Forschungspublikationen

Inhaltsverzeichnis

1       Einleitung und Kontext...................................................................... 3

2       Konzept des Green Shopfloor Management................................. 4

3       Datenmodell der OSEE.................................................................... 11

4       Ausblick und Weiterentwicklung................................................... 16

5       Literaturverzeichnis......................................................................... 18

Impressum

Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University

52074 Aachen

Otto-Blumenthalstraße 1

Autoren: Florian Pohlmeyer, Thomas Gries

14.10.2025

DOI: 10.18154/RWTH-2025-08596

1. Einleitung und Kontext

Die textile Wertschöpfungskette gehört zu den ressourcenintensivsten Industriesektoren weltweit. Sie ist verantwortlich für bis zu 10 % der globalen CO₂-Emissionen, einen Wasserverbrauch von rund 93 Milliarden m³ pro Jahr und erhebliche Mengen textiler Reststoffe. Innerhalb dieses Sektors nimmt die Vliesstoffindustrie eine besondere Rolle ein: Sie ist technologisch hoch entwickelt, vielseitig anwendbar und sowohl in kurzlebigen Konsumgütern als auch in langlebigen technischen Anwendungen vertreten. Gleichzeitig steht sie unter erheblichem Transformationsdruck – geprägt durch volatile Rohstoffmärkte, niedrige Margen, hohe Qualitätsanforderungen und steigende regulatorische Verpflichtungen im Bereich Nachhaltigkeit. Europäische und nationale Strategien wie der Green Deal, der Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft, die EU-Textilstrategie und die Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) fordern eine tiefgreifende Neuausrichtung industrieller Produktionssysteme. Unternehmen müssen ökologische, ökonomische und soziale Zielgrößen in ihre Entscheidungsprozesse integrieren, Nachhaltigkeitskennzahlen systematisch erfassen und über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg kommunizieren. Für viele kleine und mittlere Unternehmen stellt dies eine erhebliche Herausforderung dar: Es fehlen häufig die personellen, finanziellen und digitalen Ressourcen, um Nachhaltigkeitsziele messbar zu machen und operativ zu steuern.

Ein wesentlicher Hebel zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist die Verfügbarkeit und Nutzung produktionsnaher Daten. Digitale Technologien ermöglichen es, Informationen zu Energie- und Ressourceneffizienz, Qualität und Prozessleistung in Echtzeit zu erfassen und als Entscheidungsgrundlage bereitzustellen. Entscheidend ist dabei, dass Nachhaltigkeit nicht als zusätzliches Berichtsthema, sondern als integraler Bestandteil des täglichen Shopfloor-Managements verstanden wird. Hier setzt das Konzept des Green Shopfloor Management an: Es verbindet die Prinzipien des Lean Managements – also die Vermeidung von Verschwendung und die kontinuierliche Verbesserung – mit den Zielen nachhaltiger Entwicklung. Im Green Shopfloor Management werden operative Prozesse durch ein datengetriebenes Kennzahlensystem transparent gemacht, das ökologische und soziale Dimensionen in bestehende Leistungskennzahlen integriert. Auf dieser Grundlage lassen sich Abweichungen erkennen, Maßnahmen im Sinne des PDCA-Zyklus ableiten und die Zielerreichung messbar verfolgen. Das Konzept zielt darauf ab, Nachhaltigkeit dort zu verankern, wo sie entsteht – am Ort der Wertschöpfung. [Bar24]

Die Verknüpfung von Nachhaltigkeitsmanagement, Lean-Prinzipien und Datenverfügbarkeit eröffnet neue Potenziale für die industrielle Transformation: Prozesse können energie- und ressourceneffizienter gestaltet, Zielkonflikte zwischen Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit besser adressiert und Verbesserungsmaßnahmen datenbasiert priorisiert werden. Gleichzeitig fördert die Integration von Nachhaltigkeitskennzahlen in das Shopfloor Management eine stärkere Beteiligung der Mitarbeitenden und schafft Transparenz über die ökologischen und sozialen Auswirkungen des eigenen Handelns. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Green Shopfloor Management das Ziel, Nachhaltigkeit in den operativen Alltag produzierender Unternehmen zu integrieren und durch datenbasierte Entscheidungsunterstützung einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess zu etablieren. Es bildet damit einen zentralen Baustein auf dem Weg zu einer datengetriebenen, ressourceneffizienten und sozial verantwortlichen Produktion – und leistet einen konkreten Beitrag zur Umsetzung der europäischen Nachhaltigkeitsziele in der Industrie.

2. Konzept des Green Shopfloor Management

Das Lean Management steht für das Streben nach verschwendungsfreien und ressourceneffizienten Prozessen in der Produktion und der perfekten Organisation [KR22]. Die Mitarbeitenden eines Produktionssystems werden bei der Entscheidungsfindung durch aufbereitete Informationen und Kennzahlen (engl.: Key Performance Indicator (KPI)) unterstützt. [KR22] Die Kommunikation und die Visualisierung von Kennzahlen sind zentrale Elemente des Shopfloor Management im Lean Management, um die KPIs an den Ort der Wertschöpfung zu bringen und den Wertschöpfungsprozess in den Mittelpunkt zu stellen. Nachhaltigkeit und Lean Management sind eng verknüpft, da bei beiden Themen die Vermeidung von Verschwendung im Fokus steht. [Ber20; Bar24]

Die elementaren Bestandteile des hier betrachteten Green Shopfloor Management sind das Zielsystem, das Kennzahlensystem, die Shopfloor-Runden und die Definition von Maßnahmen (siehe Abb. 2.1).

Abb. 2.1: Aufbau des Green Shopfloor Management

Zielsystem

Das Zielsystem eines Produktionssystems wird an der langfristigen Vision des Unternehmens und der Unternehmens- und Nachhaltigkeitsstrategie ausgerichtet. Das Zielsystem bildet die Grundlage für das Kennzahlensystem und stellt sicher, dass die entscheidungsbestimmenden Kennzahlen im Produktionssystem auf die Unternehmensziele ausgerichtet sind.

Das Zielsystem ist das Ergebnis eines Zielableitungsprozesses, der einen kaskadierenden Prozess von der Unternehmensvision bis zu den Zielen der operativen Ebene beschreibt (siehe Abb. 2.2) [Ber20]. Der Grad der Zielerreichung kann durch das Kennzahlensystem bestimmt werden. Der Fokus liegt auf den quantifizierbaren Zielen. Beim Aufbau des Zielsystems sind die Grundsätze der VDI-Richtlinien 2870 (Blätter 1-2), 2871 (Blätter 1-2), 2872 (Blätter 1-2) zu beachten [VDI12; VDI13; VDI21; VDI17; VDI19; VDI22].

Abb. 2.2: Ableitung des Zielsystems im NDMS

In dieser Arbeit werden die klassischen Zieldimensionen Qualität, Kosten und Zeit um die Dimension Nachhaltigkeit erweitert. Der Ausgangspunkt für die Integration der Dimension Nachhaltigkeit ist die Nachhaltigkeitsstrategie eines Unternehmens. Aus der Unternehmens- und Nachhaltigkeitsstrategie werden in einem manuellen Zielableitungsprozess messbare, spezifische Ziele abgeleitet. Die Ziele sind auf den Funktionsbereich Produktionssystem bezogen und können zur besseren Vergleichbarkeit auch produktspezifisch sein. Das Ergebnis des Zielableitungsprozesses sind n Jahresziele. Im Prozess ist zu beachten, dass die Anzahl der Ziele überschaubar ist und die Ziele realistisch sind [VDI13]. Die n Ziele werden in einer Datenbank als Tupel aus Kennzahl und Zielwert abgespeichert. Ein Beispiel für das Ziel zur Senkung des Energieverbrauches in einem Produktionssystem ist der Zielwert {Energieverbrauch [kWh/kg]; 1,1}. Der konkrete Aufbau des erforderlichen Datenmodells erfolgt weiter unten in Kapitel 3. Herausforderungen liegen in möglichen Zielkonflikten und einer mangelnden Fokussierung bei zu vielen Zielen [VDI13]. Diesen Herausforderungen wird in der Datenmodellierung begegnet (siehe unten).

Kennzahlensystem

Das Kennzahlensystem dient der Messung der Leistung und Zielerreichung und steht in einem direkten Zusammenhang zum Zielsystem. Die Kennzahlen entsprechen den quantifizierbaren Zielen. [Bar24; Ber20; VDI12] Mit den Leistungskennzahlen muss eine ganzheitliche Bewertung und Überwachung der drei Nachhaltigkeitsdimensionen auf Abruf möglich sein. Außerdem sollte das Kennzahlensystem möglichst in bestehende Prozesse und Systeme integriert werden und auf prozessnahen Daten beruhen. Die Kennzahlen müssen auf einheitlichen Kalkulationsverfahren beruhen und einen Bezug zur Unternehmensstrategie aufweisen.

Das Kennzahlensystem wird aus dem Zielsystem abgeleitet und entspricht einem Datenmodell aus Kennzahlen, deren Beschreibung und deren Berechnungsvorschriften (siehe Abb. 2.3).

Abb. 2.3: Ableitung von Kennzahlen im NDMS

Die European Sustainability Reporting Standards (ESRS) sind das von der EU vorgegebene Rahmenwerk für die Nachhaltigkeitsberichterstattung von Unternehmen. Das Kennzahlensystem sollte sich an diesem Rechtsstandard orientieren, um Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Auch beim Kennzahlensystem werden die Vorgaben der VDI-Richtlinien 2870-2872 beachtet. Auf dieser Grundlage sind die folgenden Anforderungen an die Kennzahlen zu beachten [Ber22; Hel21]:

AK.1:   Kennzahlen müssen SMART (Spezifisch, Messbar, Attraktiv, Realistisch, Terminiert) formuliert sein.

AK.2:   Die Anzahl der Kennzahlen sollte auf 3-5 pro Ebene begrenzt sein.

AK.3:   Die Kennzahlen sollten durch die Mitarbeitenden beeinflussbar sein.

AK.4:   Die Kennzahlen müssen repräsentativ, aussagekräftig, reversibel und zielorientiert sein.

AK.5:   Die Kennzahlen müssen wirtschaftlich ermittelbar sein.

Eine technische Lösung, die die Anforderungen erfüllt ist das Kennzahlensystem der Overall Sustainability Equipment Effectiveness (OSEE) [MA24]. Die Overall Equipment Effectiveness (OEE) ist ein weitverbreitetes Kennzahlensystem, in das die OSEE Nachhaltigkeitsdimensionen integriert. Die Stärke der Lösung liegt im operativen Fokus des Kennzahlensystems und Nachhaltigkeitsdimensionen auf taktischer oder strategischer Ebene werden bewusst ausgeklammert. Die Kennzahlen sind also durch die Mitarbeitenden des Produktionssystems beeinflussbar. Das Kennzahlensystem umfasst 3 Hauptkennzahlen (Ökonomische, Ökologische und Soziale Nachhaltigkeit), die eine beliebige Anzahl von Indikatoren aggregieren.

Die Berechnung der OSEE erfolgt gemäß Gleichung 2.1 als Produkt aus der Ökonomischen Dimension (OEE), der Ökologischen Dimension und der Sozialen Dimension.

Gleichung 2.1

Die Berechnung der OEE erfolgt gemäß Gleichung 2.2 und ist das Produkt aus der Anlagenverfügbarkeit, dem Leistungsfaktor und der Qualitätsrate.

Gleichung 2.2

Neben dem Datenmodell des Kennzahlensystems ist ein Datenverarbeitungsdienst zur Berechnung der Kennzahlen bzw. zur Datenverarbeitung erforderlich. Der Dienst implementiert die Berechnungsvorschriften der Kennzahlen und greift auf verschiedene Datenquellen zu. Die Daten werden aus den Datenquellen importiert, harmonisiert und für die Kennzahlberechnung vorbereitet. Abschließend erfolgt die Berechnung der jeweiligen Kennzahlen. Die Kennzahlen werden wiederum in einer für Zeitreihen geeigneten Datenbank gespeichert. Die berechneten Kennzahlen liegen in Tupeln des Formates {Bezeichnung, Wert} vor. Das Konzept der OSEE sieht vor, dass die Kennzahlen einer Relation des IST-Zustandes im Vergleich zum Zielzustand in % entsprechen.

Die wesentliche Herausforderung im Bereich des Kennzahlensystems liegt in der Anzahl der Kennzahlen, die durch die Komplexität der Nachhaltigkeitsdimensionen zu hoch sein kann. Dieser Herausforderung wird hier durch die Aggregation der Kennzahlen durch die OSEE begegnet.

Shopfloor-Runden

Die Shopfloor-Runden sind der Kern des Shopfloor-Managements und dienen der Führung am Ort der Wertschöpfung und einem schnellen und zielgerichteten Informationsfluss. Unter den Shopfloor-Runden sind regelmäßige standardisierte und kurzzyklische Besprechungen mit funktionsübergreifenden Teilnehmern zu verstehen. [Ber20] Die Basis für die Besprechungen bildet das Kennzahlensystem. In den Besprechungen werden die Kennzahlen besprochen und bei Abweichungen Maßnahmen beschlossen. Die Leistungskennzahlen müssen in die Entscheidungsprozesse der jeweiligen Entscheidungsträger integriert werden und dabei abteilungsübergreifende Zielkonflikte berücksichtigen.

In den Shopfloor-Runden sollten in diesem Fall funktionsübergreifend mindestens die Produktentwicklung, der Einkauf und die Materialwirtschaft, die Produktion und der Vertrieb teilnehmen (siehe Abb. 2.4). In den Shopfloor-Runden finden zur Kennzahlvisualisierung Shopfloorboards Anwendung, die nachfolgend für den Anwendungsfall ausgelegt werden.

Abb. 2.4: Umfang der Shopfloor-Runden

Der Umfang und die Durchführung der Shopfloor-Runden weicht durch die Integration der Nachhaltigkeitskennzahlen nicht von den üblichen Standards ab. Das Vorgehen nach VDI-Richtlinie 2871-2 bedarf keiner weiteren Anpassung [VDI21]. Außerdem sind die Shopfloor-Runden ein Prozess, der keiner weiteren softwaretechnischen Auslegung bedarf.

Definition von Maßnahmen

Ein Teil der Shopfloor-Runden ist die Definition von Maßnahmen bei Problemen oder Abweichungen. Die Definition, Umsetzung und Überwachung der Maßnahmen dienen der schnellen Problemlösung und Zielerreichung. Dieser Prozess dient der Umsetzung eines nachhaltigen und kontinuierlichen Verbesserungsprozesses unter Berücksichtigung der Nachhaltigkeitsdimensionen. Das System trägt zu einem dauerhaften Verbesserungsprogramm bei.

Die Definition von Maßnahmen setzt eine Abweichungserkennung voraus und orientiert sich am PDCA-Zyklus (siehe Abb. 2.5). Die Abweichungserkennung basiert auf den Kennzahlen und Zielwerten. Weichen die Kennzahlen von den jeweiligen Zielwerten ab, werden im PDCA-Zyklus Maßnahmen abgeleitet. Im Sinne des Nachhaltigkeitsmanagements ist keine weitere Anpassung des Prozesses erforderlich, weil die Nachhaltigkeitsdimensionen über das Kennzahlensystem Berücksichtigung finden. Die Umsetzung orientiert sich an den Methoden PDCA und Shopfloor-Management der VDI-Richtlinien VDI 2870 Blatt 2 und VDI-MT 2871 Blatt 2. [VDI13; VDI21]

Abb. 2.5: Definition, Umsetzung und Bewertung von Verbesserungsmaßnahmen

Shopfloorboard

Das Shopfloorboard dient der Visualisierung und Transparenz des aktuellen Prozessstatus am Ort der Wertschöpfung und ist das zentrale Kommunikationsinstrument in den Shopfloor-Runden. Mit dem Board soll es möglich sein, den Status eines Produktionssystems auf einen Blick zu erfassen. [VDI19; VDI22; VDI21; CEL19]

Das Shopfloorboard muss in dieser Arbeit auf eine Überwachung der drei Nachhaltigkeitsdimensionen im Produktionssystem angepasst werden und stützt sich dabei auf das Kennzahlensystem. Das Board ist das Kommunikationsmittel, um die Leistungskennzahlen in die Entscheidungsprozesse einfließen zu lassen. Das Shopfloorboard muss die Nachhaltigkeitsdaten verständlich, übersichtlich und eindeutig auslegbar als Entscheidungsgrundlage bereitstellen. Dazu kommen aussagekräftige Dashboards zum Einsatz, die eine gleichzeitige Überwachung mehrerer Zielgrößen ermöglichen. Die Visualisierung muss durch eine schnell interpretierbare Form die wahrgenommene Komplexität reduzieren.

Das Shopfloorboard visualisiert die Kennzahlen und die Maßnahmen. Das Board wird in den täglichen Shopfloor-Runden zur Visualisierung von Informationen genutzt. Die Übersicht ist in Abb. 2.6 dargestellt.

Abb. 2.6: Übersicht über das Shopfloorboard

In der VDI-Richtlinie VDI-MT 2871 Blatt 2 sind Vorgaben für die Gestaltung von Shopfloorboards enthalten [VDI21]. Die Boards müssen den aktuellen Status eines Produktionssystems zeigen und sollten nicht überentwickelt sein. Wichtig ist außerdem, dass die Boards unternehmensindividuell von den Nutzenden selbst entwickelt werden sollten. Die VDI-Richtlinie VDI 2870 Blatt 1 zeigt ein Beispiel [VDI12].

Für das Shopfloorboard ist ein Datenverarbeitungsdienst zur Visualisierung von Daten erforderlich. Der Dienst implementiert grafische Benutzeroberflächen und greift auf verschiedene Datenquellen zu. Die Daten werden aus den Datenquellen importiert und in verschiedenen Diagrammtypen dargestellt. Die spezifische Auslegung des Dienstes wird hier nicht weiter detailliert, weil unternehmensindividuelle Anforderungen berücksichtigt werden sollten. Allerdings ist in Abb. 2.7 ein beispielhafter Aufbau eines Shopfloorboardes dargestellt.

Abb. 2.7: Visualisierung von Kennzahlen und Maßnahmen im Shopfloorboard in Anlehnung an [VDI12]

3. Datenmodell der OSEE

Das Datenmodell für das Kennzahlensystem dient der einheitlichen Interpretation der Daten und ermöglicht semantische Interoperabilität. Im Datenmodell für das Kennzahlensystem müssen die drei Nachhaltigkeitsdimensionen ganzheitlich abgebildet sein. Außerdem gelten die bereits im Kennzahlensystem festgelegten Spezifikationen. Die Grundlage des Datenmodells bilden das Kennzahlensystem OSEE und die in den Nachhaltigkeitsstrategien der Vliesstoffunternehmen verankerten Nachhaltigkeitsziele.

Das Datenmodell basiert auf der Grundstruktur der Overall Sustainable Equipment Effectiveness (OSEE), welche die Dimensionen Ökonomie, Ökologie und Soziales systematisch integriert. Zentrales Element ist die Kennzahl OSEE, die sich aus der OEE (Gesamtanlageneffektivität) sowie aggregierten ökologischen S(Ökologisch) und sozialen S(Sozial) Indikatoren zusammensetzt (siehe Abb. 3.1). Die inhaltliche Ausgestaltung dieser Indikatoren erfolgt auf Basis einer systematischen Analyse der Nachhaltigkeitsstrategien von Unternehmen der Vliesstoffindustrie. Zur Sicherstellung von Interoperabilität und Vergleichbarkeit werden im Datenmodell Daten und Metadaten modelliert.

Abb. 3.1: Datenmodell für das Kennzahlensystem

Für das Erstellen von Datenmodellen sollten existierende Standards genutzt werden. Das Konzept der OSEE ist in [MA24] definiert. Ein einheitliches Datenmodell der OSEE oder der OEE für die Vliesstoffindustrie ist bislang nicht bekannt. Allerdings sind verschiedene Standards für die Nachhaltigkeitsfaktoren und die OEE für das Vokabular und die Ontologie des Datenmodells zu berücksichtigen. Auf bestehende Normen und Standards für die Nachhaltigkeitsfaktoren wird im weiteren Verlauf bei der Definition einzelner Kennzahlen eingegangen. Für die OEE existieren bestehende Modelle, die in dieser Arbeit nicht weiterentwickelt werden. Die ISO 22400-Reihe bietet einen Rahmen, um KPIs im Manufacturing Operations Management (MOM) standardisiert zu definieren und zu bewerten. ISO 22400-1 beschreibt die grundlegenden KPI-Konzepte [ISO14], während ISO 22400-2 konkrete Kennzahlenformeln (z. B. OEE, Verfügbarkeit, Qualitätsraten) sowie deren zugehörige Zeit- und Datenmodelle definiert [ISO14]. Der Standard ist auch als XML-Implementierung verfügbar [Dol16]. Eine Ergänzung zur ISO 22400 stellt die VDI 3423 dar, die zentrale Zeitarten (z. B. Nutzungszeit, Ausfallzeiten) und Berechnungsgrundlagen für die technische Verfügbarkeit bereitstellt [VDI11]. Diese bilden die zeitlogische Basis für OEE-Kennzahlen und lassen sich konsistent mit den Strukturvorgaben der ISO 22400 kombinieren. Die Normenreihe IEC 62264 (ISA-95) bietet eine konsistente Grundlage für die Modellierung der OEE-Komponente innerhalb des OSEE-Datenmodells [DIN14; DIN14; DIN17]. Sie definiert hierfür eine einheitliche Systemhierarchie, standardisierte Objekt- und Attributstrukturen sowie zugehörige Aktivitätsmodelle für Planung, Ausführung und Analyse. Dadurch lassen sich OEE-relevante Daten verorten, strukturiert erfassen und interoperabel in bestehende Produktions- und IT-Systeme integrieren. Für die technische Implementierung bietet die Verwaltungsschale (AAS) nach IEC 63278 eine standardisierte Struktur zur semantischen Beschreibung von Assets (hier das Produktionssystem) und Kennzahlen [IEC23]. Die konkrete Nutzung der AAS zur Modellierung der OSEE-Kennzahlen wird im folgenden Abschnitt zu den Entwurfsentscheidungen erläutert.

Die technische Modellierung des Kennzahlensystems erfolgt in vier Schritten:

1. Ableitung der Faktoren von S(Ökologisch) und S(Sozial) auf der Basis von Nachhaltigkeitsstrategien aus der Vliesstoffindustrie.
2. Semantisch eindeutige Beschreibung der Faktoren durch eine Zuordnung zu existierenden Standards und Normen.
3. Zusammenführung der Faktoren und der OEE im erweiterten OSEE-Modell.
4. Modellierung des Kennzahlensystems in der Verwaltungsschale.

Die Grundlage für die Ableitung der einzelnen Faktoren bildet eine systematische Analyse von Nachhaltigkeitsberichten und -strategien von 23 Unternehmen, die Vliesstoffe produzieren, und die Nachhaltigkeitsstrategie der Edana. Die Grundgesamtheit sind die 73 Mitgliedsunternehmen der Edana in der Kategorie „Nonwoven“ (Stand: Januar 2025). Nicht alle dieser Unternehmen veröffentlichen Informationen über Nachhaltigkeitsstrategien und -ziele. Zur Erhöhung der Vergleichbarkeit werden jeweils spezifische Werte verwendet. Sämtliche Werte werden auf die produzierte Menge von Vliesstoff in m² bezogen. Die 20 Indikatoren für den Faktor S(Ökologisch) sind in Tab. 3.1 aufgelistet und jeweils Standards und Normen zur semantischen Beschreibung zugeordnet.

Tab. 3.1: Indikatoren für den Faktor S(Ökologisch)

Die 3 Faktoren für den Faktor S(Sozial) sind in Tab. 3.2 aufgelistet und jeweils Standards und Normen zur semantischen Beschreibung zugeordnet.

Tab. 3.2: Indikatoren für den Faktor S(Sozial)

Für eine Vergleichbarkeit der Faktoren müssen sie nachfolgend normiert werden. Im Kontext der OSEE werden die Faktoren auf einen Wertebereich von 0 bis 100 % normiert, wobei 100 % gleichbedeutend mit einer vollständigen Zielerreichung ist. Für sämtliche Indikatoren sind Zielwerte zu definieren (siehe Auslegung des Zielsystems). Für die Berechnung der normierten Faktoren gilt dann:

Berechnung 3.1

Die resultierenden normierten Faktoren werden in ein Datenmodell integriert, das auf der bestehenden OEE-Struktur basiert. Die OEE-Komponente (Verfügbarkeit, Leistung, Qualität) wird nicht neu entwickelt, sondern auf Basis etablierter Standards (z. B. ISO 22400, VDI 3423) übernommen. Die S(Ökologisch)- und S(Sozial)-Indikatoren werden ergänzend als gewichtete Teilkennzahlen eingebunden und in einem gemeinsamen semantischen Modell mit den OEE-Daten verknüpft.

Zur semantischen und strukturellen Abbildung der Kennzahlen wird die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell, AAS) gemäß IEC 63278 genutzt. Die relevanten KPI-Daten werden in einem eigenen Teilmodell „OSEE“ modelliert, da ein entsprechendes Teilmodell noch nicht als Template veröffentlicht ist. Bei der Modellierung von Teilmodellen der Verwaltungsschale sind die Grundsätze aus der Spezifikation der Verwaltungsschale zu beachten [Ind24; BDE+21]. Der Grundsatz der Modularisierung besagt, dass komplexe Informationen nicht monolithisch, sondern in fachlich und funktional abgegrenzten Modulen strukturiert werden sollen. Dementsprechend wird das Datenmodell der OSEE in SubmodelElementCollections (SEC) strukturiert (siehe Abb. 3.2).

Abb. 3.2: Modularisierung im Teilmodell für das Kennzahlensystem OSEE

Die SECs der Faktoren enthalten jeweils 3 Properties:

• actualValue: IST-Wert des Indikators
• targetValue: Zielwert des Indikators
• normalizedValue: Normierter Faktor

Die Beschreibungen der Faktoren sind über das Attribut description integriert, um Zweck und Inhalt der Faktoren für menschliche Nutzer zu erläutern. Die Zuordnung der Standards und Normen als semantische Beschreibungen der Faktoren erfolgt über das Attribut semanticId der Teilmodellelemente. Die semanticId ist ein Verweis auf den inhaltlichen Bedeutungsgehalt eines Elements [Ind24]. Die semanticIds sind vom Typ ExternalReference. Die GLOBAL_REFERENCEs verweisen über einen Link auf die zugrundeliegenden Normen oder Standards. Zusätzlich werden zwei fachliche Qualifier für die Teilmodellelemente eingesetzt, um die Kennzahlen zu spezifizieren. Die physikalische Einheit der Elemente wird durch Qualifier der Art VALUE_QUALIFIER und dem type „unit“ eindeutig zugeordnet. Die Optimierungsrichtung einer Kennzahl wird durch Qualifier der Art CONCEPT_QUALIFIER und dem type „optimizationDirection“ eindeutig zugeordnet. Damit sind sowohl die Einheiten als auch die Optimierungsrichtung für Applikationen maschinenlesbar.

Abb. 3.3: Ansicht des OSEE-Teilmodells im AASX Package Explorer

4. Ausblick und Weiterentwicklung

Die in dieser Arbeit vorgestellte Konzeption eines datengetriebenen Green Shopfloor Managements stellt einen ersten Ansatz dar, um Nachhaltigkeitsziele systematisch in die operative Produktionssteuerung zu integrieren. Durch die Verbindung der Lean-Prinzipien mit einem Nachhaltigkeitsdatenmanagementsystem (NDMS) konnte gezeigt werden, dass ökologische und soziale Leistungsdimensionen mess- und steuerbar in bestehende Prozesse eingebettet werden können. Dennoch ergeben sich aus der praktischen Umsetzung und den konzeptionellen Grenzen des Ansatzes mehrere Entwicklungsfelder.

(1) Erweiterung des Datenmodells und Integration weiterer Datenquellen.

Das entwickelte Datenmodell der Overall Sustainability Equipment Effectiveness (OSEE) bildet den gegenwärtigen Stand der Integration von ökonomischen, ökologischen und sozialen Indikatoren ab. Für eine ganzheitliche Betrachtung zukünftiger Produktionssysteme ist eine Erweiterung um zusätzliche Dimensionen, wie z. B. Lieferkettentransparenz, Materialkreisläufe und Produktlebenszyklen, erforderlich. Eine Verknüpfung mit externen Datenquellen – etwa über den Digitalen Produktpass (DPP) – ermöglicht eine Bewertung jenseits der Fabrikgrenzen und unterstützt die Systemtransparenz entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

(2) Automatisierung und Echtzeitfähigkeit der Datenerfassung.

Aktuell beruhen viele Nachhaltigkeitskennzahlen noch auf periodischen Datenerhebungen. Zukünftige Entwicklungen sollten auf eine stärkere Automatisierung und Echtzeitintegration abzielen, um Abweichungen unmittelbar zu erkennen und dynamische Steuerungsmechanismen zu ermöglichen. Hierfür sind Schnittstellen zu Produktions- und Energiemanagementsystemen (z. B. MES, EMS) zu standardisieren und um semantische Datenmodelle zu erweitern.

(3) Integration von Entscheidungsunterstützung und KI-basierten Analysen.

Eine Weiterentwicklung des Green Shopfloor Management liegt in der Nutzung datenanalytischer Verfahren zur Entscheidungsunterstützung. Methoden der künstlichen Intelligenz können Muster in großen Datenmengen erkennen und Optimierungspotenziale in Bezug auf Energieeffizienz, Ressourcennutzung und soziale Faktoren automatisiert identifizieren. Die OSEE kann dabei als Zielgröße für lernende Systeme dienen.

(4) Sozio-technische Implementierung und Organisationsentwicklung.

Die technische Umsetzung muss durch ein angepasstes Change Management flankiert werden. Zukünftige Arbeiten sollten die sozialen Aspekte der Systemeinführung stärker berücksichtigen – insbesondere Schulung, Motivation und Akzeptanz der Mitarbeitenden. Nachhaltigkeit am Shopfloor kann nur gelingen, wenn technologische Innovationen mit einer partizipativen Organisationskultur verbunden werden.

(5) Validierung und Standardisierung.

Eine umfassende Validierung des Konzepts in weiteren industriellen Umgebungen, insbesondere außerhalb der Vliesstoffindustrie, ist erforderlich, um die Übertragbarkeit zu prüfen. Parallel dazu sollte die formale Standardisierung der OSEE und ihrer semantischen Beschreibung in der Verwaltungsschale (AAS) vorangetrieben werden, um eine breite industrielle Anwendung zu ermöglichen.

(6) Verknüpfung mit europäischen Datenräumen.

Langfristig bietet die Anbindung an entstehende industrielle Datenräume wie Catena-X oder Manufacturing-X die Möglichkeit, Nachhaltigkeitsdaten sicher und souverän zwischen Unternehmen auszutauschen. Damit kann das Green Shopfloor Management zu einem operativen Knotenpunkt für Nachhaltigkeitsdaten im Produktionsnetzwerk werden.

5. Literaturverzeichnis

[Bar24] Bardy, S.:
Shopfloor Management für die ressourceneffiziente Produktion. Darmstadt: Technische Universität Darmstadt, Dissertation,

[Ber20] Bertagnolli, F.:
Lean Management. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2020

[Ber22] Bertagnolli, F.:
Lean Management. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2022

[CEL19] Conrad, R. W.; Eisele, O.; Lennings, F.:
Shopfloor-Management - Potenziale mit einfachen Mitteln erschließen. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019

[Hel21] Helmold, M.:
Kaizen, Lean Management und Digitalisierung. Wiesbaden, Heidelberg: Springer Gabler, 2021

[IEC23] IEC 63278-1:2023 2023Asset Administration Shell for industrial applications - Part 1: Asset Administration Shell structure.

[KR22] Kletti, J.; Rieger, J.:
Die perfekte Produktion. 3. AuflageAufl..- Wiesbaden, Heidelberg: Springer Vieweg, 2022

[MA24] Madreiter, T.; Ansari, F.:
From OEE to OSEE: How to reinforce Production and Maintenance Management Indicator Systems for Sustainability?
6th IFAC Workshop on Advanced Maintenance Engineering, Services and Technologies (2024)

[VDI12] Richtlinie VDI 2870 Blatt 1 00.07.2012Ganzheitliche Produktionssysteme - Grundlagen, Einführung und Bewertung.

[VDI13] Richtlinie VDI 2870 Blatt 2 00.02.2013Ganzheitliche Produktionssysteme - Methodenkatalog.

[VDI17] Richtlinie VDI 2871 Blatt 1 00.01.2017Ganzheitliche Produktionssysteme - Führung.

[VDI19] Richtlinie VDI 2872 Blatt 1 00.10.2019Ganzheitliche Produktionssysteme - Lean-Enterprise-System - Grundlagen und Einführung.

[VDI21] Richtlinie VDI-MT 2871 Blatt 2 00.06.2021Ganzheitliche Produktionssysteme - Führung - Methodenkatalog.

[VDI22] Richtlinie VDI 2872 Blatt 2 00.04.2022Ganzheitliche Produktionssysteme - Lean-Enterprise-System - Methodenkatalog.

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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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.

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Introduction

The global annual man-made fibre production is growing steadily and is expected to exceed 100 million tonnes by 2030. Polyethylene terephthalate (PET) from the polyester (PES) family is the most widely used polymer, with an 80 % market share. Global clothing production alone almost doubled between 2000 and 2015. More than 80 % of all fibres produced are now used for clothing. Between 30 and 60 % of PET produced worldwide is used in clothing, i.e. approx. 18 to 36 million tonnes. This makes PET the most widely used material for clothing (as of 2021). The textile industry therefore faces enormous ecological challenges, particularly due to the high proportion of fossil raw materials used in textile production. Fossil-based polyesters account for around 52 % of the market and have a significant negative impact on the environment and resource consumption. Synthetic fibres in clothing are largely made from these fossil-based polyesters, the main component of which is PET, which is not yet 100 % bio-based. Clothing made from 100 % biopolymers has so far only been shown in studies and flagship projects, as it is too expensive for the mass market and not available in sufficient quantities. The bioPEtex project aims to establish 100 % bio-based polyethylene (bioPE) in the clothing market. The large-volume thermoplastic drop-in polymer is used to produce mono material, thermomechanically recyclable clothing. To achieve this, the challenge that PE is not produced for continuous fibre production and that there are no designated types for this purpose and no textile plant technology designed for the polymer must be solved. Based on preliminary work at the Institute für Textiltechnik (ITA), the current project status and Alberghini et al., it is foreseeable that the project will be successful. The consortium's expertise is ideally suited for rapid implementation. [Tex22; AHL+21; SB20Materials and Methods

In the scope of this project, commercially available bio-based polyethylenes are selected, procured and modified (see Figure 1).

Spinnable compounds made from BioPE are then developed. For subsequent spin dyeing in the melt spinning process, colour masterbatches with bio-based colour pigments are developed by our industry partner TECNARO GmbH, Ilsfeld, Germany, in order to realise a sustainable alternative to conventional dyeing with dyes. In addition, conventional dyeing of PE is challenging [BBO+13]. Various textured multifilament yarns with up to 100 filaments are developed from these bioPE compounds using melt spinning and texturing processes on a semi-industrial scale, so that a bio-based T-shirt can be manufactured. Until now, PE has only been used in the industry for staple fibres, highly drawn fibres for technical applications or for carbon fibres – but not yet as yarn in clothing [Fou99; Pei18; Wor17]. In addition to the elasticity provided by the meshes in the knitted fabric, innovative, pre-competitive, sustainable textile finishes are being tested and further developed.

Results

Initial results show promising progress in the processing of bioPE into spun-dyed yarns with suitable properties for textile applications. BioPE can be processed into multifilament yarns in stable melt spinning processes. Process development with dyed bioPE compounds is currently underway (see Figure 2).

The resulting partially oriented yarns (POY) with currently 96 filaments and a single filament titre of approx. 1 dtex have suitable properties for subsequent false-twist texturing (see Figure 3). Production speeds for melt spinning are currently in the industrial range (2,500 m/min). In a next step, yarns with 30 filaments and a higher single filament titre will be spun in order to give the resulting textile more stability in combination with the fine yarns.

Tensile strengths of approx. 20 cN/tex have been achieved to date, thus already meeting the target values derived from PET-POY. False-twist texturing on a laboratory scale (ITA) and on a semi-industrial scale (BB Engineering GmbH, Remscheid, Germany) has also been successful. The mechanical properties of the textured yarns (draw-textured yarn, DTY) are thus improved and the yarn volume and heat retention capacity are increased (see Figure 4). The close-up image of the DTY below shows that no tangling was introduced on a laboratory scale and that the yarn cohesion is therefore not yet ideal. However, the DTY can already be processed into a knitted fabric without any problems. These shortcomings are also remedied on a semi-industrial scale.

The resulting natural fibre-like, cool feel now makes it possible to use the yarn in textiles. Initial knitting trials with the lab-scale DTY have been successful at our industrial partner FALKE KGaA in Schmallenberg, Germany, once again confirming the cooling sensation when the textile is touched. Further yarns are being developed so that the next step can be to produce a T-shirt for sports applications using semi-industrial yarns and validate it as a demonstrator. The development of the bio-based elastic finish is also currently underway.

Summary

The bioPEtex project represents an innovative approach to producing sustainable clothing from bio-based materials. Targeted research and development aims to achieve both ecological and economic benefits. The results achieved could contribute to significantly reducing the ecological footprint of the textile industry and setting new standards for recyclability in the fashion industry. So far, developments with bio-based PE compounds have been successful, and smooth, partially oriented as well as textured yarns can be produced on a semi-industrial scale and processed into a cooling knit fabric. Validation as a demonstrator in the form of a seamless, bio-based T-shirt with elastic bio-based finishing is still pending in the further course of the project.

Acknowledgement

We thank the Federal Ministry of Research, Technology and Space for funding the Innovation Space BIOTEXFUTURE and the research project bioPEtex (031B1496). Furthermore, we would also like to thank everyone involved in this project for their contributions and commitment.

Bibliography

[AHL+21] Alberghini, M.; Hong, S.; Lozano, L. M.; Korolovych, V.; Huang, Y.; Signorato, F.; Zandavi, S. H.; Fucetola, C.; Uluturk, I.; Tolstorukov, M. Y.; Chen, G.; Asinari, P.; Osgood, R. M.; Fasano, M.; Boriskina, S. V.:
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[Wor17] Wortberg, G.:
Entwicklung polyethylenbasierter Precursoren für die thermochemische Stabilisierung zur Carbonfaserherstellung. Shaker Verlag, Dissertation,

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.

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Abstract

Diese Studie analysiert die Möglichkeiten der Energiegewinnung in textilen Materialien durch physikalische Prozesse, die während der Interaktion mit dem menschlichen Körper auftreten. Im Fokus stehen triboelektrische, piezoelektrische und thermoelektrische Nanogeneratoren. Ziel ist es, den Stand der Technik systematisch zu analysieren, die Leistungsfähigkeit und Alltagstauglichkeit der Technologien zu bewerten und ihre textile Integration zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) durch ihre hohe Leistungsdichte von bis zu 2 W/m², Flexibilität und unsichtbare textile Integration besonders geeignet sind. Piezoelektrische und thermoelektrische Ansätze bieten spezifische Vorteile, stoßen jedoch auf Einschränkungen hinsichtlich Materialauswahl und Herstellbarkeit. Hybride Systeme zeigen Innovationspotenzial, sind jedoch zum aktuellen Stand kostenintensiv und komplex. Die Studie unterstreicht das Potenzial energieautarker Smart Textiles in Bereichen wie Wearables für die medizinische Überwachung und Sportanwendungen. Sie betont den Forschungsbedarf an kosteneffizienten, langlebigen und biokompatiblen Materialien sowie optimierten Designs für die textile Integration.

Einleitung

Die voranschreitende Digitalisierung und die zunehmende Verbreitung von tragbarer Elektronik haben die Anforderungen an energieautarke Systeme erheblich gesteigert. Tragbare Elektronik, wie Smart Textiles, bietet die Möglichkeit, vielfältige Daten über den menschlichen Körper zu erfassen und gleichzeitig höchsten Tragekomfort zu gewährleisten. Mit dem Internet der Dinge und der Verknüpfung von Milliarden von Geräten wird eine nachhaltige und dezentrale Energieversorgung unverzichtbar. [All22]

Die vorliegende Studie widmet sich der Frage, inwiefern physikalische Prozesse des menschlichen Körpers, wie Bewegung, Körperwärme oder statische Elektrizität, für die Energiegewinnung genutzt werden können. Ziel ist es, bestehende Technologien zur Stromerzeugung zu analysieren, ihre Eignung für textile Anwendungen zu bewerten und die Potenziale für den Einsatz in Wearables aufzuzeigen. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Untersuchung von triboelektrischen, piezoelektrischen und thermoelektrischen Nanogeneratoren sowie der Bewertung ihrer Alltagstauglichkeit und Integration in textile Strukturen. Die Studie zielt darauf ab, sowohl den aktuellen Stand der Technik als auch bestehende Defizite zu identifizieren, um künftige Forschungsarbeiten zu unterstützen.

Material und Methoden

Der methodische Ansatz dieser Arbeit stützt sich auf eine systematische Literaturrecherche basierend auf der Methodik „Guidance on Conducting a Systematic Literature Review“ von Yu et al. [Yu17], die eine umfassende Analyse des aktuellen Forschungsstands sicherstellt.

s. Abbildung 1: Prozess der systematischen Literaturrecherche nach [Yu 17]

Zunächst wurde eine Problemstellung formuliert, die sich mit der Nutzung körpernaher physikalischer Prozesse zur Energiegewinnung in Textilien auseinandersetzt. Diese diente als Grundlage für die Entwicklung eines Rechercheprotokolls, das die Auswahl relevanter Quellen sicherstellte. Einschlusskriterien wie unter anderem die textile Integration oder auch Energieautarkie wurden festgelegt. Datenbanken wurden systematisch durchsucht, und gefundene Quellen wurden nach definierten Kriterien überprüft, um qualitativ hochwertige Literatur zu sichern.

Die untersuchten Technologien umfassen triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs), piezoelektrische Nanogeneratoren (PENGs) und thermoelektrische Generatoren (ThENGs). Die Bewertung erfolgte anhand der erzeugten Leistungsdichte, der Alltagstauglichkeit und des Integrationsgrads in Textilien. Die Ergebnisse dieser Analyse bilden die Grundlage für die Bewertung der Eignung dieser Technologien in tragbaren Anwendungen.

Ergebnisse

Die Analyse zeigt, dass triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und Flexibilität am besten für die textile Integration geeignet sind. Mit bis zu 2 W/m² stellen sie die effizienteste Technologie für die Energiegewinnung in textilen Strukturen dar. [TMW+18] Piezoelektrische Nanogeneratoren (PENGs) bieten ebenfalls vielversprechende Ansätze, insbesondere in Anwendungen, bei denen Druckkräfte eine Rolle spielen. [Rad16] Thermoelektrische Generatoren (ThENGs) nutzen Temperaturdifferenzen, zeigen jedoch durch die notwendige Materialauswahl und die steifen Strukturen technische Einschränkungen. [Pas22]

Für thermische Stromerzeugung am menschlichen Körper wird ein Temperaturgradient benötigt, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Abbildung 2 verdeutlicht den Aufbau schematisch. Der Thermogenerator wandelt thermische in elektrische Energie um. Kombiniert mit einer Einheit für Strom- und Batteriemanagement sichert der Thermogenerator die Stromversorgung der Applikation. Sensoren, verknüpft mit einem Kommunikationsmodul, ermöglichen die Nutzung der bereitgestellten Energie. 

s. Abbildung 2: Systemüberblick der stromerzeugenden Applikation

Diskussion

Die Untersuchung hebt hervor, dass TENGs durch ihre vielseitige Einsetzbarkeit und ihre einfache Integration in Textilien die vielversprechendste Technologie darstellen. Sie eignen sich besonders für Anwendungen, die auf Bewegungsenergie basieren. Dennoch bestehen Herausforderungen in der Effizienzsteigerung und der mechanischen Stabilität textilintegrierter Systeme. PENGs und ThENGs könnten durch die Entwicklung neuer Materialien und innovativer Fertigungsmethoden an Bedeutung gewinnen. Hybride Systeme wie Brennstoffzellen bieten zukunftsweisende Ansätze, deren praktische Umsetzung jedoch noch weitere Forschung erfordert.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und der AIF-Forschungsgemeinschaft für die Förderung des IGF-Projektes Nr. 351EN/1.

1 Einleitung

Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) können zur konsequenten Ausnutzung des Leichtbau-potenzials beitragen, da den aus der jeweiligen Bauteilanwendung resultierenden struk-turmechanischen Anforderungen durch textile Verstärkungsstrukturen mit maßgeschnei-derten, anisotropen Eigenschaften in hohem Maße entsprochen werden kann. Zudem können FKV im Vergleich zu Metallen deutlich höhere gewichtsbezogene Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen. Mit dem gegenwärtig steigenden Einsatz von FKV erhöht sich auch der Bedarf an leistungsfähigen und bedarfsgerechten Reparaturkonzepten für geschä-digte Komponenten [1]. Schäden an FKV-Bauteilen resultieren vor allem aus deren Ge-brauch, z. B. durch außergewöhnliche Betriebslasten sowie Impakt- bzw. Stoßbeanspru-chungen. Als häufigste Ursachen beispielsweise in der Luftfahrt traten u. a. Impaktereig-nisse durch Vogelschlag sowie Kollisionen mit Vorfeldfahrzeugen und aufgewirbelten Teilen auf den Start- und Landebahnen auf [2]. Ebenso können Produktionsfehler, die bei sicherheitskritischen Anwendungen zu einem Ausschussbauteil führen, eine Reparatur erforderlich machen, z. B. bei lokal unvollständiger Infiltration des Laminats. Für die verfügbaren Reparaturverfahren besteht gegenwärtig noch keine flächendeckende Verbreitung sowie keine uneingeschränkte Anwendbarkeit [3]. Es wurden verschiedene Reparaturmethoden für spezielle Bauteilgruppen und Einzelfälle entwickelt, z. B. das Heraustrennen der Schadstelle und das anschließende Fügen eines neuen FKV-Patches durch Kleben bzw. Nieten, wobei die verstärkenden Endlosfasern durchtrennt und so die mechanische Leistungsfähigkeit herabgesetzt werden. Bei Klebeverbindungen muss die Reparaturfläche deshalb großflächig geschäftet werden, um eine effiziente Kraftübertragung über Schubbelastung zu gewährleisten. Damit sind solche Reparaturkonzepte vor allem für großflächige und nur leicht gekrümmte Bauteile geeignet, z. B. Flugzeugkomponenten. Komplex gekrümmte Bauteile mit hoher Wandstärke, z. B. im Anlagen- und Fahrzeugbau, sind aufgrund der notwendigen großen Schäftverhältnisse bis zu 1:60 [4, 5] und der tech-nisch herausfordernden spanenden Schäftung, z. B. durch Fräsen, vor allem im eingebau-ten Zustand des Bestandsbauteils nicht unmittelbar bzw. nur zu Lasten erheblich redu-zierter mechanischer Eigenschaften reparierbar.

Ein hohes Innovationspotenzial zur Behebung der genannten Defizite von Reparaturen gekrümmter FKV-Bauteile besitzt ein von der TU Dresden patentiertes Verfahren bei dem der Matrixwerkstoff im geschädigten Bereich chemisch durch gezielte Aktivierung von Halbleiteroxiden (HLO) mit einer gesteuerten Ultraviolett (UV)-Strahlungsquelle abgebaut und die Faserstruktur freigelegt werden [6–8]. Dieses Verfahren wurde am ITM bisher an ebenen CFK-Proben (Carbonfaserverstärkter Kunststoff) validiert [8–10] und an lediglich leicht gekrümmten, dünnwandigen Basisbauteilen erfolgreich erprobt.

Mit dem hier verfolgten Lösungsansatz sollen neuartige, biaxial gestufte, endkontur- und lastpfadgerechte 3D-Textilpatches mit freien Fadenenden im Kantenbereich zur Reparatur komplex gekrümmter 3D-FKV-Bauteile entwickelt und getestet werden. Zur Fertigung derartiger 3D-Textilpatches auf Flachstrickmaschinen sind technologisch-konstruktive Weiterentwicklungen zur Realisierung konturgerechter Stufungen mit freien Fadenenden notwendig, um eine bestmögliche Kraftübertragung zwischen Patch und Verbundbauteil sicherstellen zu können. Zur kraftschlüssigen Anbindung des 3D-Textilpatches an die Grundstruktur wird zudem das Matrixabbauverfahren so weiterentwickelt, dass ein sequentieller (d. h. schichtweiser, gestufter) 3D-Matrixabbau erfolgt. Weiterhin wird ein Simulationsmodell entwickelt mit dem der Reparaturbereich und die Patches ausgelegt werden können. Die Umsetzung der Reparatur soll zudem automatisiert mittels Robotertechnik möglich sein.

2 Stand der Forschung und Technik

2.1 Reparaturansätze für FKV

Für die Reparatur von FKV-Bauteilen sind heute vor allem folgende Strategien anwendbar: der Austausch von Bauteil(-sektion)en, die Dopplerreparatur und das Einkleben eines Reparaturpatches nach vorheriger Schäftung. Die Reparatur dünnwandiger Bauteile erfolgt mittels Doppler ohne Wiederherstellung der Oberfläche, da ein oder beidseitig Metallbleche oder FKV-Patches auf die Schadstelle geklebt oder genietet werden [11]. Bei der kontinuierlichen oder gestuften Schäftung wird die Schadstelle mechanisch händisch bzw. mittels CNC-Fräse oder laserbasiert abgetragen [12, 13]. Robotergestützte Verfahren sind vor allem für großflächige und leicht gekrümmte Strukturen in der Luftfahrt bekannt [5, 14–16]. Die Reparatur der Schadstelle erfolgt jedoch weiterhin durch Handlaminieren bzw. das Einkleben eines neuen FKV-Patches. Bei komplex gekrümmten Strukturen ist dagegen das mechanische Fräsen aufgrund der schwierigen Zugänglichkeit und der großen Schäftungsbereiche nur schwer möglich. Der Laserabtrag erfordert eine komplexe Anlagentechnik und führt zu signifikanter Faserschädigung durch thermische Einwirkung. Insgesamt fehlt also ein effizientes Verfahren zur Freilegung der Schadstelle für komplex gekrümmte Geometrien. Bei einem an der RWTH Aachen eintwickeltem Reparaturkonzept für Automobile in CFK-Bauweise wurde die Schadstelle an einem Hutprofilbauteil durch konventionelles mechanisches Schäften abgetragen und ein FKV-Patch eingeklebt [12, 17]. Dessen Herstellung erfolgte als textile Preform im Doppler-Diaphragma-Umformverfahren mit anschließender Harzinfusion und Konsolidierung. Die konsolidierten FKV-Patches wurden in die geschäftete Reparaturstelle durch mechanische Bearbeitung eingepasst und manuell eingeklebt.

Der wesentliche Nachteil der genannten FKV-Reparaturverfahren ist der trotz bestehender Automatisierungsansätze generell hohe manuelle Arbeitsaufwand, der daher bei der Übertragung auf komplex gerümmte Bauteile in der Regel zu zeit- und kostenaufwändig ist und häufig eine mangelnde Reproduzierbarkeit der Verbundqualität im Reparaturbereich erwarten lassen. Die Übertragung der Schubkräfte durch den Reparaturpatch erfordert eine großflächige Entfernung der noch intakten Verbund- und damit der textilen Verstärkungsstruktur beim Schäften weit über die eigentliche Schadstelle hinaus. Damit sind die verfügbaren Reparaturansätze hauptsächlich für großflächige und nur leicht gekrümmte Bauteile geeignet, z. B. Flugzeugrümpfe, Rotorblätter oder Bootsrümpfe. Neben Reparaturverfahren mit spanendem Abtrag gibt es auch reine Matrixentfernungsverfahren. Bei halbleiterbasierten Verfahren wird durch aktivierte Metallhalbleiteroxide eine radikalische Depolymerisation der Matrix initiiert. Mit Hilfe thermischer Aktivierung wird dies zum Recycling von CFK-Strukturen durch TSUKADA et al. eingesetzt [18]. Die Nutzung dieses Verfahrens für einen lokalen Abtrag der Matrix wurde ansatzweise durchgeführt, wobei sich die Untersuchungen ausschließlich auf thermische Betrachtungen beschränkten. Am ITM der TU Dresden wurde ein UV-induziertes Matrixabbauverfahren umgesetzt [8, 10]. Wesentliche Vorteile sind die kurzen Prozesszeiten und der faserschonende Matrixabbauprozess zur Freilegung der Fasern.

2.2 Mehrlagenstrick-Technik zur Fertigung dreidimensionaler textiler Verstärkungsstrukturen

Zur Herstellung endkonturgerechter 3D-Textilpatches ist die Mehrlagenstrick-(MLG)-Technik aufgrund der damit realisierbaren hohen Strukturdiversität in der Flächenbildung anforderungsgerechter Verstärkungsstrukturen prädestiniert, mit einem hohen Potenzial zur direkten Ausbildung endkonturnaher und anforderungsgerechter Geometrien textiler Verstärkungsstrukturen, die als verstärkte MLG-Halbzeuge mit in der Maschenstruktur in-tegrierten, belastungsgerecht angeordneten Verstärkungsfadensystemen gefertigt werden können [19–21]. Um endkonturgerechte und zur Verstärkungsrichtung in der Reparaturstelle des Bestandsbauteils passende, in Negativform gestufte 3D-Textilpatches mit freien Fadenenden zur bestmöglichen Kraftübertragung zwischen Patch und Verbundbauteil herstellen zu können, sind allerdings technologisch-konstruktive Entwicklungen der MLG-Technik erforderlich, wofür im Forschungsprojekt zwei Zusatzeinrichtungen entwickelt werden sollten.

2.3 Modellierung von textilen Verstärkungsstrukturen

Modelle für textile Strukturen auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich in makroskopische Kontinuumsansätze und diskrete Ansätze unterscheiden, die die Mikro- bzw. Mesostruktur des Textils abbilden. In Makroskalenansätzen wird das Textil als homogenes Material mit verschmierten Eigenschaften modelliert [22–24]. Diskrete Textilmodelle auf der Mikro- oder Mesoskala bilden dagegen das textile Werkstoffverhalten über die Abbildung der Faser- oder Garnarchitektur ab [25–27]. Modellentwicklungen konzentrierten sich dabei primär auf Gewebe, Geflechte und Gelege. Gestricke und damit verstärkte FKV wurden in der Literatur bisher vergleichsweise wenig betrachtet. Modelle für unverstärkte Gestricke [28, 29] und mit starken Vereinfachungen für biaxial verstärkte Gestricke [30–32] wurden u. a. am ITM der TU Dresden vorgestellt. Die Anwendungen bezogen sich auf 2D-Gestricke, die simulativ in textilphysikalischen Charakterisierungen und Drapieruntersuchungen analysiert wurden. Die Auslegung 3D-gestrickter Verstärkungsstrukturen war bisher nicht Gegenstand der Forschung und erfordert die Entwicklung numerischer Modelle für die angestrebte Simulationskette.

3 Material und Methoden

3.1 Material

Beispielhaft soll das Reparaturverfahren für ein Faserverbund-Bauteil in CFK-Duromerbauweise und einem darauf basierenden textilen Patch dargestellt werden. Das FKV-Bauteil entspricht einer Halbkugel mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Wandstärke von ca. 2,0 mm. Das Bauteil wurde aus einer mehrlagengestrickten Preform mit dem Lagenaufbau: 0/90/0/90/0/90 hergestellt. Materialseitig wurden die Reparaturpatches aus Kohlenstofffasern (CF) mit einer Feinheit von 800 tex in Kett- und Schussrichtung und aus einem PA6-Garn (25 tex) als Maschenfaden hergestellt.

3.2 Entwicklung eines FEM-Simulationsmodells zur Auslegung gestrickter 3D-Textilpatches

Das zu reparierende Bauteil sowie die Reparaturpatches wurden in einem Mesoskalen-FEM-Modell in der Software LS-DYNA modelliert und simuliert. Kett- und Schussfäden wurden mittels Schalenelementen und die Maschenfäden mittels Balkenelementen ins Modell implementiert. Die Matrix wurde mittels Solid-Elementen abgebildet und anschließend mit der modellierten textilen Struktur zu einem Verbundmodell kinematisch gekoppelt. Das Basistextil des Verbundbauteils bestand aus jeweils drei Kett- und Schusslagen in 0°/90°-Richtung. Zur Simulation eines Defektes wurde ein Loch mit 5 mm Durchmesser integriert. Im Defektbereich des Bauteils, in den später das 3D-Textilpatch eingebracht wird, wurden die Matrix zunächst entfernt und die Textilschichten entsprechend der Topologie des 3D-Textilpatches gestuft entfernt. Für die Untersuchung der notwendigen Überlappungslänge des Textilpatches wurden drei Stufen festgelegt. Die Überlappungslänge des Textilpatches sollte nicht zu klein sein, da dies die manuelle Handhabung erschwert. Andererseits sollte sie auch nicht zu groß sein, da dies einen erhöhten Materialbedarf mit sich bringt. Die gewählten Varianten waren 10 mm, 15 mm und 20 mm. Für die Schichten des Patches wurde eine Verstärkungsfaserorientierung 0°/90° gemäß der Faserorientierung im Ausgangsbauteil modelliert.

3.3 Verfahrensentwicklung zum sequentiellen 3D-Matrixabbau an gekrümmten Strukturen

Das Ziel war die Entwicklung einer selbstklebenden Halbleiteroxid-(HLO)-Formulierung für vertikale und über Kopf zu reparierenden Bauteilen. Dazu wurden drei Polymere (Polyurethan, Polyvinylalkohol und Acrylat) hinsichtlich ihrer Haftungseigenschaften untersucht. Die Polymerlösungen wurden in drei Konzentrationen in Wasser hergestellt und mit den HLO (TiO₂, CeO₂) versetzt. Die rheologische Charakterisierung zeigte für die 40 %ige PU-Formulierung stabile Viskositätswerte (160-443 mPa·s), die sich durch die HLO-Zugabe kaum veränderten und im angegebenen Bereich (20-500 mPa·s) lagen. Nur die 40 %ige Polyurethan (PU)-Lösung und die 15 ̶ 17 %ige Polyvinylalkohol(PVA)-Lösung wurden als versprühbar bewertet (max. 1000 mPa·s). Das Trocknungsverhalten der Polymerlösungen wies einen gleichmäßigen Wasserverlust und eine vollständige Trocknung nach etwa 35 Minuten auf, wobei eine Ausnahme bei der 40 %igen PU-Lösung zu verzeichnen war. Die Auswahl eines geeigneten selbsthaftenden HLO-Lösungssprühfilms für einen photokatalytischen Matrixabbau erfolgte mittels des UV-Strahlers HB2 HANDELD LED 385 nm (UVITERNO AG, Berneck/ Schweiz). Für die Verfahrensvalidierung wurde der HLO-Lösungssprühfilm mit dem HLO Ceriumdioxid (CeO2, LIFE TECHNOLOGIES GMBH, Darmstadt/ Deutschland) mit einer Menge von 0,4 mg/cm2 und einer 40% PU-Dispersion (KREMER PIGMENTE GMBH & CO. KG, Aichstetten/ Deutschland) gewählt.

3.4 Technologisch-konstruktive Entwicklung der Mehrlagenstricktechnologie zur Fertigung gestufter 3D-Textilpatches

Für die textiltechnische Herstellung der 3D-Reparaturpatches war die technologische Entwicklung der Mehrlagenstricktechnologie notwendig. Die biaxiale Abstufung, die der Faserorientierung des Bauteils entspricht, wurde durch folgende Schritte umgesetzt: (i) eine schichtweise Integration von Fasern und (ii) Zuschneiden und anschließendes Wiedereinbringen einer variierenden Anzahl von Kett- und Schussfäden mit offenen Enden. Um in den Überlappungsbereichen zwischen den freiliegenden Fadenenden im Reparaturbereich und den Verstärkungsfäden des neu einzusetzenden 3D-Textilpatches eine tragfähige Verbindung herzustellen, sind in diesen Bereichen keine Maschen vorhanden. Die Herausforderung bestand in der Entwicklung und stricktechnischen Umsetzung anforderungsgerechter Gestrickkonstruktionen durch die maschenreihenweise Interaktion mehrerer Schuss- und Maschenfadenführer. Dabei musste jeweils ein Maschenfadenführer aktiv vor der letzten einzubindenden Kettfadenlage versetzt werden, um den einzubindenden Teil des Mehrlagenaufbaus zu fixieren. Um alle vier Lagen zu fixieren, wurde der Maschenfadenführer 2 verwendet. Sollte nur die Kettfadenlage 1 mit Schussfadenlage 1 fixiert werden, wurde Maschenfadenführer 1 verwendet. In den Stufenbereichen musste die Kuliertiefe lokal angepasst werden, abhängig von der Anzahl der Kett- und Schussfäden, die in einer Masche eingebunden waren. Diese Anpassung wurde durch die Steuerung des Schlittenhubs in Kombination mit den Maschinenparametern (wie Abzug und Schlosseinstellung) analysiert. Für das gezielte und schrittweise Einbringen der Schussfäden sowie die Erzeugung der freien Fadenenden der gestuften Patches wurde eine Zusatzeinrichtung für Flachstickmaschinen entwickelt und umgesetzt. Die wesentlichen Funktionen der Zusatzeinrichtung umfassen: (i) Überfahrbarkeit über die Gestrickkante hinaus und (ii) Fixierung, Speicherung und Schneiden des Fadens. Im Rahmen eines konstruktiven Entwicklungsprozesses wurde zunächst die Funktionsstruktur sowohl der bestehenden Flachstrickmaschine als auch der Zusatzeinrichtung gestaltet. Die obere Reihe (Blautöne) zeigt den abstrahierten Funktionsablauf der Flachstrickmaschine, inklusive der Modifikationen vom Strickprozess bis zur Speicherung der Ware. Dunkelblaue Markierungen heben die gegenüber dem Standardstrickprozess abweichenden Funktionen hervor. Die untere Reihe (Lilatöne) überträgt diese abstrahierten Funktionen auf die spezifischen Prozesskomponenten und konkretisiert sie. Gemäß dem regulären Strickprozess wird der Schussfaden zunächst voreilend eingelegt und durch den Maschenfaden während der Maschenbildung fixiert. Am Ende jeder Maschenreihe wird der Schussfaden mithilfe des Schussfadenführers über die Gestrickkante hinausgeführt. Beim Richtungswechsel des Schussfadenführers wird die entstehende Umkehrschlaufe durch die Zusatzeinrichtung fixiert. Nach der Fertigung der folgenden Maschenreihe und dem Abschluss der Abzugsbewegung wird die zuvor fixierte Umkehrschlaufe von der Zusatzeinrichtung geschnitten, wodurch die gewünschten freien Fadenenden entstehen. Um eine endkonturnahe biaxiale Abstufung der 3D-Textilpatches mit freien Fadenenden in Kettrichtung zu ermöglichen, wurde eine zweite Zusatzeinrichtung entwickelt. Diese übernimmt die Funktionen Fixieren, Trennen und Wiedervorlegen der Kettfäden. Mit ihrer Hilfe konnten lagenweise definierte Kettfadenabschnitte bedarfsgerecht in die Reparaturpatches exemplarisch integriert werden. Zur technologisch-konstruktiven Erweiterung der Fadenführsysteme für die Verarbeitung von Multifilamentgarnen (z. B. Carbonrovings) wurden geeignete Konzepte erstellt. Die daraus abgeleiteten Vorzugslösungen für die Zusatzeinrichtungen wurden auf die geforderte Dynamik und erforderlichen Funktion hin entwickelt. Vor den stricktechnischen Untersuchungen wurden beide Zusatzeinrichtungen umgesetzt, mechanisch in die Flachstrickmaschine Stoll ADF-530 integriert und getestet. Weiterhin erfolgte die endkonturgerechte, stricktechnische Umsetzung der entwickelten Gestrickkonstruktionen für die Patches. Für die Herstellung der gestuften Reparatur-patches mit differierender Dicke wurden systematische Versuchsreihen geplant und durchgeführt, um die miteinander in Wechselwirkung stehenden Maschinenparameter (u.a. Kuliertiefe, Fadenspannung, Warenabzug und Strickgeschwindigkeit) und deren Einfluss auf die Struktureigenschaften (Flächenmasse, Verstärkungsfadendichte, freie Überlappungslänge, Geometrie) der 3D-Textilpatches sowie geeignete Parameterkombinationen zu ermitteln.

4 Ergebnisse und Diskusison

Simulation

Zur Patchauslegung mit verschiedenen Überlappungslängen wurde mit dem entwickelten Siumlationsmodell ein Druckversuch am FKV-Bauteil (Halbkugel) mit realitätsnahen Lagerungs- und Belastungsrandbedingungen simuliert. Die Simulation des Druckversuchs zeigt, dass bei einer Patchüberlappungslänge von 20 mm eine Wiederherstellung von 92 % der Tragfähigkeit erreicht werden kann.

Untersuchungen zum 3D-Matrixabbau

Im Rahmen der Untersuchung zum sequentiellen 3D-Matrixabau wurden die Strahlerleistung, die Abbautiefe, die Bestrahlungsdauer sowie der Abstand zwischen Bauteil und Strahler an Reinharz- (RH) und CFK-Platten analysiert. Dazu wurden HLO als Pulver oder als Sprühfilm aufgebracht und anschließend mit dem UV-Strahler bestrahlt. Die Parameter variierten zwischen Strahlerabständen von 10–45 mm, Leistungen von 20–100 % und Bestrahlungszeiten von 30–160 s in mehreren Etappen. Die Resultate der Analyse demonstrierten, dass bei einem Strahlerabstand von 25 mm kein signifikanter Matrixabbau mehr zu beobachten war. Daher wurde für die Validierungsversuche ein Abstand von 10 mm gewählt, um eine hinreichende Bestrahlungsstärke zu gewährleisten.  Eine inhomogene HLO-Verteilung führte zu einer Begrenzung des Abbaus auf einzelne Bereiche und einer Verringerung der Effizienz. Lichtmikroskopische Untersuchungen belegen, dass die Pulverauftragsmethode eine signifikant höhere Effektivität aufweist als die Sprühfilmauftragsmethode. Letztere bedingt längere Bestrahlungszeiten, um eine vergleichbare Freilegung der Einzelfilamente zu erzielen. Die Anwendung beider Methoden führte zu einer erfolgreichen Freilegung der Filamente. Thermogravimetrische Analysen (TGA) sowie lichtmikroskopischen Aufnahmen belegen, dass die Rückstände anorganischer Materialien mit steigender Bestrahlungsstärke zunehmen. Es lässt sich eine signifikante Zunahme der Rückstände nach der Bestrahlung beobachten. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit einer zusätzlichen Reinigung, um unerwünschte Rückstände, die sich durch die Matrixbehandlung anreichern, zu entfernen und die Effizienz der Verfahren zu sichern. Die validierten Prozessparameter wurden erfolgreich auf den photokatalytischen Matrixabbau des FKV-Bauteils angewandt. Dabei wurde der Bauteil-Strahler-Abstand von 10 mm sowie die zweistufige Behandlungsstrategie in Form von einer Bestrahlung in zwei Zeitetappen beibehalten. Die durchgeführten Untersuchungen legen nahe, dass ein mehrstufiger Abbau erforderlich sein kann, um die gewünschten freigelegten Faserbereiche zu erzielen. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass die behandelten FKV-Proben erfolgreich freigelegte Einzelfilamente aufweisen. Mikroskopische Analysen von Rovings verdeutlichten besonders klare Freilegungen, jedoch wurden im Vergleich zur CF-Referenz leichte Abbaurückstände beobachtet. Diese könnten durch inhomogene HLO-Aufträge oder lokale Schwankungen im Matrixabbau bedingt sein.

Untersuchungen der gestrickten 3D-Textilpatches

Bei der Herstellung wurde der maßgebliche Parameter Kuliertiefe variiert und in Abhängigkeit davon die Kennwerte der textilen Strukturen ermittelt. Die Flächenmasse, die massenmäßige Zusammensetzung (entspricht Anteile Kett-, Schuss- und Maschenfäden) der zwei- und vierlagigen biaxialen Reparaturpatches und die Fadendichten zeigten keine klare Abhängigkeit vom variierten Maschinenparameter Kuliertiefe. Die Dicke der Reparaturpatches wurde gemäß DIN EN ISO 5084 und die Maschenlänge nach DIN EN 14970 bestimmt. Sowohl bei 2- als auch 4-lagigen Strukturen war über die gesteigerte Kuliertiefe ein leichter Anstieg in der Dicke und der Maschenlänge ersichtlich. Durch die gesteigerte Maschenlänge, ergab sich eine höhere Dicke des Reparaturpatches, wodurch aber aufgrund der geringen Feinheit und Dichte des Maschenfadens weder die Flächenmasse noch die weiteren zuvor bestimmten Parameter gesteigert werden konnten. Final wurden die anvisierten Reparaturpatches in verschiedenen Größen gemäß den Anforderungen und iterativen Entwicklungen umgesetzt und für die Reparatur des Bauteils eingesetzt.

5 Entwicklung und Umsetzung einer robotergestützten, automatisierten Reparaturprozesskette

Die Reparaturprozesskette wurde als roboterunterstütztes Verfahren an einem KUKA KR6 R900 6-Achs-Industrieroboter umgesetzt und erprobt. Für das FKV-Bauteil wurde dazu eine TCP (Tool-Center-Point)-Kalibrierung durchgeführt. Die exakte Position der Werkzeugspitze wurde hier erfasst und kann als Referenzpunkt für das Bewegungssteuerungssystem des Roboters verwendet werden. Die Bewegungsbahnen umfassen mehrere realisierte Segmente unter Verwendung unterschiedlicher Werkzeuge mit den folgenden Schritten:

1. Dimensions- und ortsunabhängige robotergestützte Applikation der HLO-Formulierung auf die Schadstelle des FKV-Bauteils Für Schritt (1) wurde ein Applikationssystem für den präzisen robotergestützten Auftrag der HLO-Formulierung konzipiert und konstruktiv umgesetzt.
2. Robotergestützte Führung des UV-Strahlers mit definiertem Abstand und orthogonaler Ausrichtung zur Bauteiloberfläche Der schichtweise Matrixabbau erfolgte in Schritt (2) an dem simulativ ermittelten Reparaturbereich mit der Strahlungsquelle und den abgeleiteten Parametern zum Matrixabbau. Die definierte 3D-Bahnführung des UV-Strahlers erfolgte robotergestützt und wurde softwarebasiert mit im Programm MATLAB erzeugten Algorithmen bauteilgerecht geplant.
3. Nach der lagenweisen Entfernung der Matrix wurden die Fasern im simulationsgestützt ermittelten Reparaturbereich entfernt, sodass an den Rändern freigelegte freie Fadenenden für die Anbindung der Reparaturpatches erhalten blieben. Der Schneidprozess kann im Ult-raschall-Schneidverfahren präzise durchgeführt werden.
4. Robotergestützte Neubeschlichtung des Reparaturbereichs durch initiale Oberflächenaktivierung mit einer Plasmafackel (plasmabrush PB3) und mit einem Präkursor (z. B. Hydrosize EP 871.
5. Applikation Reparaturpatch
   Für die Applizierung des Patches wurde ein anforderungsgerechter Effektor für den Roboter entwickelt. Dieser bestand aus einer fünf Millimeter dicken Silikonmembran mit vorgesehenen Kanälen und Anschlüssen. Während der robotergestützen Patchapplikation wird der Patch über die zentrale Ansaugung mittels Unterdruck gehalten. Ist die exakte Position angefahren, wird der Unterdruck abgeschaltet und der Patch verbleibt an der entsprechenden Stelle am Reparaturbauteil. Die freiliegenden Fadenenden des Reparaturpatches lagen jeweils überlappt mit den freigelegten Fadenenden in der Reparaturstelle vor.
6. Reinfiltration der Reparaturstelle
   Durch die anschließende Reinfiltration der Reparaturstelle mit dem Reparaturharzsystem im VAP-Verfahren wurde die Reparatur finalisiert, womit die gefertigten Reparaturpatches in die Reparaturstellen integriert wurden. In sind die entsprechenden Zustände von der Patcheinlage bis zum reinfiltrierten Zustand dargestellt. Für die Reinfiltration
   wurde der notwendige Vakuumaufbau (Fließhilfe, Lochfolie) hergestellt und durch den Effektor über den umlaufenden Ringkanal, durch das Anlegen eines Vakuums, auf der Bauteiloberfläche der Patchseite angesaugt. Der Effektor aus Schritt (5) dient somit zur einseitigen Abdichtung des Reparaturbereichs sowie zur Fixierung und exakten Ausformung der ursprünglichen 3D-Geometrie während der Konsolidierung des Reparaturbereichs auf der Patchseite. Die gegenseitige Abdichtung des Reparaturbereichs erforderte eine VAP-Membran und eine Vakuumfolie. Die Vakuumfolie kann bei ausreichend glatter Oberfläche auch durch einen weiteren wiederverwendbaren Patchapplikator ersetzt werden.

6 Tragfähigkeitsnachweis der Reparaturlösung

Zum Nachweis der Tragfähigkeit der reparierten im Vergleich zu ungeschädigten FKV-Proben erfolgte zunächst die Herstellung und die definierte Schädigung mittels Impact-Fall-turm. Eventuelle Fehlstellen im Reparaturbereich, z. B. Lunker, sowie die Übergangsbereiche zwischen Patch und ursprünglichem Verbund wurden durch die Anfertigung und Auswertung von Schliffbildern analysiert. Die reparierten Verbundproben wurden u. a. im Zugversuch nach DIN EN ISO 527-4 charakterisiert und jeweils gegenüber der Referenz (durchgängige Carbonfasern ohne Unterbrechung) verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die reparierten Proben über 80 % der ursprünglichen Bruchkraft aufweisen.

7 Schlussfolgerungen

Im Ergebnis des Projektes steht eine flexible, industrietaugliche Technologie zur Umsetzung einer automatisierten Reparatur an mehrfach gekrümmten 3D-FKV-Bauteilen. Erreicht wurde dies durch den Einsatz von Oxidhalbleitern, die durch die thermisch weniger beanspruchende Anregung mit UV-Licht, einen faserschonenden Matrixabtrag als Repa-raturvorbereitung zulassen. Mit der Entwicklung einer selbstklebenden Halbleiteroxid-(HLO)-Formulierung können zukünftig auch dreidimensional, vertikale und über Kopf zu reparierende Bauteile bearbeitet werden. Durch die simulationsgestützte Auslegung und textiltechnologische Fertigung lastpfadgerechter textiler Patches zur Reparatur der Schadstelle im FKV-Bauteil mit Hilfe von insbesondere in den KMU der Textilindustrie bereits verfügbaren Textilmaschinen sind die erarbeiteten Projektergebnisse zeitnah in die industrielle Praxis übertragbar. Die Praxistauglichkeit des entwickelten Reparaturverfahrens wurde erfolgreich demonstriert.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21985 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V., Reinhardtstr. 12-14, 10117 Ber-lin wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Einleitung und Problemstellung

Im Zuge der notwendigen Etablierung nachhaltiger Lösungen besteht derzeit ein hoher Bedarf an hochbelastbaren und zugleich extrem leichten Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffverbunden (FKV) mit zusätzlichen Funktionalitäten. Insbesondere aktiv verformbare FKV mit strukturintegrierten Aktoren und Festkörpergelenken haben ein hohes Innovationspotenzial zur Realisierung komplexer 3D-Bewegungsaufgaben, für die herkömmliche Bewegungsmechanismen in Differentialbauweise meist eine lineare Kopplung mehrerer konventioneller Gelenke und dezentraler Antriebe erfordern, die eine hohe Massenträgheit und demzufolge einen hohen Energieverbrauch bedingen.

Zur Ausnutzung des Leichtbaupotenzials von FKV besteht daher ein hoher Bedarf an funktionsintegrierten textilen Verstärkungsstrukturen, die gleichzeitig als bedarfsgerechte Funktions- und Festigkeitsträger fungieren. Daraus herstellbare, aktiv verformbare FKV-Bauteile kommen zunehmend in industriellen Anwendungen zum Einsatz, u. a. im Maschinen‑ und Anlagenbau (z. B. Soft Robotik [1], Leichtbauroboterarme), der Medizintechnik (z. B. aktive Orthesen und Prothesen, Endoskopie-Endeffektoren), im Schiff‑ und Automobilbau (z. B. adaptive Spoiler, aktiv verformbare Hydrofoils) sowie in der Luftfahrt (z. B. morphing wings [2 – 4]). Sie weisen eine aktiv geometrisch-veränderbare äußere Form auf, die i. d. R. über eine steuerbare Modulation der inneren Morphologie des Werkstoffes oder durch strukturintegrierte Aktoren, z. B. nach thermischer Aktivierung kontrahierende Drähte aus Formgedächtnislegierung (FGL) [5], einstellbar ist. Derzeit verfügen diese Lösungen allerdings nur über Festkörpergelenke mit einem Freiheitsgrad und können damit lediglich einfache Verformungen ausführen [6 – 8]. Komplexere 3D-Bewegungen sind deshalb nur durch eine kinematische Kopplung erreichbar, d. h. durch die in Bauteillängsrichtung versetzte Anordnung mehrerer einachsiger Festkörpergelenke. Bisher sind keine geeigneten Auslegungsstrategien zur Umsetzung komplexer, mehrachsiger Bewegungen von duroplastischen 3D-FKV-Bauteilen durch textilintegrierte, mehrachsige Festkörpergelenke vorhanden.

Zielsetzung

Das Ziel des IGF-Forschungsprojektes 21969 BR war die simulationsgestützte Entwicklung, Umsetzung und Erprobung gestrickter schlauchförmiger Verstärkungshalbzeuge mit mehrachsigem Festkörpergelenk sowie strukturintegrierten Aktor- und Energieversorgungsnetzwerken zur Herstellung definiert und aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile mit Duromermatrix, die mindestens zwei Freiheitsgraden aufweisen.

Derartige 3D-FKV-Bauteile mit biegeweichem Festkörpergelenk besitzen, analog zu biologischen Vorbildern, eine segmentierte Struktur mit zwei durch das Gelenk elastisch miteinander gekoppelten starren Segmenten (vgl. Abbildung 1). Die bei Aktivierung der FGL-Aktoren infolge der Kontraktion verrichtete Verformungsarbeit generiert ein Biegemoment um die jeweilige Gelenkachse und induziert somit entsprechende Relativbewegungen der starren FKV-Segmente.

Die wesentlichen Herausforderungen im Projekt sind die bedarfsgerechte Auslegung geeigneter Deformationsbereiche des Festkörpergelenks sowie die integrale Fertigung von funktionalisierten 3D-Verstärkungshalbzeugen als schlauchförmige Mehrlagengestricke. In diese sollen im Strickprozess sowohl FGL-Drähte als auch ein für deren elektrisch induzierte Aktivierung erforderliches Energieversorgungsnetzwerk aus leitfähigem Garnmaterial simultan integriert werden. Die FGL-Aktoren sind dabei so anzuordnen, dass das mehrachsige Festkörpergelenk mindestens zwei im Deformationsbereich konzentrierte Freiheitsgrade aufweist, die Biegeverformungen um zwei Hauptgelenkachsen zulassen. Zudem sind sie direkt während des Strickprozesses so zu verarbeiten, dass sie form‑ und kraftschlüssig in der Struktur eingebunden sind und somit eine maximale, reproduzierbare Auslenkung der aktiv verformbaren FKV-Bauteile ermöglichen.

Ergebnisse

Simulationsgestützte Strukturauslegung

Im Projekt erfolgte zunächst die Präzisierung der zu erfüllenden Anforderungen an relevante aktiv verformbare FKV-Integralbauteile ohne externe Motoren in den anvisierten Anwendungsbereichen. Nach Ableitung der Anforderungen an integral gefertigte, funktionalisierte 3D-Textilhalbzeuge mit strukturintegrierten FGL-Aktoren erfolgte eine simulationsgestützte Analyse der maximal erreichbaren Verformungen von aktiv verformbaren FKV-Bauteilen an festgelegten Funktionsmustern mittels Finiter Element Methode (FEM). Dazu wurde das Woodworth-Kaliske-FGL-Materialmodell verwendet [9], das in der Lage ist, den Formgedächtniseffekt der eingesetzten FGL-Aktoren durch direkte Vordehnung abzubilden. Aufbauend auf den Ergebnissen der FEM-Analyse wurden bindungstechnische Ansätze zur integralen Realisierung der Funktionsmuster und insbesondere zur Lösung folgender Aufgaben entwickelt:

1. Gestaltung von biegeweichen Gelenk‑ bzw. Deformationsbereichen für eine höchstmögliche Verformung der FKV-Bauteile.
2. Stricktechnische Einbindung der FGL-Aktoren für eine hinreichende form- und kraftschlüssige Fixierung und somit maximale Auslenkung der FKV-Bauteile.
3. Stricktechnische Einbindung der elektrisch leitfähigen Garne für eine in-situ Kontaktierung, d. h. zuverlässige, stoffschlüssige elektrische Verbindung der FGL-Aktoren mit dem Energienetzwerk im FKV-Bauteil.

Die Ergebnisse zeigen (vgl. Abbildung 2), dass im Vergleich zu den starren Segmenten (Section#1 mit 8 Verstärkungslagen à jeweils 1.200 tex in Kett- und Schussrichtung) die entwickelten 2D-Gelenkbereiche mit nur 2 Verstärkungslagen à 1.200 tex in Kett- und Schussrichtung (Section#2) bzw. à 1.200 tex in Kettrichtung und 410 tex in Schussrichtung (Section#3) um ca. 50 % geringere Biegemodule aufweisen (Section#1: ca. 12 GPa; Section#2 und Section#3: ca. 6 GPa in Bauteillängsrichtung) und daher als Deformationsbereiche prinzipiell geeignet sind [10].

Nach Konsolidierung von 3D-FKV-Bauteilen mit Epoxidharz (EP) wurde jedoch festgestellt, dass die Biegesteifigkeit der Deformationsbereiche zu hoch ist, um eine Verformung des 3D-Bauteils zu erlauben. Das ist auf die hohe Drucksteifigkeit des EPs in Verbindung mit der gekrümmten Rohrwandung zurückzuführen, die einen hohen Verformungswiderstand bedingen, was auch die durchgeführte FEM-Analyse bestätigt. Daher wurde im Projekt ein Multi-Matrix-Ansatz verfolgt, um die Gelenk‑ bzw. Deformationsbereiche mit einem viel biegeweicheren Matrixmaterial als das EP zu versehen. Hierfür wurden während der Infiltration im VARI-Verfahren zugleich die starren Segmente mit EP konsolidiert, die Deformationsbereiche hingegen mit einem fließfähigen Polyurethan-Matrixsystem (PUR) Biresin®-407 der Firma Sika Deutschland GmbH. Dieses gießfähige Elastomer mit einer Viskosität von ca. 600 mPa·s und einer Shore-Härte A 85 weist insbesondere ein niedriges Biegemodul von ca. 2 GPa auf (vgl. PUR-Section in Abbildung 2), was eine Verformung auch von rohrförmigen 3D-FKV-Bauteilen begünstigt.

Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass durch Maschenbildung über Plattieren direkt während des Strickprozesses FGL-Aktoren und elektrisch leitfähige Garne gezielt lokal vermaschbar sind (vgl. Abbildung 3). Somit sind zugleich eine form‑ und kraftschlüssige Fixierung der FGL-Aktoren in den Textilhalbzeugen mit ca. 100 N Auszugskraft im Verbund als auch eine zuverlässige elektrische in-situ Kontaktierung (stoffschlüssige Verbindung) mit niedrigen Übergangswiderständen von ca. 5 Ω realisierbar. Grund dafür ist die im Vergleich zu gestreckten Fäden ohne Verschlingungen (z. B. Kettfaden oder Teilschuss) über die Maschenbildung deutlich größere Kontaktfläche zwischen den Funktionsgarnen. Die elektrische Leitfähigkeit wird zudem durch lokales Applizieren eines Leitklebers (Silberlack Leitsilber der Firma Kemo-Electronic GmbH) im Kontaktierungsbereich verbessert.

Damit lassen sich anhand des Multi-Matrix-Ansatzes aktiv verformbare 2D-FKV-Integralbauteile mit mehreren Deformationsbereichen sowie strukturintegrierten Aktor- und Energienetzwerken realisieren (vgl. Abbildung 4). Thermographische Untersuchungen zeigen, dass die verschiedenen Deformationsbereiche über einen einzigen FGL-Aktor durch das Energienetzwerk separat ansteuerbar sind. Die Aktivierung des FGL-Aktors über die gesamte Bauteillänge, d. h. über die zwei PUR-Deformationsbereiche, führt zu erreichbaren Verformungen von ca. 50 mm, was mittels Lasertriangulation nachgewiesen wurde.

Aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile

Das entwickelte FEM-Modell wurde anhand der Ergebnisse mechanischer Charakterisierung von 2D- und 3D-Verbundproben validiert, insb. Zug-, 4-Punkt- und 3-Punkt-Biegeversuche sowie Aktivierungsversuche, und darauf aufbauend für die Auslegung und Optimierung von aktiv verformbaren 3D-FKV-Bauteilen mit mehrachsigen Festkörpergelenken, die jeweils zwei Freiheitsgrade aufweisen, herangezogen. Dabei wurden verschiedene 3D-Gelenktopologien entworfen und mit der Realisierung aktiv verformbarer 3D-FKV-Bauteile schrittweise optimiert. Somit konnte eine Vorzugslösung für die Umsetzung eines generischen Technologiedemonstrators abgeleitet werden (vgl. Abbildung 5). Diese weist einen faltenbalgartigen PUR-Gelenkbereich auf und ermöglicht Verformungen von max. 44,8 mm, was einer Auslenkung von ca. 11° entspricht. Zur Sicherstellung einer maximalen Auslenkung des Bauteils sind dabei die FGL-Aktoren im Gelenkbereich innerhalb des FKV-Rohres freiliegend zugeführt und erst an den Extremitäten der starren FKV-Segmenten lokal fixiert. Zudem sind sie im Gelenkbereich gezielt umgelenkt, um eine exzentrische Krafteinleitung bei Kontraktion der FGL-Aktoren hervorzurufen und somit hohe Biegeverformungen zu bewirken.

Die Umsetzung und Prüfung des Technologiedemonstrators (vgl. Abbildung 6) in Form eines mehrgliedrigen, aktiv verformbaren 3D-Gelenkarms, z. B. für den Anwendungsbereich Robotik, bestätigt, dass die neuartigen, gestrickten 3D-Verstärkungshalbzeuge mit mehrachsigen Festkörpergelenken sowie strukturintegrierten FGL-Aktor- und Energienetzwerken für die flexible Herstellung aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile sehr gut geeignet sind. Die entwickelten Gelenktopologien ermöglichen erstmalig die Realisierung mehrachsiger Festkörpergelenke mit zwei Freiheitsgraden, die komplexe 3D-Bewegungsaufgaben mit erreichbaren Bauteilverformungen von ca. 50 mm ausführen können. Dabei sind im Vergleich zu herkömmlichen Bewegungsmechanismen, die eine lineare Kopplung mehrerer Gelenke und dezentraler Antriebe mit hoher Massenträgheit und demzufolge hohem Energiebedarf erfordern, wesentliche Vorteile erreichbar, insbesondere hinsichtlich des geringeren Montageaufwandes, der Reibungs- bzw. Verschleißfreiheit und der damit weitestgehend dauerhaften Wartungsfreiheit sowie des niedrigen Energieverbrauchs der FGL-Aktoren.

Damit sind die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche und flexible Fertigung neuartiger, funktionalisierter 3D-Textilhalbzeuge für die Realisierung aktiv verformbarer 3D-FKV-Integralbauteile in reproduzierbarer Qualität geschaffen.

Zusammenfassung

Im abgeschlossenen IGF-Forschungsprojekt 21969 BR wurde erfolgreich eine auf der Flachstricktechnik basierende, flexible und industrietaugliche Fertigungstechnologie zur integralen Herstellung funktionalisierter 3D-Textilverstärkungshalbzeuge mit mehrachsigen Festkörpergelenken, strukturintegrierten Aktoren sowie für deren Aktivierung erforderlichen elektrisch leitfähigen Zuleitungen entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Damit sind aktiv verformbare FKV-Bauteile realisierbar, die durch definiert angesteuerte Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) komplexe 3D-Bewegungen ausführen können. Dabei ermöglichen speziell gestaltete, topologisch optimierte Gelenkbereiche mit mehreren Freiheitsgraden innerhalb der textilen Verstärkungsstruktur die spätere 3D-Bewegungsaufgaben. Der geringere Montageaufwand, die Reibungs- bzw. Verschleißfreiheit und die damit weitestgehend dauerhafte Wartungsfreiheit sind erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Bewegungsmechanismen, die dazu mehrere konventionelle Drehgelenke erfordern. Dadurch sind zugleich das Leichtbaupotenzial von Hochleistungsfasern und das Leistungspotenzial textilbasierter FGL-Aktoren zur Erzielung komplexer 3D-Bewegungen in hohem Maße ausnutzbar.

Potenzielle industrielle Anwendungen sind aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile, die erstmals mit intrinsischen 3D-Gelenkmechanismen ausgestattet werden können, u. a. im Maschinen- und Anlagenbau (z. B. mehrgliedrige Roboterarme), im Schiff- und Fahrzeugbau (z. B. aktiv verformbare Tragfläche oder adaptive Verstellmechanismen für Spoiler) sowie in der Medizintechnik (z. B. aktive Orthesen und Prothesen, Endoskopie-Endeffektoren). Insbesondere die KMU der Textil- und FKV-Industrie beziehen aus den Projektergebnissen den konkreten Nutzen, dass ihnen technologisches Wissen zur simulationsgestützten Konzeptionierung, Auslegung und Fertigung maßgeschneiderter Textilverstärkungshalbzeuge für aktiv verformbare 3D-FKV-Bauteile mit strukturintegrierten Festkörpergelenken bereitgestellt wird, die in den genannten Marktbereichen eine steigende Nachfrage erfahren.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21969 BR 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 sowie den involvierten Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss für die fachliche Unterstützung und die Bereitstellung von Versuchsmaterial. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Literaturverzeichnis

[1]           Lee, J.-H.; Chung, Y.S.; Rodrigue, H.: Long Shape Memory Alloy Tendon-based Soft Robotic Actuators and Implementation as a Soft Gripper. In: Scientific Reports 9 (2019) 1, S. 11251.

[2]           Wan A Hamid, W.L.H.: Design of a Composite Morphing Wing. London: Imperial College of Science, Technology and Medicine, Department of Aeronautics. PhD Thesis, 2019.

[3]           Hajarian, A.; Zakerzadeh, M.R.; Baghani, M.: Design, analysis and testing of a smart morphing airfoil actuated by SMA wires. In: Smart Materials and Structures 28 (2019) 115043, S. 1–12.

[4]           Ashir, M.; Hindahl, J.; Nocke, A.; Cherif, C.: Development of an adaptive morphing wing based on fiber-reinforced plastics and shape memory alloys. In: Journal of Industrial Textiles 50 (2020) 1, S. 114–

129.

[5]           Suman, A.; Fabbri, E.; Fortini, A.; Merlin, M.; Pinelli, M.: On the design strategies for SMA-based morphing actuators: state of the art and common practices applied to a fascinating case study. In: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering (2020), S. 1–17.

[6]           Ashir, M.; Nocke, A.; Cherif, C.: Maximum deformation of shape memory alloy based adaptive fiber-reinforced plastics. In: Composites Science and Technology 184 (2019) 107860, S. 1–15.

[7]           Ashir, M.; Nocke, A.; Cherif, C.: Adaptive fiber-reinforced plastics based on open reed weaving and tailored fiber placement technology. In: Textile Research Journal 90 (2020) 9-10, S. 981–990.

[8]           Lohse, F.; Wende, C.; Klass, K.-D.; Hickmann, R.; Häntzsche, E.; Bollengier, Q.; Ashir, M.; Pöschel, R.; Bolk, N.; Trümper, W.; Cherif, C.: Bio-inspired semi-flexible joint based on fibre-reinforced composites with shape memory alloys. In: Journal of Intelligent Material Systems and Structures (2020), S. 1–11.

[9]           Woodworth, L.A.; Lohse, F.; Kopelmann, K.; Cherif, C.; Kaliske, M.: Development of a constitutive model considering functional fatigue and pre-stretch in shape memory alloy wires. In: International Journal of Solids and Structures 234-235 (2022), S. 111242.

[10]        Bollengier, Q.; Rabe, D.; Mersch, J.; Häntzsche, E.; Nocke, A.; Cherif, C.: Development of integrated in-situ actuator networks for the realization of flexure hinges for highly deformable fiber-reinforced plastic composites. In: Passion for Innovation. 21st World Textile Conference AUTEX 2022, Online (Lodz, Poland) (2022) - ISBN 978-83-66741-75-1, S. 440–444.

Einleitung und Problemstellung

Leichtbaugerechte schalenförmige Bauteile werden aus mechanischen Gründen mit Funktionsstrukturen in Form von Rippen versehen. Die Natur zeigt Vorbildlösungen z.B. die Erdnuss, die durch Schale/Rippen-Anordnungen eine anforderungsgerechte Versteifung bei gleichzeitig extrem geringer Masse ermöglicht. In allen Bereichen des Automobil- und Maschinenbaus besteht ein hoher Bedarf an lasttragenden Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV). Die Halbschalenbauweise des Flugzeug- und Schiffbaus zeigen rippenverstärkte Strukturen nach bionischem Vorbild mit überaus lasttragenden Eigenschaften, deren Herstellung unter Verwendung arbeitsintensiver Preforming-, Komplettierungs- und Verbundbildungsprozesse unter Verwendung duroplastischer Matrix allerding kostenintensiv ist. Besonders der Einsatz von kurzfaserverstärkten Thermoplasten für mittlere und große Serien ist sehr wirtschaftlich [1 – 3], die mechanische Eigenschaften insbesondere Steifigkeit und Festigkeit sind aber stark begrenzt. Derzeit verbraucht der Bereich Fahrzeuge 7 % der gesamten Kunststoffmenge in Deutschland [4]. Zur Überwindung der werkstoffbedingten Schwachstellen werden im Schalenbereich endlosfaserbasierte Faser-Matrix-Halbzeuge wie Organobleche und UD-Tapes verarbeitet. Die damit erreichbare gerichtete Faserverstärkung in der Schale führt zu deutlich besseren mechanischen Eigenschaften, erfordert allerdings weiterhin das Anspritzen von verstärkenden Rippen [1, 2]. Weiterhin werden langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) industriell eingesetzt, bei denen unidirektional Faserbündel in die thermoplastische Schmelze eingebracht werden, um Schalenbereich und Rippen in Rippenrichtung zu verstärken [5]. Die Bauteilumsetzung erfordert i.d.R. kostenintensive, mehrstufige Anlagen- und Werkzeugtechnik [6]. Um die Prozesskette zu verkürzen bzw. die Komplexität der Technik zu reduzieren, werden auch glasmattenverstärkte Thermoplaste (GMT) in Direktverfahren wie das einstufige Thermoformpressen zu Schale/Rippen-Bauteile verarbeitet, was insbesondere für klein- und mittelständische Unternehmen wichtig ist.

Eine gerichtete Faserverstärkung zwischen Schale und Rippe sowie im Übergangsbereich ist verfahrensbedingt mit keinem der bisherigen Ansätze realisierbar, sodass die resultierenden Bauteile für lasttragende Anwendungen nur eingeschränkt geeignet sind. Bei Biegebeanspruchung können u.a. die Rippen von der Schale delaminieren oder die Rippen weisen einen geringen Faseranteil und eine ungerichtetete Faserorientierung auf und sind damit weniger steif.

Zielsetzung

Ziel war es, anforderungsgerecht ausgelegte Hybridgarne, die sowohl aus Endlosfilamenten für den Schalenbereich als auch aus Stapelfasern für den Rippenbereich bestehen, mit definierten Fließeigenschaften zu entwickeln und zu textilen Flächengebilden mit neuen Eigenschaften zu verarbeiten. Während einem einstufigen Thermopressprozess sollen die Fasern nach dem Aufschmelzen der matrixbildenden Hybridgarnkomponente gezielt in die Kavität der Rippe fließen. Die gewünschte Faserverstärkung soll somit während der Verbundbildung von selbst entstehen.

Ergebnisse

Zu Beginn des Projektes wurden zunächst die industriellen Anwendungsfelder für rippenverstärkte thermoplastische Schalenbauteile recherchiert. Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich u.a. bei der Realisierung von lasttragenden Bauteilen und Modulsystemen in der Automobilindustrie, z.B. Batteriegehäuse bzw. -wannen, Abdeckungen, Interieur- und Exterieurbauteile (z.B. Querträger), Front- und Heckbauteile (z.B. Stoßfänger). Hauptanwendungsgebiete sind alle Bauteile, die im Spritzgieß- oder Pressverfahren hergestellt werden und gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Anforderungen an Steifigkeit, Festigkeit oder Zähigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Bauteilmasse erfüllen sollen. Darauf basierend wurden repräsentative Funktionsmuster und ein Demonstrator mit komplexer werdender Rippenstruktur definiert vgl. Abbildung 1.

Die Auswahl der zu verwendenden Ausgangsmaterialien, deren Anteile, Feinheit und Geometrie erfolgte nach physikalischen und verfahrenstechnischen Eigenschaften wie Schmelzverhalten und Viskosität, Transluzenz, Festigkeit und Steifigkeit. Die in Frage kommenden Kohlenstofffasern (CF) finden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften zunehmend Anwendung als Verstärkungsmaterialien im Bereich der FVK. Aufgrund der z.B. nicht realisierbaren energetischen Verwertung und des hohen Energiebedarfs bei der Herstellung von CF besteht derzeit ein großes Engagement für das Recycling dieser Fasern [7]. Letztendlich wurden mehrere Materialsysteme auf Basis von Glasfasern (GF) und recycelten Kohlefasern (rCF) ausgewählt, um die Fließbewegung bzw. die Fließwege anhand der optischen Eigenschaften (rCF-schwarz, GF-weiß transparent) im konsolidierten Bauteil überdurchschnittlich gut charakterisieren zu können. Als Verstärkungsfaserwerkstoff wurde für den Schalenbereich GF 50 Vol.% und für den Rippenbereich rCF 30 bis 50 Vol.% Typ I (Trockenfasern aus Spulenresten, Produktionsresten bzw. Verschnitt) eingesetzt. Als matrixbildende Hybridgarnkomponente wurde beispielhaft und aufgrund der etablierten Verwendung Polypropylen (PP) eingesetzt.

Unter Nutzung vorhandener Friktionsspinn- und Umwindespinntechnologien wurden im Folgenden fließfähige stapelfaserbasierte Hybridgarne aus rCF mit dem Ziel einer weitgehend parallelen Kernfaserstruktur entwickelt, umgesetzt und charakterisiert sowie Vorzugslösungen für weiterführende Arbeiten bereitgestellt. Die Hybridgarne wurden anschließend in UD-Wickelstrukturen vgl. Abbildung 2 (li.) überführt und unter zielführenden Prozessbedingungen experimentell zu ersten Schale/Rippen-Funktionsmustern mit unterschiedlichen Rippenhöhen H verarbeitet bzw. konsolidiert. Hierzu und zur Untersuchung der Fließeigenschaften der Hybridgarne war es im Vorfeld notwendig, ein modular aufgebautes Werkzeug für die Verbundbildung im Thermopressverfahren zu realisieren und alle dafür notwendigen Prozesseinstellungen zu ermitteln.

Die Hybridgarne füllen während des Pressvorgangs bei vergleichsweise geringem Druck von ca. 2 MPa die gesamte Werkzeugkavität der Rippe vollständig bis zu einem Faservolumengehalt rCF/PP von derzeit 70/30 Vol.%. Die Abbildung 2 (re.) zeigt ein Ergebnis anhand Funktionsmuster FM1, bei dem die Rippe durch die anvisierten Fließeigenschaften während des Pressvorgangs mit Fasern gefüllt wurden. Die Fasern liegen überwiegend entlang der Rippe. Bestandteil der Arbeiten war auch die Untersuchung des Fließverhaltens der rCF u.a. mittels bildanalytischer Charakterisierung von Schnitt- und Schliffproben [8].

Generell ist die Belastbarkeit von UD-Faserlagen richtungsabhängig begrenzt, so dass biaxiale Faseranordnungen unter Verwendung der Mehrlagen-Flachstricktechnologie in den Fokus gerückt sind. Gestricke, bei denen Verstärkungsfäden in die Maschen integriert sind, werden als Mehrlagengestricke (MLG) bezeichnet. MLG können monoaxial, biaxial oder multiaxial angeordnete Verstärkungsfäden aufweisen. Zur Steuerung der Fließbewegung wurden partielle Variationen von – in der Matrix nicht thermisch auflösbaren (GF/PP) sowie thermisch auflösbaren (PP) Maschenfadenmaterialien untersucht. Systematisch wurden dazu Bindungen von endlosfilament- und stapelfaserbasierten Hybridgarnen in der 2D-Textilstruktur zur Einstellung einer orientierten, verzugsfreien Verstärkungsfaseranordnung entwickelt. Basierend auf dem Funktionsmuster FM1 und den Voruntersuchungen wurden Varianten abgeleitet, die sich u.a. hinsichtlich der Hybridgarnanordnung, deren lokaler Menge und hinsichtlich des lokal eingesetzten Maschenfadenmaterials unterscheiden. Die Varianten wurden mittels modularer Werkzeugeinsätze zu Schale/Rippe-Funktionsmustern mit unterschiedlichen Rippenhöhen H verarbeitet. Eine Stapelung von bis zu 10 gleichzeitig zu verarbeitenden biaxialen MLG vgl. Abbildung 3 (li.) wurde detailliert untersucht. Abbildung 3 (re.) zeigt ein Ergebnis der Entwicklungen.

Während des Verarbeitungsprozesses im Thermopressverfahren wird die ursprünglich leere Rippengeometrie mit einem hohen rCF-Faseranteil von bis zu 70 % gefüllt und damit die beabsichtigte Faserverstärkung von der Schale in die Rippe sowie in der Rippe realisiert. Die Länge der Stapelfasern im Hybridgarn beträgt derzeit bis zu 80 mm.

Nach der Verbundbildung erfolgten umfassende Versuchsreihen zur Ermittlung der Festigkeits- und Steifigkeitskennwerte mittels 3-Punkt-Biegeversuch. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass die Endlosfaserverstärkung in der Schale die ermittelten Werte und Verläufe deutlich dominiert und somit das Verhältnis von Schalendicke zu Rippenhöhe minimiert werden kann, so dass die versteifende Wirkung der Rippe deutlicher hervortritt. Dadurch erhöht sich der Leichtbaugrad, da die i.d.R. großflächigen Schalenbereiche dünner dimensioniert werden können und somit eine annähernd gleiche mechanische Leistungsfähigkeit bei geringerer Bauteilmasse erreicht werden kann.

Die ermittelten Materialkennwerte wurden kontinuierlich zur Verbesserung und Validierung eines im Rahmen der Projektdurchführung entwickelten Simulationsmodells herangezogen, um zukünftig das Verbundmaterialverhalten durch die Kombination von Endlosfilamenten und Stapelfasern im Übergangsbereich zwischen Schale und Rippe realitätsnah vorhersagen zu können. Zur Verifizierung wurden Referenzbauteile hergestellt und mit den entwickelten Varianten verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine 4-fach höhere Festigkeit und eine 2-fach höhere Steifigkeit gegenüber der Referenz. Damit konnte der Nachweis der Tragfähigkeitssteigerung von min. 50% erbracht werden. Delamination trat nicht auf.

Das hohe Potenzial der partiell fließfähiger 2D-Textilhalbzeugen wurde abschließend durch die praxisnahe Herstellung eines generischen Demonstrators (vgl. Abbildung 4) unter Anwendung der Vorzugslösungen für Hybridgarne und 2D-Textilstrukturen aufgezeigt.

Die Prozesskette, beginnend mit der Definition der Bauteilanforderungen, simulationsgestützten Dimensionierung, anforderungsgerechten Hybridgarnherstellung, Entwicklung der partiell fließfähigen 2D-Textilstrukturen mit biaxialer Verstärkungsfaseranordnung, Umsetzung der textilen Strukturen und abschließenden Verbundbildung durch das Thermo-Fließpressverfahren wurde mit Projektabschluss validiert. Der damit realisierte Demonstrator wurde anhand von Biegeversuchen geprüft und weist im Ergebnis die vordimensionierte, hohe Biegesteifigkeit auf. Aktuell erfolgen Gespräche zum industriellen Einsatz des neuen Verfahrens.

Zusammenfassung

Im Ergebnis konnten unter Verwendung der entwickelten partiell fließfähigen 2D-Textilstrukturen exemplarisch thermoplastische Schale/Rippen-Bauteile mit hohem Faservolumenanteil im Übergangsbereich zwischen Schale und Rippe und mit einer Festigkeits- und Steifigkeitssteigerung von mindestens 50 % gegenüber dem Stand der Technik hergestellt werden. Während der Verarbeitung fließen die Stapelfasern gezielt aus einer textilen Flächenstruktur in nahezu beliebige dreidimensionale Rippengeometrien. Die endlosfaserbasierte Verstärkung im Rippenbereich bleibt weitgehend unverzerrt und wie gewünscht in gestreckter Anordnung. Die resultierenden Bauteile können kostengünstig in einem einzigen Verbundbildungsschritt hergestellt werden, was zu einer erheblichen Effizienzsteigerung und potenziell zur Erhöhung der einsetzbaren Kunststoff- und Fasermenge u.a. im Bereich Fahrzeuge führen kann.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21372 BR 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) erhältlich.