe

Die Überführung der thermodynamischen Anforderungen in eine webtechnisch umsetzbare Struktur erfolgte durch eine systematische Einteilung der Fadensysteme und die Entwicklung einer modularen Bindungssystematik. In der Bindungssoftware EAT DesignScope Victor wurde ein Farbbild erstellt, das in Funktionsbereich unterteil als Grundlage für die Zuordnung der komplexen Mehrlagengewebebindungen diente.

Für die Entwicklung der Isolationsstrukturen wurden insgesamt 5172 Kettfäden auf zwei separaten Kettbäumen bereitgestellt und den jeweiligen Lagen zugeordnet (Abbildung 2). Die Gesamtbreite des Gewebes wurde konsequent in vier Funktionsbereiche unterteilt: den Randbereich zur Stabilisierung der Gewebekante und Einbindung der Schussfadenenden, die Musterbereiche für die obere und untere Gewebelage sowie die Bindekettbereiche für die Verbindung der Lagen und Positionierung dieser zueinander. Diese blockweise Organisation ermöglichte eine modulare Anpassung von Design und Bindekettverläufen, ohne den Gesamtprozess zur Erstellung der Maschinensteuerdatei für die Jacquardmaschine neu durchlaufen zu müssen.

Ein zentrales Element der Bindungsentwicklung war die Gestaltung der Bindekettfadenverläufe, welche die strukturelle Verbindung der Lagen sowie die Ausbildung der Kammern zur Vliesintegration gewährleisten. Die Bindekette wurde aufgrund der hohen Einarbeitung separat vom Gatter zugeführt und in einem Abstand von 4 cm paarweise angeordnet, was der angestrebten Breite der Vliesstoffstreifen entspricht.

Als Vorzugslösung zur Minimierung von Kältebrücken wurde eine zweilagig versetzt gekammerte Anordnung der Dämmstofflagen entwickelt. Dies erforderte eine abgewandelte Bindekettführung, bei der die Fäden je nach Position im Gewebe oberhalb, zwischen oder unterhalb der Vliesstofflagen verlaufen. Durch systematische Variation der Anbindungsbereiche konnten Oberflächenunregelmäßigkeiten, wie die Auslenkung von Schussfäden in z-Richtung, minimiert werden (Abbildung 3).

Um den hohen gestalterischen Anforderungen im Sport- und Outdoorbereich gerecht zu werden, wurde eine Strategie zur optischen Kaschierung der Funktionskomponenten umgesetzt. Durch den gezielten Einsatz von Bindungen mit Flottierungen, wie beispielsweise Atlas 4-1, konnten die Anbindestellen der Bindekette effizient überdeckt werden, da sich die umliegenden Kettfäden aufgrund der langen Flottierungen längs ausrichten und die Bindepunkte verdecken.

Zur Integration der Heizstruktur wurde mit komplementären Bindungen gearbeitet (Abbildung 4). Die leitfähigen Heizfäden wurden an der Innenseite der körperzugewandten Decklage angebunden. Durch die Verwendung gegengleicher Köperbindungen (z. B. Köper 3-1 für die Heizfäden und Köper 1-3 für die Decklage) schieben sich die flottierenden Schussfäden der Decklage über die Bindungspunkte, wodurch die Heizfunktion von der Außenseite unter die Schussfäden der Decklagen geschoben werden.

Die entwickelte Bindungssystematik wurde in vier Funktionsmustern validiert, die von einlagigen Strukturen bis hin zu komplexen, unabhängig gemusterten Decklagen mit versetzter Anordnung der Vliesstreifen und integrierter Heizstruktur reichen. Die erfolgreiche Überführung dieser komplexen Bindungen in maschinenlesbare Datensätze bildete die Grundlage für die prozessstabile Inline-Fertigung der hocheffizienten Thermostrukturen.

Konstruktiv-technologische Entwicklung des Moduls zur Vlies-Integration

Ziel der konstruktiven Entwicklung war die Realisierung einer modularen Gesamtanlage zur automatisierten Inline-Integration von Vliesstoffstreifen in die gekammerten Gewebestrukturen. Es erfolgte ein systematischer Entwicklungsprozess für die Auslegung gemäß VDI 2221/2222 auf Basis einer detaillierten Bauraumanalyse der Greiferwebmaschinenperipherie sowie der Analyse der Webfachgeometrie. Letztere war entscheidend, um die maximal zulässigen Querschnitte der Vliesstreifen zu definieren und Kollisionen mit dem Greifersystem oder dem Webblatt sicher auszuschließen.

Die Gesamtanlage wurde in funktionale Unterbaugruppen unterteilt, welche die Teilprozesse Fördern, Trennen, Fügen sowie Vorlegen und Eintrag prozesssynchron abbilden. Für das Trennen der Vliesstoff-Rollenware in prozessgerechte Streifenbreiten wurde das Rundmesser als Vorzugslösung identifiziert, da es im Gegensatz zu Scheren oder Ultraschallschneidverfahren keine dauerhafte Kompaktierung der Kanten verursacht und somit die thermische Isolationswirkung im Gewebe vollständig erhält. Das Ablängen auf die erforderliche Webbreite erfolgt mittels eines speziellen Fallmessers, das durch einen spitzen Anschnitt den Eintritt des voluminösen Streifens in das Webfach erleichtert.

Ein technologisches Kernstück des Moduls ist Ertüchtigung des Vliesstoffs. Um die beim Schusseintrag wirkenden Trägheitskräfte bei Maschinendrehzahlen bis 200 rpm sicher aufzunehmen, wird ein lasttragender Hilfsfaden mittels Ultraschallschweißen stoffschlüssig mit dem Vliesstoff verbunden. Dies Einheit wurde konstruktiv so gestaltet, dass der gefügte Vliesstoff-Faden-Verbund anschließend in einem Speicherkasten mäanderförmig abgelegt wird. Dies ermöglicht einen nahezu widerstandsfreien Abzug während des Schusseintrags und minimiert die ruckartige mechanische Belastung der Schweißstelle.

Für die präzise Übergabe an das Greifersystem wurde der Schussfadenvorleger der Webmaschine durch speziell angepasste Leitelemente modifiziert. Diese stellen sicher, dass der Vliesstoffstreifen verdrehungsfrei geführt und prozesssicher vom Greifer übernommen werden kann.

Technologische Umsetzung und Inline-Fertigung der Funktionsmuster

Die praktische Umsetzung der entwickelten Technologie erfolgte auf einer Greiferwebmaschine (Dornier PTS 4/J) in Kombination mit einer Jacquardmaschine (Stäubli UNIVAL 100), an welche das Modul zur Vlies-Vorbereitung und -Integration als Zusatzbaugruppe implementiert wurde. Ein wesentlicher Schwerpunkt der technologischen Erprobung lag in der Synchronisation der Teilprozesse sowie der iterativen Optimierung der Webmaschinenparameter, um eine prozessstabile Fertigung der hocheffizienten Thermostrukturen unter industrienahen Bedingungen zu gewährleisten.

Um die Bindungsstrukturen mit den voluminösen Vliesstoffstreifen fehlerfrei umzusetzen, war eine präzise Abstimmung der Kettfadenzugkräfte und der Fachgeometrie erforderlich. Aufgrund der hohen Einarbeitung der Bindekette wurde diese mit minimaler Spannung direkt von Spulen aus einem Gatter zugeführt. Technologische Untersuchungen zeigten, dass eine zu hohe Spannung der Bindekettfäden zu einer lokalen Kompression des Dämmstoffs führt, was die thermische Isolationswirkung beeinträchtigt. Als Vorzugseinstellung wurde daher eine Bindekettfadenzugkraft definiert, die eine stabile Fachöffnung bei gleichzeitig geringster Kompressionswirkung sicherstellt.

Ein entscheidender Faktor für den fehlerfreien Schusseintrag des Vlies-Faden-Verbundes war die Anpassung der Fachschlusszeitpunkte. Während für die Randbereiche ein vorverlegter Fachschluss gewählt wurde, um die Schussfadeneinbindefestigkeit zu erhöhen, wurde der Fachschluss der Bindekette gezielt nach hinten verlegt. Diese Konfiguration verhindert, dass der voluminöse Vliesstreifen die Kettfäden während des Eintrags aufgrund einsetzender Fachbewegungen auslenkt und somit die Struktur verzerrt. Zudem wurde der Litzenhub auf das technologisch notwendige Minimum eingestellt, um mechanische Schädigungen der Kettfäden durch Reibung mit dem Vliesstoff zu vermeiden.

Mit der erfolgreichen Inbetriebnahme der Gesamtanlage konnte der technologische Nachweis erbracht werden, dass die automatisierte Inline-Integration von hocheffizienten Dämmstoffen in integrale Gewebestrukturen prozesssicher möglich ist und die theoretisch ermittelten Strukturvorgaben präzise in physische Funktionsmuster überführt werden können (Abbildung 5).

Thermodynamische und textilphysikalische Validierung der Ergebnisse

Die abschließende Bewertung der Projektergebnisse erfolgte durch eine umfassende Charakterisierung der thermischen und mechanischen Eigenschaften der entwickelten Vlies-Thermostrukturen im Vergleich zum Stand der Technik. Hierzu wurden systematische Untersuchungen am Guarded-Hot-Plate-Messstand (in Anlehnung an DIN EN 12667) sowie mittels Infrarotthermografie durchgeführt.

Ein zentrales Ziel war die Reduktion des Wärmedurchgangskoeffizienten sowie die Verbesserung der Temperaturhomogenität an der Oberfläche durch die Eliminierung strukturell bedingter Kältebrücken. Die Messergebnisse zeigen, dass die kontinuierliche Dicke der Vliesstruktur nahezu ohne Komprimierung sowie die versetzte Anordnung der Lagen zu einer signifikanten Isolationsverbesserung führen. Während für eine konventionell gesteppte Vergleichsstruktur ein Wärmedurchgangskoeffizient von λ=0,056 Wm−1K−1 ermittelt wurde, konnte dieser Wert durch die versetzt zweilagige Vliesanordnung auf λ=0,037 Wm−1K−1 reduziert werden. Dies entspricht einer Verbesserung um 33,9 %.

Die thermografische Analyse bestätigte zudem die hohe Temperaturhomogenität der entwickelten Strukturen. Während die gesteppte Referenzstruktur aufgrund lokaler Verdichtungen an den Nähten eine Temperaturspannweite von 12,6 K aufwies, konnte diese bei der versetzt gekammerten Vliesstruktur auf 3,5 K gesenkt werden.

Neben der thermischen Performance wurden die mechanischen Kennwerte auf Material- und Strukturebene evaluiert. Zusammenfassend bestätigen die Validierungsergebnisse, dass die entwickelten Vlies-Thermogewebe den konventionellen Steppsystemen sowohl energetisch als auch hinsichtlich ihrer mechanischen Gebrauchseigenschaften und Prozessstabilität überlegen sind.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine neuartige Webtechnologie zur integralen Fertigung von hocheffizienten Vlies-Thermogeweben mit integrierter Heizfunktion entwickelt. Ziel war die Überwindung der technologischen Nachteile konventionell gesteppter Isolationsstrukturen, wie das Auftreten von Kältebrücken an den Nahtstellen und der hohe Aufwand durch mehrstufige Fertigungsprozesse durch Entwicklung einer integralen Prozesskette (Abbildung 6).

Kern der Innovation ist ein modular nachrüstbares Zusatzsystem zur Inline-Vorbereitung und Integration von Vliesstoffstreifen. Dieses Modul ermöglicht es, hocheffiziente Dämmstoffe prozesssynchron längs zu schneiden, abzulängen und durch eine stoffschlüssige Verbindung mit einem lasttragenden Hilfsfaden (mittels Ultraschallschweißen) so zu ertüchtigen, dass sie als Schussmaterial auf Greiferwebmaschinen verarbeitet werden können.

Auf Basis simulationsgestützter thermodynamischer Auslegungen mittels eines validierten Matlab-FEM-Modells wurden mehrlagige Gewebestrukturen mit versetzt angeordneten Kammern entwickelt. Durch diese spezielle Anordnung konnten strukturbedingte Kältebrücken effektiv minimiert werden. Die technologische Umsetzung erfolgte an einer Jacquard-Webmaschine, wobei durch den Einsatz komplementärer Bindungen sowohl die Bindekettanbindungen als auch die integrierten Heizstrukturen auf der Gewebeaußenseite optisch unsichtbar kaschiert wurden.

Die Validierung anhand von Funktionsmustern und eines Westendemonstrators belegt eine signifikante Steigerung der Isolationswirkung um 33,9 % gegenüber dem Stand der Technik (λ=0,037 vs. 0,056Wm−1K−1). Gleichzeitig wurde die Temperaturhomogenität verbessert, wobei die Temperaturspannweite auf der Oberfläche von 12,6 K (Referenzstruktur) auf unter 4 K sank.

Die entwickelte Technologie ist aufgrund des modularen Aufbaus und bereitgestellter Handlungsanweisungen insbesondere für KMU im Sport-, Outdoor- und Automobilbereich unmittelbar skalierbar und industriell umsetzbar.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22817N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Wallstraße 58/59, 10179 Berlin, wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]      Mouwitz, P.; Larsson, J.; Peterson, J.: Beyond mass customisation : Mass individualisation. AUTEX 2009 World Textile Conference, İzmir, Turkey,

[2]      Yu, W.; Wang, L.; Liu, H.; Rodrigue, D.; Du, Z.; Yu, W.; Wang, X.: Optimization of the quilting method and filling quality of cold-proof down clothing based on thermal insulation performance. Textile Research Journal 93(2023)21-22, S. 5007-5016

[3]      An, Y.-Y.; Tu, L.-X.; Shen, H.; Xu, G.-B.; Zhang, G.-R.; Zhu, H.-Q.; Wang, H.-C.: Numerical simulation and validation on heat transfer of four structures of sleeping bag. International Communications in Heat and Mass Transfer 129(2021), S. 105707 f.

[4]      Saeed, H.; Rödel, H.; Krzywinski, S.; Hes, L.: ‘Spacer stitching’, an innovative material feeding technology for improved thermal resistance. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 254(2017)13, S. 132004 f.

Einleitung und Problemstellung

Die Fertigung gewinkelter Rohrstücke, Flanschstutzen und Abzweigungen für Rohrleitungssysteme in der chemischen Industrie erfolgt gegenwärtig nahezu ausschließlich im Handlaminierverfahren (HLV). Dieses zeit- und kostenintensive Verfahren ist derzeit alternativlos, da bestehender hohe Anforderungen an die Wärmebeständigkeit, Flammhemmung (ASTM E-84-98, EN 13121-1, DIN 18820‑1) sowie Chemikalienresistenz bestehen [1,2]. Die komplexen Bauteilgeometrien sowie die großen Wandstärken bis 35 mm führen bei der Harzinfusion zu inhomogenen Fließfrontverläufen, stark variierenden Harzfließwegen und zu Poren (Lunker) oder trockenen Stellen und machen aktuell das HLV alternativlos.

In Kooperation zwischen dem Polymerkompetenzzentrum (PUK) der TU Clausthal und dem Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden wurden neuartige Funktionsfadenstrukturen und Textilkonstruktionen entwickelt, die temporäre Strömungskanäle mit frei wählbarer Ausrichtung in einfach gekrümmte Bauteile integrieren. Als Vorzugslösung wurde die Komprimierung von Kettfäden durch Umwinden mit Garnen aus niedrigschmelzendem Copolyester (z.B. Grilon KE60 330 dtex) identifiziert. Dieser Ansatz adressiert die wesentlichen Nachteile des HLV: die mangelnde Reproduzierbarkeit der Faserorientierung mit entsprechend hoher Streuung der mechanischen Verbundeigenschaften sowie die gesundheitliche Belastung durch offene Verarbeitung toxischer Harzsysteme.

Um das VARI Verfahren letztendlich auch für die Fertigung komplex geformter Bauteile anwenden zu können und darüber hinaus für Bauteilfertigungen ab Losgröße 1 als Alternative zum HLV zu etablieren, wurde eine Prozesskette aus Entwicklungs- und Fertigungsprozessen mit hohem automatisierungsgrad entwickelt.

Zielsetzung

Im Zentrum des Projekts stand die Entwicklung einer Prozesskette, die exemplarisch anhand eines 90°-Rohrbogens (DN80, Druckklasse PN10) mit einer FKV-Wandstärke von ca. 4 mm und einem inneren Krümmungsradius von 60 mm erarbeitet wurde.

Zur Gewährleistung einer weitgehend porenfreien und zugleich zeiteffizienten Harzinfusion war die präzise Bestimmung des Harzfließkanalverlaufs sowie eine strömungsgünstige Positionierung der Angussstellen mittels 3D-Infusionssimulation erforderlich. Weiterhin musste eine textile Fertigungstechnologie derart befähigt werden, dass die entsprechenden strömungsgerechten und lastpfadgerechten textile Verstärkungsstrukturen gefertigt werden können. Für das Projekt wurde aufgrund der damit herstellbaren hohen Variantenvielfalt exemplarisch die hochflexible Biaxial-Flachstricktechnologie betrachtet.

Projektdurchführung und Ergebnisse

3D-Infiltrationssimulation für 3D-FKV-Strukturen mit integrierten Harzfließkanälen

Bei komplexen 3D-Faser-Kunststoff-Verbund-(FKV-)Strukturen treten insbesondere in gekrümmten Bereichen lokale Unterschiede der Harzfließgeschwindigkeit auf. Diese Effekte sind unter anderem auf eine ortsabhängige Permeabilität zurückzuführen und stellen eine zentrale Herausforderung bei Infusionsprozessen dar [3,4]. Darüber hinaus kann die Bauteilqualität während des Fertigungsprozesses durch verschiedene Faktoren wie unzureichende Harzverteilung, Lufteinschlüsse oder ungleichmäßige Benetzung beeinflusst werden. Numerische Simulationen ermöglichen es, solche potenziellen Probleme bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu identifizieren und zu analysieren [5].

Abbildung 1 zeigt drei numerische Simulationsergebnisse einer des Harzflusses während des Infusionsprozesses in einem dreidimensional porösen Medium in Rohrbogengeometrie. Die dargestellten Infusionsstrategien unterscheiden sich hinsichtlich der Angusspositionierung: Strategie (a) und (b) verwenden eine punktförmige Injektion am inneren bzw. äußeren Rohrbogen. Beide Varianten führen zu asymmetrischen Fließfrontverläufen, wobei sich die Fließfronten am Bauteilende vereinigen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Strategie (c) mit ringförmiger Injektion eine gleichmäßigere und stabilere Fließfront, reduziert lokale Druckgradienten und erlaubt durch den Einsatz von Harzfließkanälen (HFK) eine robuste Prozessführung, weshalb sie als bevorzugte Infusionsstrategie für die Fertigung der 3D-gekrümmten FKV-Struktur gewählt wurde.

Abbildung 2 zeigt die zeitabhängige Sättigung des Fluids in einer numerischen Simulation des Harzflusses während des Infusionsprozesses in einem dreidimensionalen porösen Medium in Form eines Rohrbogens mit integriertem HFK. Die HFK sind regelmäßig entlang der Bauteilkontur angeordnet. In der Darstellung kennzeichnen blaue Bereiche die harzgesättigten Zonen, während weiße Bereiche luftgefüllte Regionen repräsentieren. Die initiale Harzinfiltration ist ringförmig im Bereich des Einlasses erkennbar. Im weiteren Prozessverlauf breitet sich das Harz entlang der gekrümmten Geometrie aus und infiltriert sukzessive größere Bereiche der Struktur. Die Darstellung verdeutlicht zunächst eine ungleichmäßige Entwicklung der Fließfront, die auf die längeren Fließwege im äußeren Rohrbogen zurückzuführen ist. Durch den Einsatz der HFK wird jedoch die lokale Permeabilität erhöht, wodurch der Infusionsprozess beschleunigt und die Durchtränkung der 3D-gekrümmten Struktur verbessert wird. Eine gezielte Platzierung der Fließkanäle ermöglicht zudem eine weitere Homogenisierung der Fließfront, was zu einer erhöhten Bauteilqualität des Verbundwerkstoffs führt.

Die Bestimmung der Infusionsstrategie mittels Simulation stellt einen wesentlichen ersten Schritt bei der Auslegung und Fertigung von 3D-FKV-Strukturen dar. Durch die simulationsgestützte Prozessplanung kann die gezielte Platzierung von HFK realisiert werden, wodurch eine gleichmäßige Durchtränkung über den gesamten Bauteilquerschnitt erreicht wird

Textiltechnische Entwicklung von Preformen mit integrierten reversiblen HFK

Zur Realisierung der prozessintegrierten Kettfadenkomprimierung durch Umwinden (siehe Abbildung 3: Kettfaden-Komprimierungsmodul) wurde ein Hohlwellenmotor implementiert, durch den der zu komprimierende GF-Roving vom Kettfadenspeicher zur Strickstelle geführt wird. Das Umwindeverfahren gliedert sich in drei Phasen: Zunächst erfolgt die Fixierung des Umwindefadens durch eine im Verhältnis zur Kettfadenvorschubgeschwindigkeit hohe Umwindungsgeschwindigkeit. Anschließend wird mit konstanter, an die Vorschubgeschwindigkeit angepasster Drehzahl umwickelt, wodurch eine gleichmäßige Komprimierung des Kettfadens erreicht wird. Systematische Untersuchungen des Komprimierungsmechanismus ergaben einen optimalen Wert von 400 T/m. Zum Abschluss wird durch schnelles Über- und Umwickeln eine Verankerung des Grilon®-Umwindefadens auf dem GF-Kettfaden erzeugt.

Mit dem Ziel der Validierung der Infiltrationssimulation des PUK wurde im zweiten Schritt die Möglichkeit zur lokalen Anpassung der Permeabilität in dickwandigen zweidimensionalen Strukturen geschaffen. Die Validierung erfolgte anhand eines um 90° abgewinkelten Bandes mit differierenden Fließwegen entlang der Innen- und Außenkontur. Ein kontinuierlicher Verlauf der Kettfadenverstärkung und die endkonturnahe Fertigung der Preform erfolgten durch die Nutzung der Formgebungsmöglichkeiten der Mehrlagenstricktechnik, insbesondere durch Integration von Teilschüssen.

Die globale Permeabilitätsanpassung entsprechend der 3D-Infiltrationssimulation des PUK musste durch die lokale Modifikation der Fließgeschwindigkeiten durch Variation der Anzahl und Anordnung der HFK erfolgen. Dies erforderte die Verjüngung bzw. die Erweiterung der Gestrickstruktur bei konstanter Verstärkungsfadenanzahl. Hierfür war die Entwicklung einer neuen Kettfadenschiene nötig (siehe Abbildung 3: Kettfaden-Versatzmodul). Diese ermöglicht in Kombination mit dem Maschentransfer teilungsgerechte, laterale Versatzbewegung von einzelnen oder Scharen von Kettfäden im Gestrick. Basierend auf den am ITM vorhandenen Erfahrungen zur Verstärkungsfadenzuführung an Textilmaschinen wurde eine bestehende Kettfadenschiene weiterentwickelt und an der Flachstrickmaschine Steiger Aries.3 mit Ovalführungssystem implementiert. Für die Zuführung und den Versatz von modifizierten und nicht modifizierten Kettfäden wurden dabei die entsprechenden Kettfadenführer konstruktiv umgesetzt.

Aus der großen Variantenvielfalt herstellbarer Geometrien wurden exemplarisch 90°-Rohrbogen (DN80, Druckklasse PN10) mit einer FKV-Wandstärke von ca. 4 mm und einem inneren Krümmungsradius von 60 mm gefertigt (Abbildung 4). Die Realisierung der Rohrkrümmung erforderte eine Synchronisation der separat angesteuerten Komponenten: Ovalführung, verstellbare Kettfadenschiene, Umwindemodul sowie Strickprozess mit Teilschüssen.  Beim Vollschusseintrag werden alternierend über die gesamte Strickbreite (hier 41 Nadeln) zunächst eine Maschenreihe am hinteren Nadelbett und anschließend eine Maschenreihe am vorderen Nadelbett gestrickt. Die Ovalführung bewegt sich im konventionellen Betrieb in einer kontinuierlich umlaufenden Bewegung mit konstanter Bewegungsrichtung und legt den Schussfaden alternierend am hinteren und vorderen Nadelbett ab. Bei einem Teilschusseintrag wiederum, wurde die Steuerung der Ovalführung so programmiert, dass aufgrund der resultierenden Abweichung zwischen letzter ausgewählter Nadel und der letzten Nadel im Strickbereich (d. h. bei Vollschuss) automatisch ein Teilschuss erkannt wird und demnach die Richtung der Ovalführung für die nächste Maschenreihe auf denselben Nadelbett (z. B. vorne) entsprechend geändert wird. Einen Teilschusseintrag erstreckt sich prinzipbedingt immer über 4 Maschenreihen um Vorder- und Rückseite symmetrisch zu gestalten und die ungleichmäßigen Materialspannungen über die Maschinenbreite im Abzug auszugleichen.

Zusammenfassung

Im Rahmen des IGF-Forschungsprojekts "3D-Permeabilität" wurde eine simulationsgestützte Prozesskette zur Fertigung von Preformen mit textiltechnisch integrierten Harzfließkanälen entwickelt. Die Prozesskette ermöglicht die Herstellung von dickwandigen, geometrisch komplexen Faserkunststoffverbundbauteilen mittels Vakuuminfusion (VARI) mit homogener Harzverteilung. Durch die Kombination von numerischen Simulationsmethoden und der Modifikation konventioneller Flachstrickautomaten konnte eine hochautomatisierbare Alternative zum konventionellen Handlaminierverfahren entwickelt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Prozesskette eine präzise Bestimmung des Harzfließkanalverlaufs und eine strömungsgünstige Positionierung der Angussstellen ermöglicht, was zu einer verbesserten Bauteilqualität führt. Die entwickelte Technologie bietet ein großes Potenzial für die Fertigung von komplexen Bauteilen in der chemischen Industrie

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22908 BG der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Weiterhin danken wir den Firmen des projektbegleitenden Ausschusses für die fachliche Unterstützung sowie allen weiteren Partnern, die in der Forschungsarbeit zu diesem Themenkreis unterstützten. Der Schlussbericht ist über den Gesamtverband der deutschen Textil- und Modeindustrie e. V., Berlin beziehbar. Weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) oder am Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststfftechnik (PUK) erhältlich.

Referenzen

[1]        A.-I. V. Ku, Handbuch Faserverbundkunststoffe: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. Springer-Verlag, 2009.

[2]        “DECHEMA | Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.” Accessed: Jan. 07, 2026. [Online]. Available: http://www.dechema.de/

[3]        D. May et al., “In-plane permeability characterization of engineering textiles based on radial flow experiments: A benchmark exercise,” Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 121, pp. 100–114, Jun. 2019, doi: 10.1016/j.compositesa.2019.03.006.

[4]        R. Tonndorf, D. Aibibu, and C. Cherif, “Isotropic and Anisotropic Scaffolds for Tissue Engineering: Collagen, Conventional, and Textile Fabrication Technologies and Properties,” Int. J. Mol. Sci., vol. 22, no. 17, p. 9561, Jan. 2021, doi: 10.3390/ijms22179561.

[5]        D. Abliz and G. Ziegmann, “Liquid Composite Molding Processes,” in Acting Principles of Nano-Scaled Matrix Additives for Composite Structures, M. Sinapius and G. Ziegmann, Eds., Cham: Springer International Publishing, 2021, pp. 79–88. doi: 10.1007/978-3-030-68523-2_5.

Am ITM erfolgte im IGF-Projekt 01IF22946N (durchströmbare Rohrknoten) die komplexe Struktur- und Bindungsentwicklung eines gewebten, durchströmbaren und dickwandigen T- und Y-Rohrknotens für Composites unter Nutzung von umkehrenden Kettfäden.

Einleitung

Rohrleitungssysteme sind zentrale Funktionselemente in zahlreichen industriellen Anwendungen, insbesondere im chemischen Anlagenbau, Maschinen- und Fahrzeugbau sowie in Energie- und Umwelttechnik. Neben geraden Rohrsegmenten stellen Verzweigungen in Form von T- und Y-Rohrknoten sicherheitsrelevante Bauteile dar, deren strukturelle Integrität maßgeblich die Betriebssicherheit des Gesamtsystems bestimmt. Insbesondere bei druckbelasteten Medienleitungen treten im Übergangsbereich zwischen Hauptrohr und Abzweigung komplexe dreidimensionale Spannungszustände auf, die hohe Anforderungen an Werkstoff und Konstruktion stellen. Während für gerade Faserverbundrohre etablierte Fertigungsverfahren wie das Wickel- oder Schleuderverfahren verfügbar sind, existieren für hochbelastbare, durchströmbare Faserkunststoffverbund (FKV-)Rohrknoten bislang keine integralen, industriell skalierbaren Lösungen. Faserverstärkte Kunststoffe (FKV) bieten aufgrund ihres geringen Gewichts, ihrer hohen spezifischen Festigkeit sowie ihrer Korrosionsbeständigkeit ein erhebliches Potenzial für Rohrleitungssysteme.

Metallische Rohrverzweigungen werden üblicherweise geschweißt und sind mit hoher Masse, Korrosionsanfälligkeit sowie prüfpflichtigen Schweißnähten verbunden. Wickeltechnisch gefertigte Faserverbundlösungen ermöglichen zwar eine höhere Druckbelastbarkeit, weisen jedoch im Verzweigungsbereich eine nicht lastgerechte Faserorientierung auf, was zu Überdimensionierungen und erhöhtem Materialeinsatz führt. Daher ist der Einsatz textiltechnischer Ansätze mit lastpfadgerechter Strukturgestaltung besonders vielversprechend. Insbesondere die am ITM entwickelte Webtechnik erlaubt die bindungstechnisch komplexe Gestaltung der Rohrknoten, wobei jedoch die bisher entwickelte gewebte 3D-Knotenelemente bindungs- und technologiebedingt innen geschlossen und somit nicht für medienführende Rohrsysteme geeignet sind [1, 2]. Damit besteht ein zentraler Zielkonflikt zwischen der integralen textilen Fertigung und der notwendigen Durchströmbarkeit der Bauteile. Vor diesem Hintergrund bestand ein erheblicher Forschungsbedarf zur Entwicklung einer neuartigen Webtechnologie unter Anwendung eines Funktionsmoduls zur Kettfadenumkehr, die erstmalig die integrale Fertigung durchströmbarer FKV-Rohrknoten mit lastpfadgerechter Faseranordnung erlaubt.

Zielsetzung und Lösungsweg

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer simulationsgestützten Prozesskette zur integralen Fertigung durchströmbarer, gewebter Rohrknoten bis zum Composite für innendruckbeaufschlagte FKV-Rohrleitungssysteme. Hierzu wurde zunächst eine strukturmechanische Auslegung auf Basis makro- und mesoskopischer Finite-Elemente-Modelle durchgeführt. Ziel war die Ermittlung der Hauptspannungsrichtungen im Knotenbereich und die Ableitung einer lastgerechten Faserarchitektur, insbesondere im Abzweigungsbereich. Unter Berücksichtigung der simulierten, lastpfadgerechten Faserorientierungen wurden die vollständigen, hochkomplexen Gewebebindungen der 3D-Rohrknoten entwickelt. Zentrale technologische Innovation war die Entwicklung und Umsetzung eines modularen Zusatzsystems zur Kettfadenumkehr an Jacquard-Webmaschinen. Dieses ermöglicht erstmals die kontrollierte Umlenkung ausgewählter Kettfäden an der Gewebekante und stellt die Voraussetzung für die Ausbildung eines offenen, durchströmbaren Abzweigungsbereiches bei gleichzeitiger Realisierung einer lastpfadgerechten Verstärkungsstruktur dar. Ausschließlich unter Anwendung der Kettfadenumkehr können Faserverläufe entlang der Hauptspannungsrichtungen realisiert werden, ohne dass die innere Kavität zwischen Hauptrohr und Abzweigung strukturell getrennt wird.  Materialüberdimensionierungen im Abzweigungsbereich, welche bei einer Rohrknotenherstellung im Wickelverfahren entstehen, konnten anhand dieser Methode vollständig eliminiert werden. Die Validierung erfolgte anhand von drei Funktionsmustern und einem dreidimensionalen FKV-Demonstrator in Form von T- und Y-Rohrknoten. Die entwickelten FKV-Rohrknoten wurden erfolgreich umgesetzt. 

Ergebnisse

Prozesskette zur Herstellung gewebter FKV-Rohrknoten

Integral gewebte dreidimensionale FKV-Rohrknoten basieren auf schlauchförmigen Mehrlagengeweben, die auf einer Spulenschützenwebmaschine mit mindestens vier Schützen gefertigt werden. Voraussetzung für die Ausbildung einer geschlossenen Schlauchstruktur ist eine umlaufende Schussfadenführung bzw. eine geschlossene Gewebekante zur Realisierung einer übergangsfreien Rohrwandung, welche nur mittels Schützenwebmaschinen abgebildet werden kann. Die besondere Herausforderung bei der Herstellung von Rohrknoten besteht darin, neben der geschlossenen Schlauchstruktur zusätzlich eine Verzweigungsgeometrie mit kontinuierlicher Wandstruktur und gleichzeitig offener innerer Kavität zu realisieren. Der Rohrknoten wird zunächst im zweidimensionalen Zustand als 2,5D-Gewebestruktur hergestellt. Die Überführung in die dreidimensionale Geometrie erfolgt anschließend durch das gezielte, automatisierte Entfernen von im Gewebe flottierenden Kettfadenmehrlängen, wodurch sich die Gewebestruktur in die gewünschte dreidimensionale Form aufstellt.

Der vollständige Herstellungsprozess (Abbildung 1) eines integral gewebten Rohrknotens beginnt mit der Festlegung der Zielgeometrie hinsichtlich Durchmesser, Wandstärke, Rohrlängen und Abzweigwinkel. Auf dieser Basis wird ein CAD-Modell der finalen Geometrie erstellt. Die im Modell definierten Flächen werden unter Berücksichtigung des erforderlichen Lagenaufbaus in die Ebene abgewickelt, um basierend auf den abgewickelten Flächen ein Farbbild aufzustellen. Anschließend wird für jeden farbigen Bereich innerhalb des Farbbildes eine Gewebebindung entwickelt und mithilfe einer Software für Bindungsentwicklung (EAT DesignScope Victor) zu einer Gesamtbindung zusammengeführt, der Maschinensteuersatz generiert und an die Webmaschine übertragen. Im anschließenden Webprozess wird das 2,5D-Halbzeug gemäß der entwickelten Bindung integral gefertigt. Nach Abschluss des Webvorgangs erfolgt das automatisierte Aufstellen des textilen Halbzeugs zu der zuvor definierten dreidimensionalen Rohrknotengeometrie.

Die Herstellung des finalen FKV-Bauteils erfolgt durch das Konsolidieren des Halbzeugs mittels RTM-Verfahren unter Verwendung eines auf den Außendurchmesser des Rohrknotens abgestimmten Werkzeugs. Nach Entnahme schließt ein finaler Zuschnitt des Bauteils den Herstellungsprozess ab.

Simulationsgestützte Auslegung von durchströmbaren Rohrknoten

Für die Entwicklung durchströmbarer Rohrknoten ist eine lastpfadgerechte Auslegung der Kettfadenscharen erforderlich. Eine zentrale Randbedingung der Simulation bestand darin, die Kett- und Schussfadenscharen so anzuordnen sind, dass keine strukturelle Trennung der inneren Kavität zwischen Hauptrohr und Abzweigung entsteht und somit die Durchströmbarkeit des Rohrknotens sichergestellt ist. Hierzu wurde zunächst die Spannungsverteilung innerhalb der Rohrknotengeometrie unter einer Innendruckbelastung numerisch ermittelt. Die höchsten Spannungen treten im Übergangsbereich zwischen Hauptrohr und Abzweigung auf (Abbildung 2). Dieser Bereich stellt somit die maßgebliche Dimensionierungszone für die Faserarchitektur dar.

Auf Basis der berechneten Spannungsverteilung wurde ein lastpfadgerechter Verlauf der Kettfäden definiert, um die zugmechanischen Kennwerte des Kettfadenmaterials maximal auszunutzen. Dieser optimierte Fadenverlauf der Kettfadenscharen bildet die Grundlage für die Bindungsentwicklung der durchströmbaren Rohrknoten.

Entwicklung von Funktionsmustern

Die Entwicklung der Gewebebindung für einen integral gewebten Rohrknoten beginnt mit einem dreidimensionalen CAD-Modell des Rohrknotens. Die simulierten Kettfadenscharen und ihr Verlauf sind in Abbildung 3 (links) farbig gekennzeichnet. Die Flächen des Modells werden anschließend in die Ebene abgewickelt und zu einem Farbbild zusammengeführt. Jeder Farbbereich repräsentiert dabei eine strukturell bedingte Änderung innerhalb des Gewebes.

Für jeden Farbbereich werden einzelne Gewebebindungen entwickelt, die mithilfe des Programms EAT DesignScope Victor über die Steuerung der Schützen, des Gewebeabzugs und der Zuordnung der Litzen zu einer Gesamtbindung eines integral gewebten durchströmbaren Rohrknoten kombiniert werden.

Entwicklung eines Funktionsmoduls zur Kettfadenumkehr

Die entwickelten Gewebemuster wurde auf die Spulenschützenwebmaschine „Mageba SL RTEC1200/1“ übertragen und unter Einsatz von vier Schützen gefertigt. Um den lastpfadgerechten Kettfadenverlauf realisieren zu können, bedarf es eines Zusatzfunktionsmoduls zur Verarbeitung umkehrender Kettfäden. Dieses Modul wurde unter Berücksichtigung des vorhandenen Bauraums im Abzugsbereich der Webmaschine konstruktiv als CAD-Modell ausgelegt und anschließend in die Maschine integriert. Ziel der Entwicklung war eine möglichst einfache, nachrüstbare Lösung, die ohne grundlegende Änderungen an bestehenden Webmaschinen implementiert werden kann. Das Modul ist kostengünstig umsetzbar und an andere Webmaschinen anpass- und einbaubar.

Das Funktionsprinzip zur Verarbeitung umkehrender Kettfäden basiert auf dem Verbinden je zwei definierter Kettfäden vor Beginn der Gewebeherstellung, sodass diese als Schlaufe vorliegen. Die Verbindungsstelle wird aus der Webstelle in Richtung Spulengatter verlagert, sodass sie kein Bestandteil des herzustellenden Gewebes ist. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis sämtliche für die Umkehr vorgesehenen Kettfäden zweier Gewebelagen als Schlaufen vorliegen. Um eine, zu den regulär verlaufenden Kettfäden, vergleichbare Kettfadenzugkraft auf die in Schlaufen vorliegenden Kettfäden aufzubringen, werden die Schlaufen mithilfe des Moduls in den Gewebeabzug eingebunden. Die Kettfadenzugkräfte beider Fadentypen wurden mittels eines Fadenzugkraftmessgeräts erfasst und analysiert. Sowohl die geordnete Fixierung der Kettfadenschlaufen als auch die Integration der Schlaufen in den Gewebeabzug stellen zentrale Funktionen des entwickelten Moduls zur Kettfadenumkehr dar.

Einsatz des Funktionsmoduls und Umsetzung der Funktionsmuster

Nach Bildung der Kettfadenschlaufen wird das textile Halbzeug gefertigt. Im ersten Abschnitt des Rohrknotens liegen die schlaufenbildenden Kettfäden zunächst vollständig flottiert vor. Nach Fertigung des ovalen Abzweigungsbereichswerden diese Kettfäden erstmals in regulär in das Gewebe eingebunden. Ab dem ovalen Bereich ist der Einsatz der vier Schützen erforderlich, um die im zweiten Bereich des Rohrknotens übereinanderliegenden Schlauchgewebe darzustellen. Ein Gewebeschütze trägt innerhalb des ovalen Bereichs einen separaten Schussfaden ein, welcher die Ausbildung der ovalen Gewebekante unterstützt. Das gefertigte textile Halbzeug ist in Abbildung 4 dargestellt.

Zur reproduzierbaren Herstellung dieser komplexen Gewebebindung ist eine gleichmäßige Einarbeitung der Schussfäden essenziell. Insbesondere während der Fertigung des ovalen Bereiches müssen die Schussfäden abweichend zu einem regulären Schusseintrag über die volle Gewebebreite innerhalb der Gewebestruktur umkehren. Die präzise Steuerung dieses Prozessschrittes ist entscheidend für die geometrische Genauigkeit der späteren dreidimensionalen Bauteilform sowie für eine gleichmäßige Faserverteilung innerhalb der Wandstruktur. Die realisierten textilen Halbzeuge sind in Abbildung 4 dargestellt.

Aufstellen und Konsolidieren der gewebten Funktionsmuster

Zur Überführung des 2,5D-Halbzeugs in die dreidimensionale Struktur wird ein speziell für die durchströmbaren Rohrknoten entwickelter, automatisierbarer Aufstellprozess angewendet. Dabei wird ein formgebender Innenkern in die Schlauchstruktur eingesetzt, der die Zielkontur während des Aufstellens definiert. Das Aufstellen erfolgt durch das gezielte Eliminieren der im Zuge der geometrischen Abwicklung eingebrachten Kettfadenmehrlängen. Diese Mehrlängen werden an der Schnittkante des Gewebes aus der Struktur zurückgezogen, wobei dieser Prozessschritt mittels Robotertechnik automatisiert erfolgen kann. Dabei ist eine prozessspezifisch entwickelte Reihenfolge beim Ziehen der flottierenden Kettfäden einzuhalten, um einer Materialschädigung vorzubeugen und reproduzierbar einen präzisen Verlauf der Kettfäden nach dem Aufstellen zu erzielen. Dazu wurde ein Automatisierungskonzept für die Ausformung entwickelt.

Da die Kettfadenschlaufen im ersten Abschnitt des Gewebes bis zur Kante des Ovals flottiert vorliegen, kann die Kettfadenmehrlänge zurückgezogen werden. Auf diese Weise ist diese Kettfadenschar innerhalb des Rohrknotens nur in einer Hälfte des Gewebes eingebunden.

Nachdem das Halbzeug dreidimensional aufgestellt ist, erfolgt die Konsolidierung. Es wurde ein auf die Kontur des durchströmbaren Rohrknotens angepasstes RTM-Werkzeug dimensioniert und technologisch umgesetzt (Abbildung 5). Ergebnis nach der Konsolidierung ist ein konsolidiertes, durchströmbares T-Stück mit hochwertiger Oberflächenqualität und reproduzierbarer Kontur.

Die Materialüberdimensionierung im Abzweigungsbereich bei im Wickelverfahren hergestellten FKV-Rohrverzweigungen konnte durch die integrale, gewebebasierte Fertigungsmethode unter Anwendung der umkehrenden Kettfäden vollständig eliminiert werden. Die Wandstärke der Rohrstruktur ist über das gesamte Bauteil konstant. 

Zusammenfassung und Ausblick

Es konnten FKV- Rohrverzeigungen mithilfe eines Zusatzfunktionsmoduls für bestehende Schützenwebmaschinen erstmals integral gewebt und zugleich durchströmbar gefertigt werden. Das textile 2,5D-Halbzeug wird dabei in einem einstufigen Webprozess hergestellt. Nach einem speziell für die neuartigen Fadenverläufe entwickelten Ausformverfahren kann das Halbzeug mittels etablierter RTM-Verfahren zu einem belastbaren 3D-Leichtbaubauteil in Form einer FKV-Rohrverzeigung konsolidiert werden. Die entwickelte Technologie ermöglicht dabei eine lastpfadgerechte Faserorientierung im hochbelasteten Abzweigungsbereich bei gleichzeitiger Sicherstellung einer kontinuierlichen inneren Kavität, wodurch ein wesentlicher Zielkonflikt bisheriger textiler 3D-Knotenstrukturen überwunden wird. Durch die integrale Fertigung ohne nachträgliche Fügeschritte sowie die materialeffiziente lastpfadgerechte Faseranordnung ergibt sich zudem ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial in Form reduzierter Materialverbräuche, geringerer Prozessschritte und einer verbesserten Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität.

Die entwickelten Gewebebindungen sowie die zugrunde liegende Methodik können KMU zur industriellen Umsetzung bereitgestellt werden. Die Geometrie des Rohrknotens (Durchmesser, Wandstärke, Rohrlängen sowie Abzweigwinkel) ist mit geringem Anpassungsaufwand individuell variierbar. Neben T-Rohrknoten können mit der neu entwickelten Methodik und Bindungssystematik auch Y-Rohrknoten hergestellt werden, sodass unterschiedliche Topologien anwendungsspezifisch ausgelegt werden können. Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse bilden die Grundlage für eine skalierbare und lastpfadgerechte Fertigung durchströmbarer FKV-Rohrknoten und sind aufgrund der modularen Technologieentwicklung und Bereitstellung von Leitfäden und Handlungsempfehlungen von den KMU der Textil- und Faserverbund-Industrie schnell implementierbar. Zukünftige Arbeiten können insbesondere auf die Erweiterung der Technologie auf größere Rohrdurchmesser, höhere Druckbelastungen sowie automatisierte Serienprozesse ausgerichtet werden. Darüber hinaus besteht Potenzial für den Einsatz in weiteren medienführenden Leichtbaustrukturen mit komplexer Verzweigungsgeometrie.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22946N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Wallstraße 58/59, 10179 Berlin wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]      Matthias Hübner; Monireh Fazeli; Thomas Gereke; Chokri Cherif: Geometrical design and forming analysis of three-dimensional woven node structures. Textile Research Journal 88(2018)2, S. 213-224

[2]      Schegner, P.; Fazeli, M.; Sennewald, C.; Hoffmann, G.; Cherif, C.: Technology Development for Direct Weaving of Complex 3D Nodal Structures. Applied Composite Materials 26(2019)1, S. 423-432

Einleitung

Textile Membranstrukturen haben sich als leichte, flexible und zugleich leistungsfähige Bauelemente in zahlreichen technischen Anwendungen etabliert, etwa in architektonischen Dach- und Fassadensystemen, in mobilen und stationären Schutzbauten oder im maritimen Umfeld. Ihre Tragfähigkeit und Dauerfestigkeit hängen jedoch entscheidend von statisch und dynamisch herrschenden Beanspruchungen ab, da lokale Überlastungen und unerkannte Schädigungen im Extremfall zu plötzlichen Strukturversagen führen können. In der Praxis basieren Inspektionen bislang überwiegend auf visuellen Kontrollen und punktuellen Messungen, die weder eine kontinuierliche Zustandsbeobachtung noch eine flächendeckende Bewertung des Membranverhaltens erlauben und daher nur eingeschränkte Aussagekraft für eine vorausschauende Instandhaltung besitzen. Vor diesem Hintergrund verfolgt das IGF‑Vorhaben 01IF22600N das Ziel, textile Membranen in intelligente, sensorisch funktionalisierte Strukturen zu transformieren, die ihren eigenen Spannungs- und Schädigungszustand in Echtzeit erfassen. Dazu wird eine textile Sensorstruktur [1] in die Membranstruktur integriert [2, 3] und deren Messwerte in Kombination mit Simulationsergebnissen [4, 5] durch KI-basierte Algorithmen [6] ausgewertet.

Zielsetzung und Lösungsweg

Zentrales Ziel des Projekts war die Kreierung eines fasersensorbasierten Monitoring-Systems, das eine vollflächige Spannungsverteilung textile Membranen ermittelt und somit Hinweise auf Ermüdungserscheinungen und strukturelle Schädigungen geben kann. Hierzu wurden fadenförmige Sensormaterialien auf ihre Dehnungseigenschaften und Eignung für den Einsatz im Verbund mit der Membran untersucht. Mit den Vorzugsvarianten wurden Bindungsmuster für Gewebe mit integrierter Sensorik- und Energieversorgungsstruktur entwickelt und gefertigt. Diese Muster wurden mechanisch charakterisiert bei gleichzeitiger Erfassung der Sensormesswerte. Gleichzeitig wurden für die Prüfszenarien die globale Dehnungsverteilung simuliert. Auf Grundlage dieser Daten wurden Algorithmen entwickelt, die aus den Sensormesswerten die globale Dehnungsverteilung errechnen und in Echtzeit z. B. als Heatmap ausgeben. Das entwickelte System wurde erfolgreich umgesetzt und in einen Funktionsdemonstrator integriert.

Ergebnisse

Fadenförmige Sensormaterialien

Für die Suche nach einem geeigneten Fadensensormaterial wurden besilberte Polyamidgarne, pseudoelastische Formgedächtnislegierungen (FGL) und Präzisionswiderstandslegierungen als aussichtsreiche Varianten ausgewählt. Untersucht wurde das Verhalten des elektrischen Widerstands unter Dehnung, die Temperaturstabilität und die Eignung für die spätere textiltechnische Integration in den Membranverbund. Als Charakterisierungsmethode wurden zyklische Zugversuche bis 10 % Dehnung gewählt, die unter verschiedenen Temperaturen zwischen -20 °C und 70 °C wiederholt wurden. Im Ergebnis dieser Untersuchungen erwiesen sich FGL aufgrund ihrer großen Temperaturabhängigkeit und des stark nicht-linearen Widerstandsverhalten als ungeeignet. Sowohl Präzisionswiderstandslegierungen (Isaohm® / Isabellenhütte) als auch besilberte Polyamidgarne (SilverTech+® 150 / Amann & Söhne GmbH & Co. KG) erschienen grundsätzlich als geeignet und wurden bei den folgenden Versuchen berücksichtigt, wobei die Präzisionswiderstandslegierungen aufgrund der geringeren Temperaturabhängigkeit und des linearen Sensorverhaltens als Vorzugsvariante identifiziert wurden. Für die Realisierung des elektrischen Kontaktierungsnetzwerks wurde aufgrund der guten textilen Verarbeitbarkeit und des geringen elektrischen Grundwiderstands (<< 1 Ω/m) ein Feindraht (LitzWire / Rudolf Pack GmbH & Co. KG) ausgewählt.

Entwicklung und Herstellung von Funktionsmustern

Für die Entwicklung eines Funktionsmusters wurden zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wurden Muster mittels der Sticktechnologie und des TFP-Verfahrens hergestellt, zum anderen wurde der fadenförmige Sensor und die textile Zuleitung bereits im Webprozess in das textile Halbzeug integriert. Für die gestickten Muster wurde auf einer kommerziell erhältlichen Membran (HEYtex tentorium 900) gearbeitet. Dabei wurden sowohl das besilberte Polyamidgarn als auch die Präzisionswiderstandslegierung im Tailored-Fiber-Placement-Verfahren (TFP) in Mändern aufgebracht (Abbildung 1), um die Sensorlänge zu vergrößern und damit die Messgenauigkeit zu erhöhen. Zudem wurden die Sensorpatches in verschiedenen Orientierungen aufgebracht, um die Dehnung in verschiedenen Richtungen zu erfassen. Parallel dazu wurde das besilberte Polyamidgarn Shieldex® 117, welches in der textilen Verarbeitung robuster ist als SilverTech+® 150, mit den regulären Sticharten Zick-Zack- und Kettelstich ohne Hilfsfaden aufgestickt.

Für die gewebten Muster wurde ein Raster mit Schuss- und Kettfäden aus Zuleitungs- und Sensormaterial entworfen, das mustertechnisch mit dem Grundgewebe aus Polyester kombiniert wurde (Abbildung 2). So konnten Anordnungen mit Sensoren in Kett- und Schussrichtungen realisiert werden, die später die Berechnung der Dehnungsbeanspruchung in verschiedenen Richtungen erlaubt. Insgesamt wurden drei Muster realisiert, welche sich durch Länge und Position der Sensoren unterschieden. Die dritte Variante war ein Hybrid, der ein gewebtes Zuleitungsnetzwerk mit nachträglich aufgestickten Sensorpatches kombinierte. In den leitfähigen Strukturen wurden zwei Arten von Kreuzungspunkten, mit und ohne elektrischen Kontakt, realisiert und bindungstechnisch umgesetzt. Die Muster wurden auf einer Greiferwebmaschine mit Mittenübergabe produziert (Lindauer Dornier P1) gefertigt.

Entwicklung von Kontaktierungslösungen

Ein wesentlicher Entwicklungsschritt bestand in der Ausarbeitung praxistauglicher Kontaktierungsstrategien für das Sensornetzwerk. Konventionelle Lötverfahren führten aufgrund hoher Prozesstemperaturen zu Schäden am textilen Grundmaterial, während alternative leitfähige Kleber zunächst zu hohe Übergangswiderstände im kΩ‑Bereich aufwiesen. Durch den Einsatz eines Epoxid‑Silberleitklebers (8330S) mit definierter Aushärtung (160 °C, 90 s, leichter Druck) konnten hingegen stabile, niederohmige Kontaktierungen sowohl innerhalb des Gewebes als auch an den Warenrändern realisiert werden; in Kombination mit Crimpkontakten wurde eine mechanisch robuste und elektrisch zuverlässige Verbindung zu externer Messtechnik erreicht.

Beschichtung des textilen Halbzeugs mit integrierter Sensorstruktur

Die anschließende Beschichtung der funktionalisierten Gewebe mit einer vom Industriepartner bereitgestellten PVC‑Paste (plus 5 % Haftvermittler) erfolgte auf einem LineCoater der Firma COATEMA (Abbildung 3). Es zeige sich, dass mit geringer Auftragsdicke sowohl integral eingewebte (0,2 mm) als auch gestickte Sensor- und Zuleitungsstrukturen (0,7 mm) in die Membran integriert werden konnten, sodass die mechanischen Basiseigenschaften der Membran nur minimal verändert wurden, während eine vollständige Überdeckung und elektrische Isolation der Sensorik erreicht wurde. Ergänzende Versuche mit Transferfolien und direkt applizierten PVC‑Klebschichten zeigten, dass auch manuelle oder halbmanuelle Beschichtungsstrategien für lokale oder nachträgliche Funktionalisierungen geeignet sind, insbesondere bei kleineren Membranflächen.

Charakterisierung der Membran mit integrierter Sensorik

Die gefertigten Muster wurden zunächst in uniaxialen Zugversuchen geprüft. Dabei wurden neben den grundlegenden mechanischen auch die elektromechanischen Eigenschaften bestimmt. Dabei lag ein besonderes Augenmerk auf dem Einfluss der integrierten Sensorik auf die strukturelle Integrität. Dazu wurde sowohl in Schuss- als auch in Kettrichtung geprüft. Die gefertigten Muster lagen mit einer maximalen Kraft von 3810 N bei 23,2 % Dehnung in Schussrichtung und 4100 N bei 24,9 % Dehnung in Kettrichtung auf einem ähnlichen Niveau wie das kommerzielle Produkt der Firma Heytex (Schuss: 3780 N bei 25,8 %; Kett: 3920 N bei 20,6 %). Entsprechend war nicht davon auszugehen, dass die mechanische Leistungsfähigkeit durch die Integration des Sensornetzwerks beeinflusst wird.

Entwicklung von Algorithmen zur vollflächigen Dehnungszustandserfassung

Basierend auf biaxialen Zugversuchen der kommerziellen Membran wurden FE-Modelle für die vollflächige Simulation der Beanspruchungszustände erstellt. Neben der Datenbasis für die Algorithmenentwicklung konnte so auch die Auswahl geeigneter Sensorlayouts unterstützt werden. Die Modellierung basierte auf Schalenelementen mit anisotropem Materialmodell. Auf Basis des kalibrierten Materialmodells wurden Simulationen mit zufällig variierten Lastpositionen und -größen durchgeführt, die einen Teil der Datenbasis für die Algorithmenentwicklung bildeten.

Das den Algorithmen zugrundeliegende KI-Modell basierte auf einem regressiven Modell. Dazu wurden die zuvor simulierten Lastfälle auf den Demonstrator aufgebracht. Die entstandenen Sensormesswerte dienten dem Training des Modells. Im Anschluss wurde das Modell anhand der Parameter Mean Absolute Error (MAE), Root Mean Squared Error (RMSE) und Bestimmtheitsmaß (R²) bewertet. Für den Funktionsdemonstrator, der aus einer quadratischen, eben aufgespannten Membran bestand, zeigte sich eine hohe Genauigkeit für die Positionsbestimmung im einstelligen mm-Bereich. Auch der Betrag der Last wurde mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9604 präzise bestimmt. Das System erreicht ± 3 mm Ortsauflösung und ± 0,6 N Kraftgenauigkeit bei Demonstratorlasten < 50 N und ist bis hin zu kN-Lastbereiche skalierbar. Auf der Grundlage der bestimmten Werte für die Position und den Betrag eines Lasteintrags wurde über mehrstufige k-Nearest-Neighbor-Modelle der zugehörige vollflächige Spannungszustand bestimmt. Das entstandene Modell zeigte mit einer Abweichung von unter 5 % zur FEM-Referenz eine hohe Regressionsgüte. Zudem erwies sich das Modell allgemein als sehr stabil und erlaubte die angestrebte Echtzeitbestimmung der Spannungsverteilung. Für den Funktionsdemonstrator wurden die Ergebnisse des Modells in Echtzeit auf einer Displayeinheit neben der Membran visualisiert (Abbildung 4), sodass die Auswirkung aufgebrachter Belastungen für den Nutzer sofort ersichtlich waren.

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassend zeigt das IGF Projekt MeMo, dass sich PVC‑beschichtete PES‑Membranen durch die Kombination geeigneter Sensormaterialien, textiler Integrationsstrategien und robuster Kontaktierungs- und Beschichtungsverfahren zu intelligenten, echtzeitfähigen Tragstrukturen weiterentwickeln lassen. Die experimentellen Ergebnisse belegen, dass die mechanische Leistungsfähigkeit der Membran trotz Integration der Sensorik weitgehend erhalten bleibt und die funktionalen Anforderungen – insbesondere bezüglich Messbereich, Temperaturstabilität und Langzeitverhalten der ausgewählten Sensormaterialien – erfüllt werden. Im Projekt wurde ein KI-basierter Regressionsansatz entwickelt, der aus textilintegrierten Sensorsignalen in Echtzeit Lastpositionen und -beträge ermittelt und daraus vollflächige Spannungszustände ableitet, ohne während des Betriebs numerische Simulationen zu benötigen. Der Ansatz zeichnet sich durch hohe Robustheit gegenüber sensorbedingten Streuungen sowie geringe Anforderungen an Rechenleistung und Trainingsdaten aus. Die zugrunde liegende Methodik ist grundsätzlich auf andere großflächige, deformierbare Strukturen mit integrierter Sensorik übertragbar, etwa in der textilen Architektur, im Leichtbau oder bei membran- und verbundbasierten Struktursystemen bspw. im maritimen Bereich.

Gleichzeitig machen die Untersuchungen deutlich, dass die Art der Integration und Kontaktierung einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Sensorsignale besitzt: Inline‑kontaktierte, integral eingewebte Sensoren sind technologisch anspruchsvoll und hinsichtlich Signalstabilität derzeit noch limitiert, während gestickte Sensornetzwerke mit klar definierten, gut zugänglichen Kontaktstellen deutlich robustere und auswertefreundlichere Signale liefern. Damit liefern die Arbeiten nicht nur einen vollständigen technischen Baukasten, sondern auch eine klare Präferenz für die weitere Systementwicklung in Richtung gestickter, hybrider Membranlösungen.

Im Bereich der mechanischen und elektromechanischen Charakterisierung erscheint eine Vertiefung biaxialer Prüfprogramme an funktionalisierten Membranen sinnvoll. Diese würden eine noch engere Verknüpfung von experimentellen und numerischen Daten erlauben und die Validierung der in den FEM‑Modellen verwendeten Material- und Schädigungsbeschreibungen auf das Sensor‑Membran‑System als Ganzes ausdehnen. Parallel dazu können die auf den bisherigen Daten aufbauenden Algorithmen zur Lastlokalisation und Spannungsrekonstruktion um weitere Lastkollektive, komplexere Randbedingungen und zusätzliche Fehlerbilder erweitert werden, sodass das Monitoring-System langfristig auch in stark variierenden Einsatzszenarien zuverlässig arbeitet.

Auf dieser Basis lassen sich perspektivisch Fertigungs- und Nachrüstkonzepte entwickeln, mit denen intelligente, selbstüberwachende Membranstrukturen in unterschiedlichen Branchen – von der Bauindustrie über Schutz- und Sicherheitsanwendungen bis hin zum maritimen Bereich – umgesetzt werden können.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22600N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Berlin wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

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[2]   E. Haentzsche, R. Mueller, T. Ruder, A. Nocke, and C. Cherif, "Integrative Manufacturing of Textile-Based Sensors for Spatially Resolved Structural Health Monitoring Tasks of Large-Scaled Composite Components," MSF, 825-826, pp. 571–578, 2015, doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.571.

[3]   K. Bremer, F. Weigand, Y. Zheng, L. S. Alwis, R. Helbig, and B. Roth, "Structural Health Monitoring Using Textile Reinforcement Structures with Integrated Optical Fiber Sensors," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020345.

[4]   T. D. Dinh et al., "A study of tension fabric membrane structures under in-plane loading: Nonlinear finite element analysis and validation," Composite Structures, vol. 128, pp. 10–20, 2015, doi: 10.1016/j.compstruct.2015.03.055.

[5]   T. D. Dinh, A. Rezaei, L. de Laet, M. Mollaert, D. van Hemelrijck, and W. van Paepegem, "A new elasto-plastic material model for coated fabric," Engineering Structures, vol. 71, pp. 222–233, 2014, doi: 10.1016/j.engstruct.2014.04.027.

[6]   J. Vitola, F. Pozo, D. A. Tibaduiza, and M. Anaya, "A Sensor Data Fusion System Based on k-Nearest Neighbor Pattern Classification for Structural Health Monitoring Applications," Sensors (Basel, Switzerland), vol. 17, no. 2, 2017, doi: 10.3390/s17020417.

Initial situation and problem definition

The windpipe (trachea) fulfils two main functions: (I) it provides an airtight and mechanically stable passage from the larynx to the bronchial tree of the lungs for air transport, and (II) it facilitates the transport of mucus. Function (I) is performed by a tubular structure consisting of cartilage rings and longitudinal muscles, which provide lateral stability and longitudinal flexibility. This keeps the lumen open for breathing air. In addition, the inhaled air is moistened and warmed. Function (II) is a cleaning mechanism that is performed by a special mucous membrane layer (mucociliary respiratory epithelial layer). Here, mucus-producing cells and cells with tiny hairs (cilia) on their surface transport mucus and particles [2].

After an injury to the trachea, these functions are impaired by the insertion of a tracheal cannula. In Germany, 53,000 tracheal resections (replacement of part of the trachea) are performed annually [3]. A high proportion, around 40,000 patients, receive non-clinical care through a surgically created opening in the windpipe, known as a stoma [3]. This treatment has significant disadvantages: 1. poorer humidification and warming of the inhaled air, 2. poorer sense of smell and taste, 3. impaired voice formation, and 4. narrowing of the windpipe.

The gold standard for tracheal reconstruction is end-to-end anastomosis, in which part of the trachea is removed and the remaining ends are sutured together [4]. However, for this procedure to be performed, at least half of the trachea must remain in adults and one third in children, otherwise the operation cannot be carried out [5]. Nevertheless, complications occur in up to 20% of cases [6]. As the sutured ends of the trachea are subject to considerable force, this can lead to the suture tearing and the trachea shifting into the chest cavity. There is also a risk that the ends will not grow together properly, leading to scarred narrowing of the trachea, tracheitis, hoarseness, loss of voice and paralysis of the vocal cord nerves, as well as swallowing disorders [7]. Approaches investigated to date – including synthetic implants, constructs made from the patient's own tissue, donor tracheas and tissue engineering procedures – have not yet been able to replicate a functional cilia layer for mucus and particle transport. Neither this lack of transport function nor the high complication rate and shortage of suitable donor tissue currently allow for reliable use in cases of larger tracheal defects following clinically necessary resection. As a result, there is currently no implant available that can adequately replace the trachea.

It is therefore necessary to develop novel implants that mimic both the mechanical stability and the internal transport function of the natural trachea. The aim of the IGF project was therefore to develop a textile, functional and biomimetic tubular fabric. This fabric should have a cilia-like structure for active substance transport. At the same time, rigid, 3D-printed support structures, which can be integrated during the weaving process, were to protect the tubular fabric from collapsing. Both aspects serve to safely bridge missing or removed tracheal tissue. The ciliary movement should be achieved by electroactive piezoelectric PVDF fibres integrated into the tissue in the form of polarised naps. The ciliary movement is to be activated by the piezoelectric effect, which is triggered by the electric field generated by current-carrying conductors.

Development of tubular tissue structures

To produce a tubular fabric with cilia on the fabric surface, various variants were developed for a multi-layer fabric with naps pointing into the interior of the tube. The fabrics were manufactured using commercially available shuttle loom technology with a Jacquard unit for versatile adaptation of the fabric structure.

The tubular base structure was woven from polyester threads. Depending on the variant, cilia threads or a combination of cilia threads (piezoelectric PVDF or Nitinol threads) and conductor threads (silver-plated polyamide, Madeira HC40) were incorporated into the base fabric. The use of conductor threads was necessary when using electroactive PVDF multifilament threads or short fibres to stimulate cilia movement. When using one-way or two-way shape memory (SM) filaments as cilia material, no separate conductor filaments had to be incorporated into the fabric, as the SM filaments were directly contacted and conductive in order to initiate the movement of the cilia.

Development of biomimetic support structures

The human trachea has approximately 15 to 20 tracheal cartilages. They are horseshoe-shaped, have a diameter of 20 mm, with the open side facing dorsally (towards the back), and are approximately 4 mm wide and 1 mm thick. Their outer surface is flat and the inner surface is convex. Tracheal cartilages that can be integrated into the web (cartilage clips/support structures) should be manufactured using 3D printing and should be able to withstand a compression force of at least 1.2 N.

Based on this geometry, a total of 10 different models were developed. The differences in geometry resulted from variations in the leg geometry (C- and U-shaped), wall thickness and radius. The support structures were produced using photopolymer printing based on the stereolithography concept with an Objet 30 Prime from Stratasys in order to achieve the necessary geometric details. Exemplary structures are shown in Figure 1.

To examine the cartilage structures, clamps that meet the requirements for commercially available measurement technology were developed, designed and implemented using 3D printing. The clamps developed enable pressure loading in various anatomical positions of the cartilage segments (anterior-posterior & medial-lateral).

Integration of support structures into the tissue structure

Based on the previously presented woven tubular fabric, including the naps anchored in the base fabric on the fabric surface, a weaving structure was developed that could accommodate and fix the developed support structures at defined intervals in the base fabric. The integration of the support structures was achieved by weaving a fabric pocket over the entire circumference of the fabric. The dimensions (width and thickness) of the fabric pocket were adapted to those of the support structures, which were fixed between two layers of fabric and secured against slipping and "twisting out" of the structure. The number of support structures per defined fabric length was adjustable in terms of binding, and different clip widths could also be integrated into the tubular fabric by adjusting the fabric pocket size. The implemented demonstrator is shown in Figure 3. The inward-facing cilia and tissue pockets with the integrated support structures are clearly visible.

Textile physical analysis of the support and tissue structures as well as movement analysis

The average tensile strength of the human trachea is approximately 230 N [8]. The tubular tissue structures with integrated support structures exhibited a maximum tensile strength of approximately 4300 N. A yield strength of approximately 1400 N was determined. This means that the mechanical requirements of the human trachea are fully met. All support structures developed to prevent the trachea from collapsing exhibited a compression force greater than 1.2 N. In some cases, the target value was exceeded tenfold.

In addition, the influence of repeated or cyclic tensile loading on the position of the support structures integrated into the tissue was investigated. To this end, a load cycle test with 150 cycles was performed, in which a tensile load of up to a maximum force of 230 N (target value) was repeatedly applied, followed by relief to the initial position. A sample holder was developed and implemented for this purpose so that the tubular structure was loaded biomimetically across the entire cross-section. The results show that the support structures woven into the tissue pockets remained firmly fixed and did not "twist out" in the circumferential direction. The selected integration and fixation method thus ensures permanent positional stability under cyclic loading.

Motion analysis of the various patterns showed that PVDF fibres did not enable ciliary movement. However, the SM filaments with a two-way effect demonstrated repeatable ciliary movement. This approach can be used in the future to replicate the functioning of human cilia. As a further alternative approach, fabrics with parallel conductor threads were flocked with polyamide short fibres. Using an alternating electric field, intermittent cilia movement could also be simulated here.

Summary

A novel tracheal implant was developed at ITM that excellently replicates the macroscopic structure of the human trachea. The developed structure could be manufactured using commercially available shuttle weaving technology without any design modifications. To maintain a pressure-stable tubular structure, 3D-printed support structures were integrated into tissue pockets. Production can be carried out integrally and can be adapted to individual patients in terms of tissue length, support structure spacing, number of support structures and pressure stability. In addition, various concepts were investigated to replicate the microscopic structure in order to generate mass transport. The basis for this was the creation of polnop tissue and the use of piezoelectric PVDF fibres. It was found that PVDF nubs did not allow for movement on a microscopic scale. Ciliary movement was achieved using other actuator fibres such as nitinol fibres. Ciliary movement can also be achieved using flock fibres.

Acknowledgements

The project ‘Tubular tissues with rigid and flexible structural zones and mass transport for the biomimetic construction of the trachea (01IF22889N)’ is funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy as part of the ‘Industrial Collective Research (IGF)’ programme on the basis of a resolution passed by the German Bundestag.

References

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[2]  Udelsma, Brooks; Mathisen, Douglas J.; Ott, Harald C.: A reassessment of tracheal substitutes—a systematic review. In: Annals of Cardiothoracic Surgery 7 (2018), No. 2, pp. 175–182. URLhttps://www.annalscts.com/article/view/16458/16661

[3]  BVMe d:  BVMed provides information on tracheotomy and laryngectomy care. URL https://www.bvmed.de/verband/presse/pressemeldungen/bvmed-informiert-ueber-tracheotomie-und-laryngektomie-versorgung. – Update date: 19 May 2016 – Review date: 15 October 2025

[4]  Canzan, F.; Aggazzotti Cavazza, E.; Mattioli, F.; Ghidini, A.; Bottero, S.; Presutti, L.: Step-by-Step Tracheal Resection with End-to-End Anastomosis. In: Ghidini, Angelo; Mattioli, Francesco; Bottero, Sergio; Presutti, Livio (eds.): Atlas of Airway Surgery :  ACham: Springer International Publishing, 2017, pp. 75–82

[5]  Weme, Richard D.; Detamore, Michael; Weatherly, Robert A.: Immunohistochemical characterisation of rabbit tracheal cartilages. In: Journal of Biomedical Science and Engineering 03 (2010), No. 10, pp. 1007–1013

[6]  Damian o, Giuseppe; Palumbo, Vincenzo Davide; Fazzotta, Salvatore; Curione, Francesco; Lo Monte, Giulia; Brucato, Valerio Maria Bartolo; Lo Monte, Attilio Ignazio: Current Strategies for Tracheal Replacement: A Review.  In: Life 11 (2021), No. 7, pp. 618. URLhttps://www.mdpi.com/2075-1729/11/7/618

[7]  Rettinge, Gerhard; Hosemann, Werner; Hüttenbrink, Karl-Bernd; Werner, Jochen Alfred: ENT Surgery : . 5th, completely revised edition. Stuttgart: Thieme, 2018

[8]  A. Berghau s: . In: Cardiac, Thoracic and Vascular Surgery 1987 (1987), Volume 1. URL https://epub.ub.uni-muenchen.de/6218/1/6218.pdf – Review date 2025-10-15

Ausgangssituation und Problemstellung

Die Luftröhre (Trachea) erfüllt zwei Hauptfunktionen: (I) Realisierung des luftdichten und mechanisch stabilen Übergangs vom Kehlkopf zum Bronchialbaum der Lunge für den Lufttransport und (II) Erleichterung des Schleimabtransports. Funktion (I) übernimmt. eine röhrenförmige Konstruktion aus Knorpelspangen und Längsmuskeln, die für die seitliche Stabilität sowie die Längsflexibilität sorgen. Auf diese Weise wird das Lumen für die Atemluft offengehalten. Zusätzlich wird beim Einatmen die Atemluft angefeuchtet und erwärmt. Funktion (II) ist ein Reinigungsmechanismus, der durch eine besondere Schleimhautschicht (mukoziliäre respiratorische Epithelschicht) erfüllt wird. Hierbei übernehmen schleimproduzierende Zellen und Zellen mit Flimmerhärchen (Zilien) auf der Oberfläche den Transport von Schleim und Partikeln [2].

Nach einer Verletzung der Trachea sind diese Funktionen durch das Einsetzen einer Trachealkanüle beeinträchtigt. So werden in Deutschland jährlich 53.000 Trachearesektionen (Ersetzen eines Teils der Trachea) durchgeführt [3]. Ein hoher Anteil, etwa 40.000 Patienten erhalten dabei eine außerklinische Versorgung durch eine operativ geschaffene Öffnung in der Luftröhre, ein sogenanntes Stoma [3]. Diese Versorgung ist mit erheblichen Nachteilen verbunden: 1. einer schlechteren Befeuchtung und Erwärmung der Atemluft, 2. eines schlechteren Geruchs- und Geschmackssinns, 3. einer fehlerhaften Stimmbildung, und 4. einer Verengung der Luftröhre.

Der Gold-Standard für die Rekonstruktion der Trachea ist die End-to-End Anastomose, bei der ein Teil der Luftröhre entfernt und die verbleibenden Enden miteinander vernäht werden [4]. Für die Anwendung muss aber bei Erwachsenen mindestens die Hälfte und bei Kindern ein Drittel der Trachea vorhanden bleiben, da die Operation sonst nicht durchgeführt werden kann [5]. Trotzdem treten in bis zu 20 % der operierten Fälle Komplikationen auf [6]. Da auf die vernähten Tracheaenden große Kräfte wirken, kann dies zum Ausreißen der Naht und zu einer Verschiebung der Luftröhre in den Brustraum führen. Auch besteht die Gefahr, dass die Enden nicht richtig zusammenwachsen und es zu narbigen Verengungen der Luftröhre, Luftröhrenentzündungen, Heiserkeit, Stimmverlust und Lähmung der Stimmlippennerven sowie Schluckstörungen kommt [7]. Bisher untersuchte Ansätze – darunter synthetische Implantate, Konstrukte aus patienteneigenem Gewebe, Spendertracheen und Tissue-Engineering-Verfahren – konnten bislang keine funktionsfähige Zilienschicht für den Schleim- und Partikeltransport nachbilden. Weder diese fehlende Transportfunktion noch die hohe Komplikationsrate und der Mangel an geeignetem Spendergewebe erlauben aktuell einen verlässlichen Einsatz bei größeren Tracheadefekten nach einer klinisch notwendigen Resektion. Deshalb steht derzeit kein Implantat als adäquater Tracheaersatz zur Verfügung.

Somit ist es notwendig, neuartige Implantate zu entwickeln, die sowohl die mechanische Stabilität, als auch die innere Transportfunktion der natürlichen Trachea nachahmen. Ziel des durchgeführten IGF-Projekts war es deshalb ein textiles, funktionelles und biomimetisches Schlauchgewebe zu entwickeln. Dieses Gewebe sollte eine zilienähnliche Struktur für den aktiven Stofftransport aufweisen. Gleichzeitig sollten rigide, 3D-gedruckte Stützstrukturen, die bereits während des Webprozesses integriert werden können, das Schlauchgewebe vor einem Kollaps schützen. Beide Aspekte dienen dazu, fehlendes oder entferntes Tracheagewebe sicher zu überbrücken. Die Zilienbewegung sollte hierbei durch elektroaktive piezoelektrische PVDF-Fasern realisiert werden, die in Form von Polnoppen in das Gewebe integriert wurden. Die Aktivierung der Zilienbewegung soll hierbei durch den piezoelektrischen Effekt erfolgen, der durch das erzeugte elektrische Feld von stromdurchflossenen Leitern aktiviert wurde.

Entwicklung tubulärer Gewebestrukturen

Zur Herstellung eines tubulären Gewebes mit Zilien an der Gewebeoberfläche wurden verschiedene Varianten für ein mehrlagiges Gewebe mit in das Schlauchinnere zeigende Polschlaufen entwickelt. Die Gewebe wurden mittels marktverfügbarer Spulenschützenwebmaschinentechnologie unter Verwendung einer Jacquardeinheit für eine vielseitige Anpassung der Gewebestruktur gefertigt.

Die schlauchförmige Grundstruktur wurde aus Polyesterfäden gewebt. Je nach Variante wurden Zilienfäden bzw. eine Kombination aus Zilienfäden (piezoelektrisches PVDF oder Nitinol-Fäden) und Leiterfäden (besilbertes Polyamid, Madeira HC40) in das Grundgewebe eingebunden. Der Einsatz von Leiterfäden war bei Verwendung von elektroaktiven PVDF-Multifilamentfäden oder Kurzfasern nötig, um die Zilienbewegung anzuregen. Beim Einsatz von Ein- bzw. Zwei-Weg-Formgedächtnis (FG)-Fäden als Zilienmaterial waren keine separaten Leiterfäden in das Gewebe einzubinden, da die FG-Fäden direkt kontaktiert wurde und leitfähig waren, um die Bewegung der Zilien einzuleiten.

Entwicklung biomimetischer Stützstrukturen

Die menschliche Luftröhre besitzt etwa 15 bis 20 Trachealknorpel. Sie sind hufeisenförmig, haben einen Durchmesser von 20 mm, wobei die offene Seite nach dorsal (zum Rücken gewandt) weist, und etwa 4 mm breit und 1 mm stark ist. Ihre Außenfläche ist plan und die nach innen weisende Oberfläche konvex. Webtechnisch integrierbare Trachealknorpel (Knorpelspangen/Stützstrukturen) sollten mittels 3D-Druck gefertigt werden und sollten einer Kompressionskraft von mind. 1,2 N standhalten.

Basierend auf dieser beschriebenen Geometrie wurden insgesamt 10 verschiedene Modelle entwickelt. Die Unterschiede der Geometrien ergaben sich aus der Variation in der Schenkelgeometrie (C- und U-förmig), Wandstärke und Radius. Die Erzeugung der Stützstrukturen wurde mittels Photopolymerdruck nach dem Stereolithographiekonzept mit einem Objet 30 Prime, Fa. Stratasys umgesetzt, um die notwendigen Geometriedetails realisieren zu können. Exemplarische Strukturen sind in Abbildung 1 dargestellt.

Zur Untersuchung der Knorpelstrukturen sind anforderungsgerechte Klemmen für marktverfügbare Messtechnik entwickelt, konstruiert und mittels 3D-Druck umgesetzt worden. Die entwickelten Klemmen ermöglichen eine Druckbelastung in verschiedenen anatomischen Lagen der Knorpelspangen (anterior-posterior & medial-lateral).

Integration der Stützstrukturen in die Gewebestruktur

Auf Basis der zuvor vorgestellten Bindung für das Schlauchgewebe inklusive der im Grundgewebe verankerten Schlaufen an der Gewebeoberfläche, wurde eine Bindung entwickelt, welche die entwickelten Stützstrukturen in definierten Abständen im Grundgewebe aufnehmen und fixieren konnte. Die webtechnische Integration der Stützstrukturen wurde durch das Weben einer Gewebetasche über den gesamten Schlauchumfang des Gewebes realisiert. Die Dimensionen (Breite und Dicke) der Gewebetasche wurden an die der Stützstrukturen angepasst, wodurch diese zwischen zwei Gewebelagen fixiert und gegen ein Verrutschen sowie ein „Herausdrehen“ aus der Struktur gesichert wurden. Die Anzahl der Stützstrukturen pro definierter Gewebelänge war bindungstechnisch einstellbar, ebenso konnten unterschiedliche Spangenbreiten durch Anpassung der Gewebetaschengröße in das Schlauchgewebe integriert werden. Der umgesetzte Demonstrator ist in 3 dargestellt. Deutlich erkennbar sind die nach innen zeigenden Zilien und Gewebetaschen mit den integrierten Stützstrukturen.

Textilphysikalische Analyse der Stütz- und Gewebestrukturen sowie Bewegungsanalyse

Die mittlere Reißkraft der menschlichen Luftröhre liegt bei ca. 230 N [8]. Die tubulären Gewebestrukturen mit integrierten Stützstrukturen wiesen eine Maximalzugkraft von ca. 4300 N auf. Dabei ist eine Streckgrenze von ca. 1400 N ermittelt worden. Somit werden die mechanischen Anforderungen der menschlichen Trachea vollständig erfüllt. Alle entwickelten Sützstrukturen zum Vermeiden des Zusammenfallens der Trachea wiesen eine höhere Kompressionskraft als 1,2 N auf. Teilweise wurde der Zielwert um das zehnfach übertroffen.

Darüber hinaus wurde der Einfluss wiederholter bzw. zyklischer Zugbelastung auf die Position der in das Gewebe integrierten Stützstrukturen untersucht. Dazu wurde ein Lastwechselversuch mit 150 Zyklen durchgeführt, bei dem eine Zugbelastung bis zu einer maximalen Kraft von 230 N (Zielkennwert) und eine anschließende Entlastung bis zur Ausgangsposition wiederholt wurde. Hierfür ist eine Probenaufnahme entwickelt und umgesetzt worden, damit die tubuläre Struktur biomimetisch über den gesamten Querschnitt belastet wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die in die Gewebetaschen eingewebten Stützstrukturen stabil fixiert blieben und kein „Herausdrehen“ in Umfangsrichtung auftrat. Die gewählte Integrations- und Fixiermethode gewährleistet somit eine dauerhafte Positionsstabilität unter zyklischer Belastung.

Die Bewegungsanalyse der verschiedenen Muster hat ergeben, dass mittels PVDF-Fasern keine Zilienbewegung ermöglicht wurde. Jedoch konnte mittels der FGL-Fäden mit einem Zwei-Wege-Effekt eine wiederholbare Bewegung der Zilien gezeigt werden. Dieser Ansatz kann zukünftig dazu verwendet werden, die Funktionsweise menschlicher Zilien nachzustellen. Als weiteren alternativen Ansatz wurden Gewebe mit parallelen Leiterfäden mit Polyamid Kurzfasern beflockt. Mittels eines elektrischen Wechselfeldes konnte auch hier eine intermittierende Zilienbewegung nachgestellt werden.

Zusammenfassung

Am ITM wurde ein neuartiges Trachealimplantat entwickelt, welches die makroskopische Struktur der menschlichen Luftröhre hervorragend nachbildet. Die entwickelte Struktur war mittels marktverfügbarer Schützenwebtechnologie ohne eine konstruktive Anpassung herstellbar. Zum Erhalt einer druckstabilen tubulären Struktur sind 3D-gedruckte Stützstrukturen in Gewebetaschen integriert worden. Die Fertigung kann integral erfolgen und ist patientenindividuell anpassbar in Gewebelänge, Stützstrukturabstand, -anzahl und Druckstabilität. Darüber hinaus wurden zur Nachbildung der mikroskopischen Struktur verschiedene Konzepte untersucht, um einen Stofftransport zu erzeugen. Grundlage war die Erzeugung von Polnoppengeweben und der Verwendung von piezoelektrischen PVDF-Fasern. Hierbei hat sich herausgestellt, dass mittels PVDF-Noppen keine Bewegung im mikroskopischen Maßstab erzielbar war. Mittels anderer Aktorfasern wie Nitinolfasern konnte eine Zilienbewegung erzeugt werden. Zudem ist auch mittels Flockfasern eine Zilienbewegung erzeugbar.

Danksagung

Das Projekt „Tubuläre Gewebe mit rigiden und flexiblen Strukturzonen und Stofftrans-port zum biomimetischen Aufbau der Trachea (01IF22889N)“ wird im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Literaturverzeichnis

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Introduction

The size of the CF-CFRP (carbon fiber-reinforced plastics) market was estimated at USD 21.12 billion in 2023. It is projected to grow from USD 22.57 billion in 2024 to USD 38.4 billion by 2032, with a CAGR of approximately 6.86% during the forecast period (2024–2032) [1]. Due to their high specific stiffness and strength, CFRPs are widely used in the automotive, sports, leisure, and aerospace industries [2]. However, CFRP components are brittle under impact loading, which can result in catastrophic failure and severe splintering [3]. This brittleness raises concerns for the use of thermoset CFRP structures in safety-critical components such as wind turbine blades or automotive B-pillars.

Current hybridization concepts aim to combine materials with high stiffness, strength, and ductility [4]. Existing approaches integrate carbon fibers (CF) with stainless steel fibers (MF) or elastomer fibers (EF) using metal or elastomer films in fiber-metal laminates (FMLs), such as CARALL [5–8], or in elastomer-based laminates, such as KRAIBON [9–14]. Metal films offer higher energy absorption due to their plastic deformability and elongation at break of up to 20%, surpassing CFRP and carbon/aramid hybrid composites [15–17]. Elastomer films reduce hazardous splintering under dynamic loading due to their elastic deformation behavior [9]. While such multilayer systems improve impact and splinter resistance, they also carry a high risk of delamination [18]. Moreover, there is a lack of cost-effective and sustainable composites with enhanced impact and splinter properties that fully utilize the benefits of their individual components.

Objective

The goal of this research project was the simulation-based development of novel three-component hybrid yarns with micro-scale hybridization using three distinct material concepts. These yarns were then used to produce functional composite structures for sustainable lightweight applications. By strategically combining ductile metal fibers (MF), highly elastic elastomer fibers (EF), and high-stiffness, high-strength recycled carbon fibers (rCF), scalable composites with tailored mechanical properties were developed.

The developed hybrid yarns form the basis for application-specific composites with high energy absorption capacity and improved damage resistance.

Hybrid Yarn Structures and Related Composites: Development and Characterization

Development and Production of Hybrid Yarns Using Flyer Spinning Technology

Starting from the selected and characterized rCF and EF fiber materials with an average fiber length of 80 mm and defined blend ratios, the fibers were prepared using mechanical pre-opening and blending units. The pre-opened and pre-mixed fibers were processed using a lab-scale carding machine to produce card slivers of rCF and EF. Characterization of these slivers revealed a CF damage level of 10–25%, while EF fibers showed no length reduction.

To avoid damaging the stainless steel fibres during carding, card slivers were firstly produced that were either 100% rCF or a blend of rCF and EF. These were combined with 100% MF slivers to develop sandwich-type structures (rCF/MF or rCF/EF/MF slivers), which served as feed material for the drafting process. The slivers were drafted multiple times to enhance fiber blending and homogeneity. These drafted slivers were then used to produce hybrid yarns.

The ITM’s specialized flyer spinning machine was modified to optimize drafting mechanics, sliver feed, and machine settings to avoid fiber misalignment. Based on experimental investigations, optimal settings were determined, and hybrid yarns with a yarn count of 1500 tex and twist levels ranging from 40 to 150 T/m were produced. These yarns were characterized in accordance with DIN EN ISO 13934-1, evaluating unevenness, yarn structure, and tensile behavior, and were subsequently used to produce composite.

Manufacturing of Recycled Carbon Fiber-Reinforced Composite

Using the developed hybrid yarns, unidirectional (UD) composites were produced via the resin transfer molding (RTM) process. The hybrid yarns were wound under constant tension onto a frame and consolidated under optimized parameters. The resin system consisted of Hexion RIMH 135 and hardener Hexion RIMH 137.

Composite characterization followed standardized test methods. Tensile specimens were prepared based on DIN EN ISO 527-5/A/2, with tensile testing conducted according to             DIN EN ISO 527-4. The flexural properties were evaluated in accordance with DIN EN ISO 14125 and impact resistance was assessed using DIN EN ISO 179-2 (Charpy method). The compression-after-impact (CAI) performance was measured following DIN ISO 18352. Additionally, a custom test rig was developed to analyze splintering behavior using a ZwickRoell HTM 5020 high-speed testing machine. Puncture resistance was evaluated according to DIN EN ISO 6603-2.

Selected Results and Discussion

Fig. 1 presents the relationship between flexural strength and modulus for various twist levels in hybrid yarn-based composites at a constant fiber volume content of 50 vol%. Both a CF-filament-based reference composite and three UD composites made from rCF/MF hybrid yarns (90 wt% rCF / 10 wt% MF) were investigated, differing only in yarn twist (40, 80 and 120 T/m). The reference composite achieved 725 ± 35 MPa flexural strength and a modulus of 74 ± 8 GPa. Notably, the T40 hybrid variant surpassed these values, reaching 806 ± 18 MPa and 83 ± 4 GPa, respectively.

However, increasing the yarn twist (80 and 120 T/m) led to a continuous decline in flexural properties. The intensified helical structure reduces fiber alignment in the load direction, which weakens load transfer and overall flexural performance.

Fig. 2 shows the impact strength of composites made from rCF/MF hybrid yarns at varying yarn twist levels. Results indicate a trend of increasing impact strength with higher twist (40 → 120 T/m), from 85 kJ/m² to 117 kJ/m². This improvement is attributed to a more compact yarn structure, enhanced fiber cohesion, and improved energy absorption during impact. Additionally, the tighter fiber arrangement enhances load transfer and structural integrity by reducing the number of loose fiber ends, resulting in greater resistance to sudden loads.

Summary

As part of the IGF research project 01IF22916N, a complete, industry-ready process chain for producing three-component hybrid yarns from rCF, MF, and EF was successfully developed at the ITM of TU Dresden. The process chain comprises fiber preparation, carding, and drafting to form slivers, followed by modified flyer spinning to produce hybrid yarns.

Proof of concept was provided through the production of hybrid yarns with defined fiber volume contents and a functional demonstrator. Fig. 3 illustrates the full process chain from fiber preparation to demonstrator production from rCF, MF and EF at ITM. The resulting yarns ranged from 1500 to 3500 tex and were successfully processed into textile preforms. The resulting composites demonstrated excellent mechanical performance: a maximum flexural strength of 806 ± 18 MPa, flexural modulus of 83 ± 4 GPa, and an impact strength of up to 117 ± 17 kJ/m².

The results show that yarn twist significantly influences composite mechanical properties: moderate twist enhances flexural behavior, while higher twist improves impact resistance. By adjusting the yarn twist level, the mechanical performance of hybrid composites can be effectively tailored.

These novel hybrid yarns are particularly suited for producing cost-efficient, high-performance thermoset composites with complex geometries. Their application-specific performance and process-integrated production offer high innovation and market potential, especially in the fields of materials engineering, lightweight design, sustainability, and resource efficiency. For small and medium-sized enterprises (SMEs) in the textile industry, this technology provides opportunities to develop advanced fiber-reinforced products and establish themselves as key suppliers in sectors such as automotive, mechanical engineering, wind energy, aerospace, medical technology, and sports equipment.

Acknowledgements

The IGF project 01IF22916N of the research association Forschungskuratorium Textil e.V. was funded via the DLR within the framework of the program for the promotion of industrial collaborative research and development (IGF) by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action, based on a resolution of the German Bundestag. We thank the aforementioned institutions for their financial support.

References

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Einleitung

Die Größe des CF-CFK-Marktes wurde im Jahr 2023 auf 21,12 Milliarden US-Dollar geschätzt. Die Branche des CF-CFK-Markets wird voraussichtlich von 22,57 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 38,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2032 wachsen. Die Markt-CAGR (Wachstumsrate) wird im Prognosezeitraum 2024–2032 voraussichtlich bei etwa 6,86% liegen [1]. Dank ihrer hohen gewichtsspezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten finden CFK breite Anwendung in der Automobil-, Sport-, Freizeit- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie [2]. Jedoch sind CFK-Bauteile bei Schlagbelastung sehr spröde, was zu katastrophalen Schäden und starker Splitterbildung führen kann [3]. Deshalb ist der Einsatz von duroplastischen CFK-Strukturen in sicherheitsrelevanten Komponenten, wie Rotorblättern von Windkraftanlagen und PKW-B-Säulen, kritisch zu betrachten. Aktuelle Hybridisierungskonzepte zielen darauf ab, Materialien mit hoher Steifigkeit, Festigkeit und Duktilität zu vereinen [4]. Bestehende Ansätze kombinieren Carbonfasern (CF) mit Edelstahlfasern (MF) oder Elastomerfasern (EF) in Schichten aus Metallfolien und CFK als Faserverbund-Metall-Laminate (FML), bspw. CARALL [5-8], oder Elastomerfolien und CFK als Faserverbundlaminate, bspw. KRAIBON [9-14]. Metallfolien bieten aufgrund ihrer plastischen Verformbarkeit mit Bruchdehnungen von bis zu 20 % eine höhere Energieabsorption als CFK und Carbon/Aramid-Hybridcomposites [15-17]. Elastomerfolien reduzieren durch ihre elastische Verformbarkeit die gefährliche Splitterbildung unter dynamischer Belastung [9]. Diese Schichtsysteme verbessern das Impact- und Splitterverhalten zwar, bergen jedoch ein hohes Delaminationsrisiko [18]. Darüber hinaus fehlen kostengünstige und nachhaltige Composites mit geeigneten Impact- und Splittereigenschaften, die die Vorteile der Einzelkomponenten voll ausschöpfen und kostengünstig sowie nachhaltig sind.

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsvorhabens war die simulationsgestützte Entwicklung neuartiger Dreikomponenten-Hybridgarne, die auf Mikroebene hybridisierter sind, auf Basis dreier unterschiedlicher Materialkonzepte sowie deren Umsetzung in funktionale Compositestrukturen für nachhaltige Leichtbauanwendungen. Durch die gezielte Kombination duktiler Metallfasern (MF), hochelastischer Elastomerfasern (EF) sowie hochsteifer und hochfester recycelter Carbonfasern (rCF) sollten Verbundwerkstoffe mit skalierbaren mechanischen Eigenschaften entstehen.

Diese entwickelten Hybridgarne bildeten die Grundlage für die maßgeschneiderte Entwicklung von Composites für anwendungsorientierte Leichtbaulösungen mit hohem Energieabsorptionspotenzial und erhöhter Schadensresistenz.

Hybridgarnstrukturen und Composites: Entwicklung und Charakterisierung

Entwicklung und Fertigung von Hybridgarnen mittels Flyerspinntechnologie

Ausgehend von den ausgewählten und charakterisierten Fasermaterialien rCF und EF mit einer mittleren Faserausgangslänge von 80 mm und mit einem definierten Mischungsverhältnis wurden die Fasern mithilfe mechanischer Voröffnungs- und Vormischvorrichtungen aufbereitet. Anschließend wurden die vorgeöffneten und vorgemischten Fasern eine Speziallaborkrempel zugeführt, um Krempelbänder aus rCF und EF zu entwickeln. Die Charakterisierung der Krempelbänder zeigte, dass der Schädigungsgrad der Carbonfasern (CF) zwischen 10 und 25 % lag und die EF keine Fasereinkürzung aufweist.

Zum Schutz der Edelstahlfasern wurde zunächst ein Faserband aus 100 % rCF oder aus rCF und EF mit definierten Mischungsverhältnissen hergestellt. Anschließend wurden aus diesen und 100 % MF-Bändern Sandwichbandstrukturen (rCF/MF-Band oder rCF/EF/MF-Band) hergestellt, die als Ausgangsmaterial für die Strecke dienten. Zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Faserbandes und zur besseren Durchmischung von rCF, EF und MF in der Faserstruktur wurde das Band mehrfach verstreckt. Die hergestellten Streckenbänder stehen für die weitere Entwicklung von Hybridgarnen zur Verfügung.

Zur Entwicklung von Hybridgarnen wurde der ITM-Spezialflyer hinsichtlich des verzugsstörungsfreien Streckwerks, der Bandzuführelemente und der Maschineneinstellparameter modifiziert. Anschließend wurden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Aus den ermittelten optimalen Einstellungen des ITM-Spezialflyers wurden Hybridgarne mit einer Feinheit von 1500 tex und verschiedenen Garndrehungen von 40-150 T/m hergestellt. Die entwickelten Hybridgarne wurden in Anlehnung an DIN EN ISO 13934-1 hinsichtlich Ungleichmäßigkeit, Garnstruktur und Kraft-Dehnungsverhalten charakterisiert und stehen für die Herstellung von Verbundplatten zur Verfügung.

Fertigung von recycelten carbonfaserverstärkten Verbundplatten

Auf Basis der entwickelten Hybridgarne wurden unidirektionale (UD) Verbundplatten mittels des RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding) hergestellt und charakterisiert. Hierzu wurden die Hybridgarne zunächst unter konstanter Spannung gleichmäßig auf einen Wickelrahmen gewickelt und anschließend mit optimierten Parametern konsolidiert. Als Harzsystem kam das Injektionsharz Hexion RIMH 135 in Kombination mit dem Härter Hexion RIMH 137 zum Einsatz.

Im Rahmen der Verbundcharakterisierung kamen mehrere genormte Prüfverfahren zur Anwendung. Die Probekörper für den Verbundzugversuch wurden in Anlehnung an DIN EN ISO 527-5/A/2 hergestellt und die Zugprüfung erfolgte gemäß DIN EN ISO 527-4. Zur Bestimmung der Biegeeigenschaften faserverstärkter Kunststoffe wurde die Norm DIN EN ISO 14125 herangezogen und die instrumentierte Schlagprüfung erfolgte nach DIN EN ISO 179-2, welche die Charpy-Schlageigenschaften beschreibt. Zur Bewertung der Restdruckfestigkeit nach Schlagbeanspruchung kam das CAI-Verfahren gemäß DIN ISO 18352 zum Einsatz. Ergänzend wurde ein Prüfstand zur optischen Analyse des Splitterverhaltens entwickelt, wobei die Hochgeschwindigkeitsprüfmaschine HTM 5020 von ZwickRoell zum Einsatz kam. Die Durchstoßversuche orientierten sich an der Norm DIN EN ISO 6603-2.

Ergebnisse und Diskussion (Auswahl)

Das in Abb. 1 dargestellte Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Verbundbiegefestigkeit und dem Biegemodul bei verschiedenen Garndrehungen eines Faserverbundmaterials mit einem konstanten Faservolumenanteil von 50 Vol.- %. Es wurden sowohl ein Referenzverbund aus CF-Filamentgarnen als auch drei Varianten eines unidirektionalen (UD) Verbunds untersucht, die aus entwickelten rCF/MF-Hybridgarnen bestehen. Diese Hybridgarne setzen sich aus 90 Masse- % recycelten Carbonfasern (rCF) und 10 Masse-% Metallfasern (MF) zusammen. Sie unterscheiden sich ausschließlich in der Garndrehung (40, 80 und 120 T/m). Der Referenzverbund erreicht mit einer Biegefestigkeit von etwa 725 ± 35 MPa und einem Biegemodul von ca. 74 ± 8 GPa bereits ein gutes mechanisches Eigenschaftsprofil. Bemerkenswert ist jedoch, dass die Variante mit moderater Garndrehung (T40) diese Werte übertrifft: Sie erreicht eine Biegefestigkeit von 806 ± 18 MPa und ein Biegemodul von 83 ± 4 GPa und erzielt damit die höchsten Werte innerhalb der untersuchten Proben. Mit zunehmender Garndrehung (T80 und T120) nehmen hingegen die Verbundbiegefestigkeit und das Biegemodul stetig ab. Die verstärkte Helixstruktur führt zu einer weniger effektiven Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung. Dadurch wird die tragende Wirkung in Faserrichtung reduziert und die Verbundwirkung unter Biegebelastung geschwächt.

Die Abb. 2 zeigt die Schlagfestigkeit von Verbundwerkstoffen, die auf Basis neu entwickelter Hybridgarne aus recycelten Carbonfasern (rCF) und gehobelten Metallfasern (MF) hergestellt wurden. Dabei wurde die Schlagzähigkeit in Abhängigkeit von der Garndrehung untersucht. Es wurden drei Verbundplatten mit unterschiedlichen Garndrehungen (T40, T80 und T120) analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Schlagfestigkeit tendenziell mit steigender Garndrehung (T40 → T120) zunimmt. Bei einer niedrigen Drehung (T40) beträgt die Schlagfestigkeit etwa 90 kJ/m² und bei der höchsten Drehung (T120) eine deutliche Steigerung der Schlagzähigkeit auf etwa 117±17 kJ/m². Dies legt nahe, dass eine höhere Drehung zu einer verbesserten Mikrostruktur und somit zu einer effizienteren Energieaufnahme bei Schlagbelastung führt. Dadurch erhöht sich die Kohäsion zwischen den Fasern, was die Energieaufnahmefähigkeit beim Schlag verbessert. Zudem bewirkt die engere Verspannung der Fasern eine bessere Lastübertragung im Verbund. Eine höhere Garndrehung reduziert auch die Anzahl loser Faserenden, was die strukturelle Integrität steigert. Insgesamt resultiert daraus ein widerstandsfähigeres Material gegenüber schlagartiger Beanspruchung.

Zusammenfassung

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens 01IF22916N wurde am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden eine durchgängige Prozesskette zur industriellen Herstellung von dreikomponentigen Hybridgarnen aus recycelten Carbonfasern (rCF), Metallfasern (MF) und Elastomerfasern (EF) erfolgreich entwickelt und umgesetzt. Die entwickelte Prozesskette umfasst die Faseraufbereitung und Charakterisierung, Krempel- und Verstreckungsprozess zur Bildung eines Faserbandes und die modifizierte Garnbildung im Flyer zur Herstellung der Hybridgarne. Der Eignungsnachweis der Technologie erfolgte durch die Herstellung dreikomponentiger Hybridgarne mit definierten Faservolumengehalten sowie durch die Fertigung eines Demonstrators. Abb. 3 zeigt die vollständige Prozesskette von der Faseraufbereitung bis zur Demonstratorherstellung aus rCF, MF und EF am ITM. Die realisierten Hybridgarne weisen Feinheiten zwischen 1500 tex und 3500 tex auf und konnten erfolgreich zu textilen Halbzeugen weiterverarbeitet werden. Die daraus hergestellten Composites zeigen hervorragende mechanische Eigenschaften: eine maximale Biegefestigkeit von 806 ± 18 MPa sowie ein maximales Biegemodul von 83 ± 4 GPa. Die maximale Schlagzähigkeit liegt bei 117±17 kJ/m². Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Garndrehung einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials ausübt. Eine moderate Garndrehung kann positiv auf die Verbundbiegeeigenschaften auswirken, während eine höhere Garndrehung vorteilhaft auf die Verbundschlagfestigkeit auswirken. Insgesamt zeigt sich, dass durch die gezielte Einstellung der Garndrehung das mechanische Verhalten der Hybridverbunde erheblich beeinflusst und optimiert werden kann.

Die neuartigen Hybridgarne eignen sich besonders für die Herstellung kosteneffizienter duroplastischer Hochleistungsverbunde mit komplexer Geometrie. Durch ihre anwendungsbezogene Leistungsfähigkeit und die zugrunde liegende prozessintegrierte Technologie verfügen sie über ein hohes Innovations- und Marktpotenzial – insbesondere in den Bereichen Werkstofftechnik, Leichtbau, Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz. Für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) der Textilindustrie eröffnet sich damit die Möglichkeit, innovative Produkte und Technologien für den Faserverbundmarkt zu entwickeln und sich als leistungsfähige Zulieferer für Branchen wie Automobilbau, Maschinenbau, Luftfahrt, Medizintechnik und Sportgeräteindustrie zu positionieren.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 01IF22916N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel.

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14. FLEISCHER, J. (HRSG.): Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen – Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, 2021. – ISBN 978-3-662-62832-4
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Ausgangssituation und Problemstellung

Die erfolgreiche Therapie von Knochendefekten stellt eine große Herausforderung dar und ist von großer sozialer und medizinischer Relevanz, insbesondere in einer alternden Gesellschaft. Die demografische Entwicklung der Gesellschaft wird zwangsläufig zu einer Zunahme von Revisionen (Wechseloperationen) führen. Die Gründe hierfür sind vielfältig und liegen u. a. in der limitierten Lebensdauer der Endoprothesen sowie in Komplikationen wie Lockerungen, Frakturen oder Infektionen [1]. Jede Revision geht dabei mit einem erhöhten Knochenverlust einher und führt zur Entfernung des umgebenden Weichgewebes (Muskeln, Sehnen, Bänder, Bindegewebe). Das Weichgewebe ist jedoch für die Funktionalität der Gliedmaßen, beispielsweise die aktive Kniestreckung oder die Vermeidung von Hinken [2], unerlässlich. Eine unzureichende Weichteildeckung kann zudem schwerwiegende Komplikationen wie Auskugeln und periprothetische Infektionen verursachen, insbesondere bei großen Defekten.

Die Behandlung von Knochendefekten erfordert daher sowohl die Implantation einer Endoprothese als auch die Rekonstruktion, einschließlich der Verbindung des umgebenden Weichgewebes mit der Endoprothese. Allerdings wird die Rekonstruktion des Weichgewebes heute meist unzureichend durchgeführt [2, 3]. Lediglich bei sog. Megaprothesen wird ein einfacher gestrickter PES-Schlauch als Anbindungsschlauch zur Fixation von Weichgewebe als Zusatzprodukt beschrieben. Allerdings weisen bisherige Lösungen eine unzureichende Stabilität auf und/ oder bedingen einen hohen Konfektionsaufwand während des operativen Eingriffs. Eine vergrößerte Oberfläche durch Falten und Taschenbildung des Anbindungsschlauchs kann das Risiko von Infektionen und Komplikationen erhöhen. Diese können sich auch über den Heilungsprozess der Endoprothesenimplantation hinaus erstrecken. So können periprothetische Infektionen auch Monate bis Jahre nach der Implantation auftreten. Darüber hinaus können nicht resorbierbare (nicht im Körper abbaubare) Materialien zu langanhaltenden Problemen im Körper führen. Dazu zählen Heilungsstörungen sowie akute und chronische Infektionen. [4, 5]. Zudem resultiert ein signifikanter Verlust an Weichgewebe bei einer Revision durch herausschneiden des verwachsenen PES-Schlauchs, der wiederrum die Wahrscheinlichkeit von Komplikationen erhöht. Die Verwendung eines synthetischen, nicht resorbierbaren Implantats wird daher kritisch gesehen und ist nur bei zwingend notwendigen großen Knochenverlusten indiziert. In der Mehrzahl der Fälle, in denen Endoprothesen implantiert werden, wird auf die Verwendung eines Anbindungsimplantats verzichtet. Die daraus resultierenden Einschränkungen hinsichtlich der Funktionalität werden aus Sorge vor schwerwiegenderen Komplikationen toleriert.

Zur signifikanten Verbesserung der Anbindung von Weichgewebe an die Endoprothese ist die Entwicklung eines resorbierbaren sowie leicht und individuell an die jeweilige Prothesengeometrie anpassbaren Anbindungsimplantats nötig.

Entwicklung des umlaufenden Schusseintragssystems

Die Wirktechnik bietet hervorragende Lösungsansätze zur Entwicklung von Anbindungsimplantaten, die leicht an die Geometrie und die Länge der implantierten Endoprothese angepasst werden können und ausreichend Festigkeit bietet, um ein Ausreißen bei Belastung zu vermeiden. Verfahrens- und strukturbedingt weisen Gewirke bereits eine gute Dimensionsstabilität auf und gestatten eine große Vielfalt der Strukturgestaltung. Die Entwicklung einer schlauchförmigen Struktur mit integrierten, umlaufenden Schussfäden wird als vielversprechende Lösung für intraoperativ individualisierbare Verbindungsimplantate erachtet. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Chirurgen, den Durchmesser der schlauchförmigen Struktur durch Anziehen und Verknoten der umlaufenden Schussfäden präzise einzustellen. Dadurch kann der Schlauchdurchmesser schnell, individuell und faltenfrei an die Endoprothese angepasst werden, ohne dass aufwendige Konfektionsarbeiten erforderlich sind (Abbildung 1).

Allerdings erlaubt die Wirktechnik aktuell nicht, konturgerechte Schläuche ohne Jacquard-Technik herzustellen und gleichzeitig einen umlaufenden Schussfaden über den gesamten Umfang einschließlich einer Fadenreserve zu integrieren. Dazu wurde am ITM ein neues umlaufendes Schusseintragssystem entwickelt. Die Innovation der neu entwickelten Technologie liegt in der Realisierung eines nachrüstbaren, umlaufenden Schusseintragssystems mit einer Schussfadenreserve für die doppelbarrige Raschelmaschine (Abb. 2).

Der minimale Bauraum innerhalb der Wirkstelle aber auch ein positionsgenaues Fadenlegen stellen die wichtigsten Anforderungen an ein umlaufendes Schussfadensystem dar. Zur Bewegung des Fadenführers um die Wirkstelle wurde eine umschließende Führungsbahn entwickelt und umgesetzt. Sie ermöglicht das Eintragen eines durchgehenden Schussfadens im vorderen und hinteren Nadelbett. Der auf einer Spule gewickelte Schussfaden wird dazu mit Hilfe eines speziellen Fadenführers auf einer umlaufenden Bahn transportiert. Der Fadenführer bewegt sich sensorgesteuert präzise entlang des vorderen und hinteren Nadelbetts. Mit Hilfe von drehbaren Haken kann eine Fadenreserve variabel integriert werden. Diese innovative Technologie ermöglicht die Integration eines umlaufenden Schussfadens in schlauchförmige Kettengewirke, wobei die Fadenreserve in einem variablen Abstand angeordnet werden kann. Diese zusätzliche Fadenreserveeinrichtung ermöglicht die Einstellung des Schlauchdurchmessers auf die Endkontur, die für die Herstellung von Anbindungsimplantaten unerlässlich ist. Die Entwicklung dieses umlaufenden Schusseintragssystems stellt eine völlig neue Technologie dar, die unabhängig von Maschinenhersteller und Arbeitsbreite modular und effizient in jede doppelbarrige Raschelmaschine integriert oder nachgerüstet werden kann.

Entwicklung des gewirkten Anbindungsimplantats

Zur anforderungsgerechten Entwicklung eines textilen Anbindungsimplantats wurde die Struktur simulationsgestützt auf Basis der Wirktechnologie ausgelegt. Die zentrale Herausforderung bestand in der Entwicklung eines universell einsetzbaren Implantats, dass sich faltenfrei an unterschiedlichste Prothesengeometrien verschiedener Hersteller sowie an die anatomische Gegebenheiten der einzusetzenden Knochensegmente, insbesondere Femur und Tibia, anpassen lässt. Auch die variable Länge modular aufgebauter Endoprothesen musste dabei berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollte das Implantat aus einem resorbierbaren Material bestehen, das eine sichere Anbindung des Weichgewebes gewährleistet, bis das neugebildete Narbengewebe im Bereich der Endoprothese die Funktion dauerhaft übernommen hat.

Im Projekt wurde eine systematische CAE-gestützte Struktur- und Bindungsentwicklung für drei Funktionsmustern durchgeführt: 1) Endkonturnahe Schlauchstruktur mit über die Länge variablen Durchmesser; 2) definierte Formbarkeit durch Integration umlaufender Schussfäden; 3) integral gefertigte Verstärkungszonen. Zur Erreichung der geforderten mechanischen Eigenschafen, insbesondere hinsichtlich Strukturdehnung, Zugfestigkeit, lokaler Verstärkung und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Geometrien, wurden verschiedene Grundbindungen wie Franse, Samt und Teilschuss simulationsgestützt und experimentell analysiert.

Die Grundbindungen Trikot gegenlegig und Franse Teilschuss erzielten die höchsten zugmechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringster Strukturdehnung. Auf dieser Basis wurden die komplexeren Bindungskonzepte für die Funktionsmuster entwickelt. Als Vorzugslösung konnte ein Franse-Teilschuss-Schlauch mit konstantem Durchmesser und integrierten umlaufenden Schussfäden identifiziert werden. Diese Variante erfüllte die Anforderungen an Universalität und einfache Handhabung besonders gut. Die offene Struktur ermöglicht ein faltenfreies Zusammenziehen und damit eine flexible Anpassung an verschiedene Prothesengeometrien (Abb. 3).

Zur Gewährleistung der langsamen Resorption und hohen Ausreißfestigkeit wurden Seidenfibroingarne verzwirnt (Cordonnet, 70 tex) eingesetzt.

Im Anschluss an die Entwicklung wurde das Anbindungsimplantat in einem eigens entwickelten Prüfstand auf das Ausreißen hin untersucht. Im besonderen Fokus stand die Einspannvorrichtung für die Endoprothesen, die eine biomechanische Prüfung anatomischer Lastszenarien erlaubt. Im Gegensatz zu den in den herkömmlichen Prüfständen verwendeten festen Prüfwinkeln wurde ein Aufbau mit variierbaren Winkeln (0°, 15°, 30°, 45°, 60° und 90°) ausgelegt. Der Prüfaufbau erlaubt dadurch die Nachstellung von wirkenden Kräften beispielsweise beim Stehen, Gehen oder Sitzen. Die neu entwickelten Anbindungsimplantate erreichten an den Anbindungsstellen mit umlaufendem Schussfaden eine Höchstzugkraft von über 300 N. Damit entsprechen sie in etwa der Höchstzugkraft des verwendeten chirurgischen Nahtmaterials und des aktuell verfügbaren Anbindungsschlauch aus PES (ohne gezielte Degradation und ohne Möglichkeit zur Durchmesseranpassbarkeit).

Die Ausreißfestigkeit des neu entwickelten Anbindungsschlauches lässt sich durch die zusätzliche Einbindung des umlaufenden Schussfadens an weiteren Stellen gezielt steigern. Im Vergleich zur herkömmlichen Methode sind für Anpassung und Implantation des Anbindungsimplantats deutlich weniger Arbeitsschritte erforderlich, was zu einer spürbaren Reduktion in der Operationszeit führen kann. Die integrierten umlaufenden Schussfäden ermöglichen zudem eine direkte Anbindung des Weichgewebes, sodass auf zusätzliche Fäden verzichtet werden kann. Das Anbindungsimplantat kann individuell in der Länge zugeschnitten und aufgeschnitten werden, ohne dass dabei Laufmaschen entstehen oder das Gewirk aufgezogen wird. Durch die potenzielle Resorbierbarkeit des Seidenmaterials kann die Fremdkörperlast im Gewebe reduziert werden, was wiederrum das Risiko postoperativer Infektionen senken kann. Im Revisionsfall entfallen zudem aufwendige Resektionsprozesse zur Entfernung eingewachsener Implantate. Ein weiterer Vorteil liegt in der universellen Anwendbarkeit des Anbindungsimplantats: Es kann flexibel an verschiedene Prothesengeometrien angepasst werden, z. B., wie in Abbildung 4 gezeigt, an die Knieprothese.

Zusammenfassung

In Zusammenarbeit mit dem OUPC wurde am ITM ein neuartiges Anbindungsimplantat entwickelt, das sich flexibel und ohne Faltenwurf an unterschiedliche Endoprothesengeometrien anpassen lässt. Die integrierten umlaufenden Schussfäden ermöglichen nicht nur eine formgerechte Anpassung und Fixierung an der Prothese, sondern dienen zugleich als strukturelle Verstärkung an den Anbindungsstellen. Die überstehenden Fadenenden können zusätzlich zur Re-Adaption des Weichgewebes genutzt werden.

Zur Realisierung dieses Konzepts wurde am ITM ein innovatives Schusseintragssystem mit integrierter Fadenreserve entwickelt, das sich modular in jede RR-Raschelmaschine nachrüsten lässt. Durch die gezielte Strukturentwicklung lässt sich das Anbindungsimplantat leicht ab- oder einschneiden und kann so individuell an chirurgische Anforderungen und patientenspezifische Gegebenheiten angepasst werden. Diese Flexibilität erfüllt die hohen Anforderungen an ein universell einsetzbares Anbindungsimplantat.

In Ausreißversuchen konnte eine ausreichende mechanische Stabilität des Anbindungsimplantats aus langzeitresorbierbarem Seidenfibroin nachgewiesen werden.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21998 BR der Forschungsvereinigung Textil e.V. wurde über die AiF und den DLR Projektträger im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Literaturverzeichnis

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Ausgangssituation und Problemstellung

Der Trend zum ressourcenschonenden Leichtbau hat sich in nahezu allen Technikbereichen etabliert und wird durch die Notwendigkeit zur CO₂-Reduktion sowie zur Steigerung der Materialeffizienz weiter verstärkt [1–3]. Insbesondere Faserkunstoffverbunde (FKV) gelten dank ihres geringen spezifischen Gewichts und ihrer richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften als Schlüsselelemente für eine nachhaltige Auslegung von Leichtbaustrukturen [4–7]. Der Markt für glas- und carbonfaserverstärkte FKV wächst stetig, mit Anwendungen in der Luftfahrt, Automobilindustrie, Energiebranche und Medizintechnik [8–10]. Dabei gewinnen sogenannte unidirektionale Tapes (UD-Tapes) zunehmend an Bedeutung, da sie eine präzise Faserorientierung ermöglichen und in hochautomatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt werden können [11–14].

Trotz dieser Vorteile stoßen die am Markt verfügbaren UD-Tapes an ihre Grenzen, wenn es um die wirtschaftliche und materialsparende Herstellung komplexer, mehrfach gekrümmter Bauteile geht [11, 15]. Eine kurvenbahngerechte Tapeablage ist mit bestehenden Technologien nur stark eingeschränkt möglich. Insbesondere bei kleinen Kurvenradien treten Strukturdefekte wie Falten, Verzerrungen oder Gassen auf. Diese verfahrensbedingten Fehler resultieren aus dem Umstand, dass die Faserlängen an der Innen- und Außenbahn eines Kurvenverlaufs unterschiedlich sind, mit herkömmlichen Tapes jedoch nicht innerhalb eines durchgehenden Faserbandes ausgeglichen werden können. Bisherige Lösungen erfordern daher aufwändige, diskontinuierliche, segmentierte Ablageprozesse mit Überlappungsbereichen und folglich hohem Materialverschnitt und strukturellen Überdimensionierungen (siehe Abbildung 1) [16]. Das ist ein signifikanter Nachteil im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Bauteilperformance.

Gerade kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), die einen Großteil der textilen Wertschöpfungskette in Deutschland abbilden, sehen sich mit der Herausforderung konfrontiert, zunehmend komplexere, bionisch ausgelegte FKV-Bauteile wirtschaftlich und prozesssicher fertigen zu müssen. Der steigende Bedarf an maßgeschneiderten, lastpfadgerechten Strukturen erfordert neue textile Halbzeuge und Fertigungsmethoden, die eine bauteilunabhängige, verzugsfreie Ablage auch auf komplexen 3D-Konturen ermöglichen. Das mit etablierten UD-Tapes nicht umsetzbare Intra-Ply-Gleiten, also das gezielte Scheren von Tapesegmenten innerhalb eines Faserbandes, stellt dabei eine zentrale Technologiekomponente dar, die bislang nicht verfügbar ist. Hinzu kommt, dass bestehende Tapelegeanlagen in ihrer Funktionalität begrenzt sind und die für eine kurvenbahngerechte Ablage notwendigen Klemm-, Abzugs- und Fixiermechanismen nicht bereitstellen können. Die Problemstellung lässt sich daher in zwei Hauptbereiche gliedern: Zum einen fehlt ein textiltechnisch realisierbares Halbzeug, das eine mechanisch belastbare, faltenfreie sowie kurvenbahngerechte Tapeablage erlaubt: das sogenannte Curvy Tape. Zum anderen existieren bislang keine wirtschaftlich skalierbaren Ablageverfahren, die die Vorteile der UD-Tape-Technologie mit der Flexibilität einer individuell lenkbaren Faserbandführung vereinen. Die Entwicklung solcher Tapes und der zugehörigen Ablagetechnologien stellt somit einen dringenden, industriegetragenen Forschungsbedarf dar. Ziel muss es sein, durch neue Material- und Prozessansätze lastpfadgerechte Verstärkungsstrukturen effizient, materialsparend und automatisiert fertigen zu können, insbesondere für die hohe Variantenvielfalt und Kleinserienfertigung im KMU-Umfeld.

Ergebnisse

Im Rahmen des IGF-Projekts „Curvy Tapes“ wurden umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur Realisierung kurvenbahngerecht ablegbarer Tapes für die Fertigung bionisch ausgelegter FKV-Bauteile durchgeführt. Ausgangspunkt war die Erarbeitung eines technischen Anforderungskatalogs zur Spezifikation geometrischer, mechanischer und verfahrenstechnischer Zielgrößen. In enger Abstimmung mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurden Materialien, Tapestrukturen und relevante Maschinenkomponenten definiert. Unter anderem wurde die Verarbeitung von Carbonfasern mit 1600 tex auf vorhandenen Kettenwirkmaschinen der Baureihe Malimo festgelegt. Die zentralen Anforderungen umfassten u. a. eine Tapebreite von bis zu 300 mm sowie eine Gassenfreiheit < 1 mm.

Ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt lag auf der simulationsgestützten Entwicklung eines Auslegungsmodells zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Tapestrukturen und ihrer Verformung bei der Ablage. Dabei wurde unter Verwendung von LS-Dyna (LSTC, USA) ein FEM-basiertes Mesoskalenmodell erstellt, das die Interaktion zwischen den strukturbildenden Parametern (z. B. Stichlänge, Wirkfadenspannung, Bindung) und der resultierenden Scherbarkeit der Tapesegmente abbildet. Die Validierung erfolgte durch experimentelle Versuche an textilphysikalisch charakterisierten Funktionsmustern (siehe Abbildung 2). Zur Ermittlung der Fadenlängen entlang kurvenförmiger Ablagepfade wurde ergänzend ein algorithmisches Tool auf Basis von CAD-Modellen entwickelt, das eine automatisierte Berechnung der notwendigen Fadenreserven erlaubt.

Zur Herstellung der Curvy Tapes wurde ein neuartiges Fertigungsverfahren auf Basis der Multiaxial-Kettenwirktechnik konzipiert. Hierzu wurde ein modular nachrüstbarer Teilschussleger entwickelt, der das Einbringen von wirkfadenbasierten Scherstellen innerhalb der Tapeebene ermöglicht. Verschiedene Wirkbindungen, insbesondere Varianten der Franse-Teilschuss- und Trikot-Bindung, sowie gleitoptimierte Monofilfäden (PET 22 dtex, KSO Textil GmbH, Deutschland) wurden auf ihre Eignung hin untersucht. Die Tapes wurden dabei so gestaltet, dass sie entweder während der Ablage (Post-Fadenreserve) oder bereits bei der Herstellung (Pre-Fadenreserve) über segmentweise integrierte Fadenlängenreserven verfügen. Zusätzlich wurde ein kombinierter Ansatz verfolgt, um die geometrischen Freiheitsgrade bei der Tapeablage weiter zu erhöhen.

Die hergestellten Tapestrukturen wurden systematisch charakterisiert. Es kamen modifizierte Fadenauszugs- und Scherrahmenversuche (siehe Abbildung 3) zum Einsatz, um das Intra-Ply-Gleiten und die Scherfähigkeit der neuartigen Tapesegmente zu quantifizieren.

Dabei zeigte sich, dass die Auslegung der Bindung, insbesondere die Stichlänge und die Wirkfadenspannung, maßgeblich die mechanische Kopplung der Segmente beeinflussen. Curvy Tapes mit einer Franse-Teilschuss-Bindung und einer Stichlänge von 3,6 mm erwiesen sich als besonders vorteilhaft. Gegenüber herkömmlichen Biaxialgelegen wurde die erforderliche Scherkraft um bis zu 56 % reduziert, die Drapierbarkeit deutlich verbessert und kritische Faltenbildung signifikant verzögert (Einsetzen kritischer Scherung der Curvy Tapes bei 50 mm gegenüber 25 mm bei Biaxial-Gelegen, siehe Abbildung 4). Zudem wurde die Parallelität der Verstärkungsfasern auch bei hohen Scherwinkeln zuverlässig aufrechterhalten.

Parallel zur Materialentwicklung wurden Ablagekonzepte für die Preformherstellung erarbeitet. Ziel war die prozesssichere Ablegung der Tapes auf 2D- und 3D-Oberflächen mit definierter Fadenorientierung. Hierzu wurde ein roboterkompatibles Bereitstellungsmodul für das Handling, den Abzug und das Nachführen der neuartigen Curvy Tapes entwickelt. Die Fixierung während des Ablegevorgangs erfolgte bevorzugt durch den Auftrag eines aerosolförmigen duromerbasierten Sprühklebers, der eine sichere Positionierung der Tapesegmente ermöglichte, ohne die nachträgliche Ausformung der Fadenreserven zu beeinträchtigen.

Im weiteren Projektverlauf wurde eine vollständige Prozesskette von der Tapeherstellung über die Preformfertigung bis hin zur Konsolidierung in einem Harzsystem aufgebaut. Die auf dieser Grundlage gefertigten Demonstratoren, insbesondere ein PKW-Kotflügel mit komplexer Kontur, dienten der praxisnahen Funktionsvalidierung. Dabei konnte gezeigt werden, dass mit den neuartigen Curvy Tapes eine signifikant höhere Faserorientierungstreue im Vergleich zu herkömmlichen Flächengebilden (bspw. Gewebe oder Biaxial-Gelege) erreicht wird. Die Faserabweichung innerhalb der Preform lag bei unter einem Grad, Gassen traten nur in Einzelfällen auf und blieben unterhalb kritischer Schwellen. Die erzielten mechanischen Eigenschaften wurden durch standardisierte Biegeversuche quantifiziert und die verbesserte Leistungsfähigkeit validiert. Curvy Tapes wiesen im Vergleich zu Biaxialgelegen gleicher Fadendichte eine wesentlich geringere Streuung der Durchbiegung auf und erzielten damit eine homogenere Bauteilperformance.

Die Ergebnisse belegen die hohe Eignung der Curvy Tapes für den industriellen Einsatz. Eine wirtschaftliche Bewertung anhand eines realitätsnahen Szenarios (PKW-Kotflügel, siehe Abbildung 5) zeigte eine Reduktion der Materialkosten um 30 % und eine Gesamtkosteneinsparung von knapp 24 % gegenüber konventionellen UD-Tapes. Unter Berücksichtigung moderater Investitionskosten für die Nachrüstung bestehender Kettenwirkmaschinen (< 30.000 €) amortisiert sich die Technologie bei einer Tape-Fertigungsmenge von 10.000 m²/a bereits innerhalb eines Jahres. Die entwickelten Verfahren und Materialien können damit unmittelbar von KMU adaptiert werden und tragen zur signifikanten Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei.

Zusammenfassung

Mit dem Projekt „Curvy Tapes“ wurde eine technologische Grundlage geschaffen, um Hochleistungsfasern wie Carbon oder Glas deutlich materialeffizienter und gezielter in Faserverbundbauteilen einzusetzen. Die im Vorhaben entwickelten neuartigen Tapestrukturen ermöglichen erstmals eine durchgängig falten- und gassenfreie sowie lastpfadgerechte Ablage entlang beliebiger Kurvenverläufe. Dadurch lassen sich nicht nur mechanisch leistungsfähigere sowie bionisch ausgelegte Bauteile fertigen, sondern auch Materialverluste und Überdimensionierungen signifikant verringern. Das Projekt leistet somit einen direkten Beitrag zur Ressourcenschonung, zur Reduktion industrieller CO₂-Emissionen und zur Nachhaltigkeit in der Produktion.

Insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) profitieren von den Ergebnissen: Die modular konzipierten Fertigungs- und Ablagekonzepte sind gezielt auf bestehende Produktionsumgebungen und Maschinenparks in KMU zugeschnitten. Investitionen bleiben gering, der Umsetzungshorizont kurz. Gleichzeitig eröffnen die Curvy Tapes vielfältige neue Geschäftsfelder, etwa in der Herstellung von hochbeanspruchten Leichtbauteilen für Automobil, Luftfahrt oder erneuerbare Energien. Für den Textilmaschinenbau und die FKV-verarbeitende Industrie entsteht ein substantieller Innovationsimpuls mit hohem Marktpotenzial.

Darüber hinaus fördert die Technologie die Verbreitung bionischer, funktional optimierter Konstruktionsprinzipien in der industriellen Praxis. Der gesellschaftliche Nutzen liegt damit nicht nur in einer effizienteren Ressourcennutzung, sondern auch in der Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Innovationsstandorts Deutschland und der langfristigen Sicherung qualifizierter industrieller Arbeitsplätze.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22653 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literaturverzeichnis

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Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Die Textilindustrie steht im Spannungsfeld wachsender Anforderungen: Klimawandel, Ressourcenknappheit und ein zunehmend nachhaltigkeitsbewusstes Konsumverhalten fordern neue Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Bisher wird der Markt von synthetischen Fasern dominiert, die auf fossilen Rohstoffen basieren und damit erheblich zur Umwelt- und Klimabelastung beitragen [1–2]. Naturfasern stellen eine grünere Alternative dar, sind jedoch nicht uneingeschränkt nachhaltig. Ihr Anbau verbraucht oft sehr viel Wasser und es werden Düngemittel und Pflanzenschutzmittel eingesetzt, was ihre Umweltbilanz ebenfalls belastet [3].

In diesem Kontext rückt Chitin, das nach Cellulose zweithäufigste natürlich vorkommende Polymer, zunehmend in den Fokus als vielversprechender, bio-basierter Rohstoff mit hoher Funktionalität [4]. Es fällt in großen Mengen als Nebenprodukt in der Lebensmittelindustrie, beispielsweise bei der Verarbeitung von Krebs- und Schalentieren, an. Damit ist es nicht nur reichlich verfügbar, sondern auch kostengünstig und nachhaltig. Chitin und seine Derivate, wie beispielsweise Chitosan, weisen eine Vielzahl wünschenswerter Eigenschaften auf: Sie sind biologisch abbaubar, bioaktiv, biokompatibel und weisen aufgrund ihrer kristallinen Struktur eine hohe mechanische Festigkeit auf. Dadurch eignet es sich hervorragend für hochwertige, funktionale Textilanwendungen, z. B. im Bereich medizinischer Einwegprodukte, in dem der Bedarf kontinuierlich wächst und gleichzeitig enorme Abfallmengen anfallen. Die Herausforderung besteht jedoch in der technologischen Nutzbarmachung dieses Rohstoffs: Chitin ist aufgrund seiner teilkristallinen molekularen Struktur kaum löslich, was einerseits die positiven Funktionen des Werkstoffs ermöglicht jedoch andererseits die Weiterverarbeitung zu textilen Strukturen erheblich erschwert. Herkömmliche Lösungsansätze setzen auf aggressive und gesundheits- sowie umweltbedenkliche Lösungsmittel wie Trichloressigsäure oder LiCl/DMA. Diese führen zu Polymerabbau, Materialschwächung und aufwendigen Reinigungsschritten [5–7]. Für medizinische Anwendungen sind diese Prozesse ungeeignet und eine Skalierung in den industriellen Maßstab ist kaum umsetzbar.

Ein alternativer, deutlich nachhaltigerer Ansatz ist die Verwendung ionischer Flüssigkeiten (engl. ionic liquids, IL). Diese modernen Lösungsmittel haben das Potenzial, Chitin in Lösung zu bringen, ohne dessen Struktur zu beeinträchtigen. Allerdings sind auch hier die technologischen Barrieren hoch, sodass bisherige Prozesse überwiegend diskontinuierlich und für geringe Produktionsmengen realisiert wurden [8–10]. Somit fehlt bislang ein wirtschaftlich tragfähiger und durchgehend nachhaltiger Prozess, der die Herstellung von Chitinfasern kontinuierlich und in industriell relevanter Menge ermöglicht.

Das Ziel des IGF-Projektes 22568 „Kationenfunktionalisierte Chitinfasern“ bestand daher in der Entwicklung eines kontinuierlichen, lösungsmittelbasierten Nassspinnverfahrens für 100 % reine Chitinmultifilamentgarne, das sowohl materialschonend als auch prozesstechnisch skalierbar ist. Durch eine integrierte Funktionalisierung mit bioaktiven Kationen (z. B. Calcium- oder Strontium-Ionen, welche die Knochenregeneration unterstützen) sollte zudem die Grundlage für die Herstellung von Funktionstextilien geschaffen werden, um neue Anwendungsfelder für Unternehmen zu eröffnen – insbesondere im wachstumsstarken Bereich der Smart und Medical Textiles.

Erzielte Ergebnisse

Im IGF-Projekt „Kationenfunktionalisierte Chitinfasern“ wurde erfolgreich ein kontinuierlicher, KMU-gerechter Spinnprozess zur Herstellung reiner Chitinmultifilamentgarne im industriell relevanten Maßstab realisiert. Durch die gezielte Funktionalisierung mit bioaktiven Ionen konnten die Fasereigenschaften spezifisch angepasst und eine kontrollierte, enzymatische Abbaubarkeit erreicht werden. Im Folgenden werden die wesentlichen Projektergebnisse und technologischen Entwicklungen im Detail erläutert.

Prozessentwicklung für die kontinuierliche Fertigung von Chitinmultifilamentgarnen

Im Projektverlauf wurden verschiedene IL systematisch auf ihre Eignung als Lösungsmittel für die Filamenterspinnung untersucht. Die besten Ergebnisse lieferte 1-Ethyl-3-methylimidazoliumpropionat (EMIMOPr, proionic GmbH, Raaba-Grambach, AT). Diese IL konnte verschiedene untersuchte Chitinqualitäten und -provenienzen bei moderaten Temperaturen (60 – 90 °C) effizient lösen, ohne das Polymer zu degradieren. Entscheidend war dabei auch, dass EMIMOPr im späteren Prozessschritt vollständig aus den Fasern entfernt werden konnte. In Abbildung 1 sind die ermittelten FT-IR-Spektren am Beispiel des verwendeten Chitinpulvers (grau) sowie der daraus hergestellten Multifilamentgarne (rot) nach dem Spinnprozess graphisch dargestellt. Die Ergebnisse zeigten keine Veränderung der chemischen Struktur des Chitins nach dem Spinnprozess und keine Lösungsmittelspuren.

Mit dieser IL konnten stabile Spinnlösungen mit Chitinkonzentrationen zwischen 3 Gew.-% und 5 Gew.-% hergestellt werden. Um eine gute Prozessführung zu gewährleisten – insbesondere bei der Überführung in den Technikumsmaßstab – wurden die rheologischen Eigenschaften gezielt untersucht und eingestellt. Der im Labormaßstab entwickelte Spinnprozess wurde anschließend erfolgreich auf eine modulare Lösungsmittelnassspinnanlage (Fourné Maschinenbau GmbH, Alfter-Impekoven, DE) mit individuell steuerbaren Zonen für Extrusion, Koagulation, Waschen und Trocknung im semi-industriellen Technikumsmaßstab übertragen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf der Konfiguration der Spinndüsen, um einen stabilen Spinnprozess und eine homogene Filamentstruktur zu erzeugen.

Im Vergleich zu bisherigen Projektergebnissen und etablierten Spinnprozessen – insbesondere dem konventionellen Chitosanspinnen mit Essigsäure als Lösungsmittel [11] sowie der Verwendung von IL (z. B. 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumacetat, EMIMOAc [12]) für Chitosan mit Deacetylierungsgraden über 70 % – zeigen die im Rahmen dieses Projektes hergestellten Chitinfilamentgarne signifikant höhere Festigkeiten von ≥ 20 N (vgl. Abbildung 3, rechts). Die erzielten mechanischen Eigenschaften übertreffen damit sämtliche in bisherigen Vorhaben erzielten Ergebnisse und unterstreichen das große Potenzial des neu entwickelten Spinnverfahrens. Der Forschungsbedarf hinsichtlich der beobachteten Wertestreuungen in Abhängigkeit von der Düsengeometrie sowie anlagenbedingte Limitierungen, die derzeit das Verspinnen von Lösungen mit höheren Viskositäten erschweren, bildet zudem eine solide Grundlage für zukünftige Projekte zur weiteren Prozessoptimierung und -weiterentwicklung.

Funktionalisierung der Chitinfasern mit bioaktiven Ionen

Ein weiteres zentrales Ziel war die Entwicklung eines Verfahrens zur in den Spinnprozess integrierten neuartigen Funktionalisierung von Chitinfasern mit bioaktiven Calcium-, Strontium- und Magnesiumionen, die zusätzliche Eigenschaften mitbringen – insbesondere für den Einsatz in medizinischen Textilien, etwa bei knochenaufbauenden Implantaten oder Wundauflagen. Hierzu wurden drei unterschiedliche methodische Ansätze konzipiert und experimentell untersucht: (1) die direkte Einbringung der Ionen in die Spinnlösung, (2) die Funktionalisierung der Filamente während der Koagulation im Fällbad sowie (3) der Vergleich dieser Inline-Methoden mit einer nachgelagerten Funktionalisierung von Chitinmonofilamenten nach der Erspinnung. Eine schematische Darstellung der untersuchten Funktionalisierungsansätze ist in Abbildung 4 am Beispiel der Funktionalisierung mit Calcium-Ionen dargestellt.

Aussichtsreiche Ergebnisse wurden insbesondere bei der Funktionalisierung direkt im Spinnprozess während der Koagulation erzielt. Durch die Zugabe von Calcium-, Magnesium- oder Strontiumsalzen in das Koagulationsbad (deionisiertes Wasser) konnten die Ionen effektiv in die noch nicht vollständig verfestigten Filamente eingebracht werden. Die Inline-Funktionalisierung ermöglichte eine gleichmäßige Ionenverteilung, ohne die mechanische Struktur der Fasern negativ zu beeinflussen.

Anhand der in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie und Forschung (u.a. Anton Paar GmbH, Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft der TUD) durchgeführten Untersuchungen wie EDX-Analysen (vgl. Abbildung 5), optische Emissionsspektrometrie (ICP-OES) (vgl. Abbildung 6), Zeta-Potential-Messungen und FTIR-Spektroskopie, wurde nachgewiesen, dass die Ionen dauerhaft in der Faserstruktur eingebunden sind, sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Filaments. Insbesondere Calciumionen weisen eine hohe Affinität zu Chitin auf und bleiben auch nach längeren Wasch- und Trocknungsprozessen in der Faser erhalten. Zur Untersuchung des Ionenabgabeverhaltens bzw. der Ionenfreisetzung unter physiologisch relevanten Bedingungen wurden systematische Elutionsversuche durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass der Großteil der Ionen innerhalb kurzer Zeit (≤ 7 d) aus den Filamenten freigesetzt wird und nur ein geringer Restanteil langfristig in der Faserstruktur verbleibt. Im Hinblick auf potenzielle Anwendungen, beispielsweise in der Entwicklung bioaktiver Medizintextilien oder für Systeme zur gezielten Wirkstofffreisetzung, stellt das beobachtete Freisetzungsverhalten einen Vorteil dar: Die schnelle Ionenabgabe könnte entzündungshemmende, wundheilungsfördernde oder mineralisierende Effekte unmittelbar nach Applikation unterstützen und damit die Funktionalität solcher Materialien deutlich erhöhen.

Trotz der spröden Materialstruktur – eine bekannte Eigenschaft kristalliner Biopolymere, wie Chitin – konnten durch gezielte Prozessanpassung textile Flächenstrukturen realisiert werden. Insbesondere durch die Kombination mit Stützgarnen, wie Baumwolle oder Viskose, konnten Zwirne hergestellt werden, die sich anschließend zu Geweben und Gestricken weiterverarbeiten ließen. Erste Demonstratoren, u. a. Maschen- und Gewebemuster, belegten die grundsätzliche Eignung für technische und medizinische Textilanwendungen (vgl. Abbildung 7). Trotz der derzeit noch hohen Sprödigkeit des Garnmaterials zeigen die Ergebnisse ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen. Durch gezielte Maßnahmen, wie z. B. das Aufbringen von Schlichten oder die Kombination mit anderen bioabbaubaren Polymeren (z. B. Viskose, Cellulose, Baumwolle etc.), könnte die Flexibilität weiter verbessert werden, wodurch ein breites Anwendungsspektrum in medizinischen und technischen Textilien ermöglicht wird. Insgesamt stellt die Entwicklung einen vielversprechenden Ansatz zur Nutzung biobasierter Materialien in anspruchsvollen textilen Anwendungen dar.

 Zusammenfassung

Im Rahmen des IGF-Projektes „Kationenfunktionalisierte Chitinfasern“ wurde erfolgreich ein kontinuierlicher, KMU-gerechter Spinnprozess zur Herstellung neuartiger, kationenfunktionalisierter Chitinfasern entwickelt. Mit diesem Verfahren war es erstmals möglich, reine Chitinfasern aus kostengünstigen Rohstoffen und unter Verwendung unbedenklicher Lösungsmittel im technisch relevanten Maßstab herzustellen. Damit konnte Chitin, eines der am häufigsten vorkommenden Biopolymere, erstmals für faserbasierte Anwendungen wirtschaftlich nutzbar gemacht werden. Durch die Funktionalisierung der Chitinfasern mit bioaktiven Ionen, insbesondere Calciumionen, wurde eine gezielte Modifikation der Fasereigenschaften erreicht. Diese Innovation ermöglichte eine deutlich verbesserte enzymatische Stabilität und damit eine kontrollierte Degradation der Fasern, wie sie für viele medizinische und textile Anwendungen erforderlich ist. Darüber hinaus eröffnete die entwickelte Technologie die Möglichkeit, maßgeschneiderte Funktionalisierungen der Chitinfasern für spezifische Anwendungen zu realisieren. Auf Basis der Projektergebnisse wurde somit unmittelbar produktvorbereitendes Basiswissen geschaffen, das die Entwicklung innovativer Produkte im Bereich der Medizintextilien, der regenerativen Medizin sowie des Tissue Engineering ermöglicht.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22568 „Kationenfunktionalisierte Chitinfasern“ der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über den Projektträger DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMBK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Darüber hinaus danken wir den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für ihre Unterstützung während der Projektbearbeitung.

Literatur

[1]        A new textiles economy: Redesigning fashion’s future: Ellen MacArthur Foundation, 2017.

[2]        Deutsche Stiftung Meeresschutz: Studie Mikroplastik im Meer und seinen Klimafolgen.  https://www.stiftung-meeresschutz.org/themen/meeresverschmutzung/mikroplastik-im- meer-und-seine- klimafolgen/ (20.05.2025).

[3]        GOEL, S.: Wool is 44% Carbon. Leonardo 45(2012)2, pp. 186–187.

[4]        SHAMSHINA, J. L.: Chitin in ionic liquids: historical insights into the polymer's dissolution and isolation. A review. Green Chemistry 21(2019)15, pp. 3974–3993.

[5]        EP0051421A1. Kifune; Inoue; Mori: Chitin fibers, process for the production of the same and surgical sutures formed of such chitin fibers.

[6]        NGUYEN, K. D.: Temperature Effect of Water Coagulation Bath on Chitin Fiber Prepared through Wet-Spinning Process. Polymers 13(2021)12.

[7]        LIANG, Y.; JIANG, N.; LIU, X.; NIE, L.; SONG, D.; JIANG, L.; YU, H.; XU, W.; ZHU, K.: Fabrication of Shaped Chitin Fibers by Gradient Regeneration Combined with a Physical Pressure Method. ACS Applied Polymer Materials 6(2024)2.

[8]        SHAMSHINA, J. L.; ZAVGORODNYA, O.; BERTON, P.; CHHOTARAY, P. K.; CHOUDHARY, H.; ROGERS, R. D.: Ionic Liquid Platform for Spinning Composite Chitin–Poly(lactic acid) Fibers.  ACS Sustainable Chemistry & Engineering 6(2018)8.

[9]        ZHU, C.; RICHARDSON, R. M.; SONG, Y.; RAHATEKAR, S. S.; LUCIA, L.; AYOUB, A.: One Step Dissolution, Extrusion, and Fiber Spinning of Chitin Using Ionic Liquid Solvents // Polysac- charide-based Fibers and Composites. Band 18, Cham: Springer, 2018. - ISBN 978-3-319- 56595-8. 117.

[10]      Ota, A.; Beyer, R.; Hageroth, U.; Müller, A.; Tomasic, P.; Hermanutz, F.; Buchmeoser, M. R.: Chitin/Cellulose blend fibers prepared by wet and dry wet spinning. Polymers for Ad- vanced Technologies 32(2021)1, pp. 335.

[11]      TOSKAS, G.; BRÜNLER, R.; HUND, H.; HUND, R.-D.; HILD, M.; AIBIBU, D.; CHERIF, C.: Pure chitosan microfibres for biomedical applications. Autex Research Journal 13(2013)4, pp. 134– 140.

[12]      KUZNIK, I., KRUPPKE, I., PÖTZSCH H. F., CHERIF, C.: Pure chitosan multifilament yarns made using a semi-industrial pilot scale wet-spinning process with ionic liquids. J. Appl. Polym. Sci. 2024, 141(23), e55457.

Einleitung

Vor dem Hintergrund globaler Megatrends wie der Digitalisierung in der Medizin bestehen für die Textilindustrie große Chancen, vom erwarteten weiteren Wachstum von am Körper tragbaren, flexibel einsetzbaren und computergestützten Systemen zu profitieren. Zu dieser neuen Geräteklasse, den sogenannten Wearables, gehören Textilien, die über die klassischen Funktionen von Bekleidung oder beispielsweise Bandagen hinaus mit elektronischen Zusatzfunktionen ausgestattet sind. Da Textilien häufig die Schnittstelle zwischen dem Menschen und seiner Umwelt darstellen, sind sie prädestiniert, auch bei der Digitalisierung menschlicher Wahrnehmungen und Fähigkeiten (z. B. Bewegungen, Haptik etc.) und umgekehrt der Rückkopplung von der virtuellen in die analoge Welt eine entscheidende Brückenfunktion zu übernehmen und so als künstliche Haut (bzw. Smart Skin) bestehende optische und akustische Schnittstellen zu ergänzen.

Ein Bereich in dem smarte Textilien einen großen Zugewinn nützlicher Informationen bereitstellen, ist die Medizin und Rehabilitationstechnik. Vor dem Hintergrund einer alternden Bevölkerung und damit einhergehend einer hohen Belastung medizinischer Versorger, die unter gleichzeitigem Personalmangel leiden, ist nicht immer ein ausreichendes Angebot in erreichbarer Nähe realisierbar. Vor allem im Bereich der medizinischen Folgebehandlungen für Physiotherapie einhergehend mit langen Transportwegen oder fehlender Transportfähigkeit des Patienten kann dies zu Heilungsverlangsam oder sogar -verhinderung führen. Eine Unterstützung von Patienten durch einen medizinischen Laien (Familienangehörige, Bekannte etc.) mit einem geringfügigen Lernaufwand soll durch den in diesem Projekt entwickelten Handschuh ermöglicht werden. Dieser ermöglicht die Überwachung von Greif- und Haltebewegungen sowie Feedback zur Korrektur. In der Telerehabilitation gibt es keine vergleichbaren Systeme, die autonom ohne Experteneinsatz arbeiten [1, 2]. Das Projekt fokussierte auf die Entwicklung multifunktionaler Druck-/ Näherungssensorik durch flachstricktechnische Verfahren. Diese ermöglichen die kostengünstige Integration in Funktionsbekleidung, aber auch in Roboterkomponenten.

Zielsetzung und Lösungsweg

Das Ziel des IGF-Forschungsprojekts war die Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung textilbasierter Drucksensoren, die mittels Flachstricktechnik in einen Handschuh integriert werden sollten um die aufgebrachte Kraft auf den Fingergliedern und dem Handballen zu überwachen. Es wurden flächenbasierte, gestrickte Sensorkonzepte mit einem kapazitiven Messprinzip verfolgt. Die entwickelten Sensoren wurden mittels zyklischer elektromechanischer Druckprüfungen untersucht und eine Vorzugsvariante der Sensoren zur Integration in einem Funktionsdemonstrator ermittelt. Weiterhin wurden kapazitive Näherungssensoren entwickelt und evaluiert.

Ergebnisse

Entwicklung der gestrickten Drucksensoren

Für die Entwicklung der Sensoren wurde die Umsetzung eines kapazitiven Drucksensors mithilfe von Flachstricktechnik verfolgt. Die Vorteile kapazitiver Sensoren gegenüber resistiver Sensoren liegen in ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Temperatur [3], was in einer körpernahen Anwendung von Vorteil ist. Der einfachste Aufbau eines Kondensators ist der Plattenkondensator. In diesem Aufbau sind zwei parallele Platten durch ein Dielektrikum getrennt. Durch das Aufbringen einer Druckkraft F auf diese Platten und damit ein Zusammendrücken des Dielektrikums mit der Dielektrizitätskonstante  ε ändert sich der Plattenabstand d und somit die Kapazität C wie in Abbildung 1 gezeigt. Hier wird deutlich, dass die Kapazitätsänderung ∆C indirekt proportional zur Änderung des Plattenabstands ∆d, die wiederum abhängig ist von der induzierten Kraft, dem E-Modul E und den geometrischen Maßen des Plattenkondensators mit b = Breite und l = Länge.

Für den Aufbau der gestrickten kapazitiven Sensoren wurden verschiedene Konzepte erstellt, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Anhand einer systematischen Variantenbewertung nach ergonomischen, stricktechnischen, sensortechnischen Anforderungen und praktischer Versuchstests wurde eine Sensorvariante mit einem Insert als Dielektrikum und einer vollflächigen Elektrode aus leitfähigem Garn als Vorzugsvariante gewählt und zu einer Handschuhfinger gleichenden Doppelschlauchstruktur erweitert.

Zur Auswahl des Elektrodengarns wurden Vorversuche durchgeführt um die stricktechnische Eignung der teilweise anspruchsvoll zu verarbeitenden Garne auf Stahl- und Silberbasis zu bewerten. Hierbei wurden Garne von Statex (Shieldex® 235 f 36dtex Z130), Amann (Steel-tech® 100 tex 93, Silver-tech+® 150 tex 22) und Bekaert (Bekinox® VN 14.1.9.100Z) genutzt. In diesen Vorversuchen erwies sich Silver-tech+® 150 als Vorzugsvariante, da es sehr gut mit dem umgebenden Basismaterial aus Umwindegarn (Tencel CV Nm40 mit PA6.6 78/78f23/1) fertigungstechnisch kompatibel war.

Herstellung der Sensoren

Ziel des Projekts war die Herstellung eines Sensorhandschuhs mittels Flachstricktechnik, eine Strickmethode, die die Möglichkeit bietet Fully Fashioned Artikel in einem Arbeitsschritt herzustellen, wodurch komplizierte gestrickte Flächen endkonturnah hergestellt werden können. Um ein höchstmöglich automatisiert herstellbares Produkt zu entwickeln wurde der Drucksensor mit einem Fokus auf Vermeidung nachfolgender Konfektionierungsschritte entwickelt. Daher wurde der Drucksensor als eine Doppelschlauchstruktur konzeptioniert. Diese wird durch zwei Elemente geformt: Zum einen durch die Tasche des Sensors, zum anderen durch einen Fingerling, der eine Tragbarkeit des Sensors ermöglicht. In Abbildung 3 ist der Aufbau schematisch dargestellt. Im Sensorbereich ergibt sich daher ein dreilagiges Doppelschlauch-gestrick. Das umfasst die äußere sowie innere Elektrode und die Rückseite des Fingers. Das Dielektrikum wird durch ein Insert, welches während des Strickprozesses eingelegt wird, gebildet. Diese Variante des Konzeptes ermöglicht eine weitestgehend automatisierte Fertigung des Handschuhs an der Flachstrickmaschine ohne nachgelagerte Konfektionsschritte. Für die Einbringung des Dielektrikums ist eine Unterbrechung des Strickprozesses erforderlich.

Validierung der Sensoren

Die gestrickten kapazitiven Sensoren wurden auf ihre Eignung als Drucksensor in zyklischen elektromechanischen Messungen überprüft. Der Versuchsaufbau mit Mess- und Versuchsgeräten sowie der Prüfablauf sind in Abbildung 4 dokumentiert. Um den Einfluss des Dielektrikums zu untersuchen, wurden Sensoren mit einem 2 mm und einem 1 mm starken silikonbasierten Dielektrikum hergestellt. Aus den ermittelten Daten wurden das Übertragungsverhalten (als Zusammenhang zwischen Kompressionskraft und Sensorsignal), die Sensordrift (als Signalwerte bei Entlastung der Sensoren) und die Hysterese (als maximale Differenz zwischen Be- und Entlastungskurve über den Messbereich) berechnet (siehe Abbildung 5).

Es zeigte sich, dass beide Varianten ein stabiles Sensorverhalten aufweisen, wobei die Sensorvariante mit einem 1 mm starken Dielektrikum bessere Ergebnisse im Übertragungsverhalten und in Hysterese zeigte. Die Sensordrift lag hier etwas höher, lag aber bei beiden Varianten unter 5 % und damit in einem, für praktische Anwendungen dieser Technologie, akzeptablen Bereich. Dieser Versuch zeigte, dass das Dielektrikum einen entscheidenden Einfluss auf das Sensorverhalten hat und dieses durch die relativ kleine Anpassung des Insertmaterials für verschiedene Messbereiche und -sensitivitäten angepasst werden kann. Weitere Ausführungen, Ergebnisse und Diskussionen können aus der Publikation in [4] entnommen werden.

Näherungssensor

Das Konzept für die textile Näherungssensorik wurde mit einer einzelnen textilen gestrickten Elektrode und einem Arduino Uno umgesetzt. Für die Versuchsdurchführung wurde eine menschliche Hand als zu erfassendes Objekt an den Sensor geführt und der Abstand zwischen Hand und Sensor gemessen. In Abbildung 6 sind das Sensorsignal und korrelierte Abstände der Hand dazu gezeigt, sowie das Schaltbild dargestellt. Hierbei konnten Abstände von bis zu 120 mm zur Hand noch erfasst werden mit einer guten Signalstabilität, sodass hier eine Quantifizierung des Abstands denkbar ist.

Demonstrator

Die Vorzugsvariante für den Druck- und Näherungssensor wurde übertragen auf einen vollständig gestrickten und integral gefertigten Handschuh mit 13 Sensoren, wobei 2 Sensorflächen für Daumen, 3 Sensorflächen für Zeige- und Mittelfinger und 5 Sensorflächen auf der Handfläche für die Erfassung von Kräften realisiert wurden. Der finale Funktionsdemonstrator ist in Abbildung 7 gezeigt. Die elektrischen Zuleitungen wurden für diesen FD manuell realisiert. Eine sensorische Funktionalisierung des Ringfingers und des kleinen Fingers war durch die begrenzte Anzahl an Fadenführern innerhalb der Strickmaschine nicht möglich (max. 13 Sensorflächen). Die Signale der einzelnen Sensoren wurden mittels eines RaspberryPi 5 und einer dafür entwickelten Software ausgewertet. In verschiedenen Greiftests wurden die Sensoren validiert. Bei allen funktionsfähigen Sensoren konnte ein verlässlicher Anstieg des Signals bei Kompression erfasst werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Verwendung textiltechnischer Lösungen zur Überwachung des menschlichen Körpers und der auf ihn wirkenden Lasten ist ein vielversprechendes Forschungsfeld, das Anwendungen in der Physiotherapie, im Arbeitsschutz und in der Digitalisierung von Arbeitsprozessen ermöglicht. Im Rahmen dieses Projekts lag der Fokus auf der Entwicklung und Integration von Druck- und Näherungssensoren in textile Strukturen. Dabei wurden innovative textilbasierte Ansätze verfolgt, insbesondere die Herstellung vollständig textilintegrierter Sensoren im Fully-Fashioned-Verfahren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die oft aus vielen Einzelkomponenten bestehen und dadurch Schwachstellen aufweisen, bieten textilbasierte Sensorsysteme eine höhere Kompatibilität mit textilen Basissystemen und eine höhere Flexibilität. Die in dieser Arbeit entwickelten Sensoren sind vielseitig einsetzbar und können in zahlreiche textile Strukturen, und vor allem gestrickter Strukturen, diverser Form und Größe übertragen werden.

Unter Beachtung industrienaher Anforderungen, die zusammen mit den am Projekt beteiligten Industriepartnern festgelegt wurden, wurden verschiedene Konzepte für Druck- und Näherungssensoren für einen Sensorhandschuh unter Nutzung von Flachstricktechnik entwickelt. Die bevorzugte Lösung für gestrickte Druck- und Näherungssensoren basiert auf einem Doppelschlauchgestrick, das einen flexiblen Plattenkondensator darstellt. Diese Sensoren bestehen aus Elektroden aus leitfähigem Garn und einem weichen Material, beispielsweise Silikon, das als Dielektrikum dient. Dadurch, dass das Material für das Dielektrikum flexibel gewählt werden kann, sind Messbereich und -verhalten auch für andere Anwendungen mit diesem Konzept einfach zu variieren. Für die Druckmessung wurde das Ansprechverhalten der entwickelten Sensoren eingehend getestet, und ihre Stabilität analysiert und ein funktionsgerechtes Messverhalten der Sensoren im Messbereich 0 bis 10 N festgestellt.

Die Vorzugsvariante der Sensoren wurde in einem Funktionsdemonstrator mit 13 Sensorflächen umgesetzt. Dies sollte in weiteren Arbeiten um 6 weitere Sensorflächen für die einzelnen Fingergelenke von Ring- und kleinem Finger ergänzt werden. Die Anzahl der Sensorflächen war in diesem Projekt durch die Anzahl der verfügbaren Fadenführer begrenzt. Weiterhin sollte das Einlegen des dielektrischen Inserts stärker automatisiert werden um die Zeit, die benötigt wird um die Drucksensorhandschuhe zu stricken, reduziert wird.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21990 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literatur

[1]   K. Ettle et al., "Telepräsenzroboter für die Pflege und Unterstützung von Schlaganfallpatientinnen und -patienten (TePUS) im Regierungsbezirk Oberpfalz: DeinHaus 4.0," Regensburg, Jun. 2020. Accessed: Nov. 30 2020.

[2]   K. Berkenkamp, "Telerehabilitation in der Schlaganfallversorgung – Einflussfaktoren auf Adoption und Akzeptanz von klinisch tätigen Ärzten und Therapeuten," 2020.

[3]   J. Mersch, C. A. G. Cuaran, A. Vasilev, A. Nocke, C. Cherif, and G. Gerlach, "Stretchable and Compliant Textile Strain Sensors," IEEE Sensors J., vol. 21, no. 22, pp. 25632–25640, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3115973.

[4]   S. Fischer, C. Böhmer, S. Nasrin, C. Sachse, C. Cherif. Flat-Knitted Double-Tube Structure Capacitive Pressure Sensors Integrated into Fingertips of Fully Fashioned Glove Intended for Therapeutic Use. Sensors 2024, 24, 7500. https://doi.org/10.3390/s24237500