Forschungspublikationen

Zurücksetzen
2 Ergebnisse
15.07.2026

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Schussvariable Gelege – Konturgerechte textile Halbzeuge für lokal verstärkte, materialeffiziente FKV-Strukturen

Gestricke & Gewirke Composites Textilmaschinenbau Technische Textilien

Zusammenfassung

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens (FKZ 01IF22928BR) wurde am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden ein neuartiges, schussvariables Gelege sowie eine entsprechende Technologie zur Inline-Schussfadenvariation entwickelt. Ziel war es, Biaxial-Gelege aus Hochleistungsfaserstoffen, bspw. Carbon- und Glasfasern, mit variablen Schussfäden herzustellen, um Materialeinsatz und Bauteilkosten zu reduzieren und gleichzeitig die Bauteilperformance zu verbessern. Die entwickelte Technologielösung ist als Nachrüstmodul für Bestandsmaschinen konzipiert und wurde erfolgreich an einem Demonstrator (PKW-Kotflügel) validiert. Das entwickelte Strukturmodell kann mittels einer Drapiersimulation die Struktur- und Drapiereigenschaften von schussvariablen Gelegen abbilden, sodass bereits im Vorfeld mittels eines Berechnungsalgorithmus die optimale Schussfadenabschnittslängen und Flächenmassen für komplexe Bauteilgeometrie bestimmt werden können. Die Projektergebnisse bieten insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) wirtschaftliche Vorteile und eröffnen neue Marktchancen.

Bericht

Die Fertigung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) steht im Spannungsfeld politischer, wirtschaftlicher und ökologischer Herausforderungen. Klimawandel, Ressourcenknappheit und die wirtschaftlichen Nachwirkungen der Covid-19-Pandemie erhöhen den Druck auf die Industrie, leichtere und ressourceneffizientere Bauteile zu entwickeln. FKV bieten hierfür großes Potenzial, insbesondere im Automobilbau und weiteren Anwendungsfeldern mit Leichtbauerfordernis. Für KMU ist der Zugang zu innovativen, wirtschaftlichen Fertigungstechnologien entscheidend, um wettbewerbsfähig zu bleiben und neue Absatzmärkte zu erschließen. Die Entwicklung effizienter, anforderungsoptimierter textiler Halbzeuge ist daher von zentraler Bedeutung.

Der Einsatz drapier- und lastgerechter und damit maximal materialeffizienter textiler Verstärkungsstrukturen in Faserkunststoffverbunden (FKV) auf Basis der im Rahmen des Projekts zu entwickelnden schussvariablen Multiaxialgelege kann dabei ein entscheidender Schlüssel zum Erfolg sein. Das Erreichen einer ökologischen Nachhaltigkeit durch Einsatz derartiger innovativer Werkstoffe ist ein bedeutsamer, technologischer Treiber und eine wirksame Reaktion auf die Ressourcenverknappung sowie die Notwendigkeit einer drastischen Reduktion von CO2-Emissionen [1–3]. Die einstellbaren, anisotropen strukturmechanischen Eigenschaften von FKV und das geringe spezifisches Gewicht schaffen bestmögliche Voraussetzungen für eine ressourceneffiziente Auslegung und Umsetzung von Strukturleichtbaulösungen [4, 5]. FKV wie Glas- und carbonfaserverstärkte Kunststoffe (GFK, CFK) sind wesentliche Innovationstreiber in den stark wachsenden und zukunftsweisenden Marktsegmenten der erneuerbaren Energien (wie für Windkraftanlagen und Hochdruckbehälter), der Elektromobilität sowie der Luft- und Raumfahrt [6–10].

Derzeit erfolgt die Fertigung von FKV-Bauteilen hauptsächlich aus homogenen, zweidimensionalen textilen Strukturen in Form von Rollenware mit konstanten Flächenmassen und Fadenabständen sowie -breiten [11, 12]. Von besonderer Relevanz sind dabei mehraxiale, geschlossene Gelegestrukturen, hergestellt auf hochproduktiven Multiaxialkettenwirkmaschinen [13]. Insbesondere in Großserienanwendungen (bspw. in der Automobilindustrie), für großflächige Bauteile (bspw. PKW-Frontklappe oder Dach) sowie für hochbelastete FKV-Bauteile in der Luft- und Raumfahrt (bspw. Rumpfsegmente) werden bereits heute erhebliche Mengen an Multiaxialgelegen eingesetzt. Jedoch müssen diese konventionellen, textilen Halbzeuge aufwendig zu einer bauteilgerechten Preform gestackt und drapiert werden. Bereits das Drapieren einfacher Geometrien, wie bei Kästen für E-Fahrzeugbatterien, führt zu Faserverschiebungen, die sich in Form von Gassen, Überlappungen und Falten äußern. Aufgrund der anisotropen Eigenschaften der Hochleistungsfasern (sehr hohe Zug- bei geringer Drucksteifigkeit/ -festigkeit) verursachen jedoch schon geringe Abweichungen der Faserorientierung von der Soll-Ausrichtung eine signifikante Steifigkeitsreduktion im FKV-Bauteil (10° Abweichung von Faserlängs- zur Beanspruchungsrichtung, ca. 30 % geringere Steifigkeit) [14–16]. Bisher werden die drapierbedingten Gassen und die nicht optimale, kraftflussgerechte Anordnung der Rovings in FKV-Bauteilen durch einen globalen, überdimensionierten Materialeinsatz mit entsprechend lokal zu hohen Flächenmassen aufgrund nicht benötigter Gelegeschichten ausgeglichen.

Eine weitere Ursache für die Überdimensionierung ist die überwiegend globale Auslegung konventioneller FKV-Preforms auf Basis homogener Gelegestrukturen nach der lokal höchsten Bauteilbelastung. Hierbei wird im FKV-Bereich ein Sicherheitsfaktor von 2,7 veranschlagt, wohingegen dieser bei Metallanwendungen i. d. R. nur 1,7 beträgt [17]. Die Verwendung konventioneller, homogener Gelegestrukturen führt somit zwangsläufig zu einem systematisch überdimensionierten Materialeinsatz, der teils bis zu 40 % des gesamten Materialbedarfs beträgt und nicht zur Wertschöpfung beiträgt [18, 19]. Insbesondere für KMU ist die Überdimensionierung ein erheblicher wirtschaftlicher Nachteil gegenüber der bisher dominierenden Metallbauweise. Die Industrie wünscht immer komplexere und leistungsfähigere Bauteile mit hoher Funktionsdichte bei gleichzeitiger Verbesserung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses durch die Reduktion der Komponenten pro Bauteilgruppe und der Vermeidung von Überdimensionierung. Beispielsweise erfordern E-Fahrzeugbatterien mit hoher Leistungsdichte besonders komplex geformte Batteriekästen (siehe Abbildung 1) [20].

Das Hauptziel des Projekts bestand einerseits in der Erforschung eines Verfahrens zur Inline-Schussfadenvariation, das es ermöglicht, Garnfeinheiten, -anzahl und -typen innerhalb der Schusslegung gezielt zu variieren, und andererseits in der Entwicklung einer Fertigungstechnologie zur Herstellung neuartiger, schussvariabler Gelege sowie daraus herstellbarer, drapierfähiger und lastangepasster FKV-Halbzeuge. Die Technologie sollte als Nachrüstmodul für bestehende Textilmaschinen verfügbar sein, um die industrielle Anwendbarkeit zu gewährleisten. Weitere Ziele waren, die Entwicklung eines Gelege-Strukturmodells für die Drapiersimulation zur lastgerechten Auslegung der Gelege, die Realisierung von Funktionsmustern schussvariabler Gelege und die Validierung der Technologie an einem Demonstratorbauteil (PKW-Kotflügel). Abschließend sollte ein Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erarbeitet und der Nutzen für KMU abgeleitet werden.

Erzielte Ergebnisse:

Die am ITM der TU Dresden entwickelte Technologie zur Herstellung neuartiger, schussvariabler Gelege sowie die daraus herstellbaren, drapierfähigen und lastangepassten FKV-Halbzeuge eröffnen neue Perspektiven für den Leichtbau, insbesondere für den Mobilitäts- und Luftfahrtsektor (siehe Abbildung 2). Es konnte gezeigt werden, dass schussvariable Gelege in einem vollautomatisierten Inline-Fügeverfahrens zur kontinuierlichen Fertigung schussvariabler Multiaxialgelege auf Bestandsmaschinen herstellbar sind. Verarbeitet wurden dabei Carbon- und Glasfasern (800–1600 tex) zu textilen Halbzeugen mit lokal variabler Flächenmasse (400–800 g/m²) für lastoptimierte FKV-Bauteile. Der Fügeprozess auf Basis des Spleißverfahrens weist Fügezeiten von 100–400 ms auf. Die Fügestelle im FKV-Probekörper zeigen unter Verwendung des entwickelten Spleißverfahrens keinen messbaren Einfluss auf die Verbund-Zugfestigkeit. Die Auslegung der Gelege erfolgt mittels eines eigens hierfür entwickelten Strukturmodells zur Drapiersimulation, das die Struktur- und Drapiereigenschaften schussvariabler Gelege abbildet. Mit Hilfe eines Berechnungsalgorithmus werden im Vorfeld der Fertigung die optimalen Schussfadenabschnittslängen und Flächenmassen für komplexe Bauteilgeometrien simulationsgestützt bestimmt. Die Funktionsvalidierung wurde durch die Fertigung eines PKW-Kotflügel (Funktionsmuster) nachgewiesen.

Zur quantitativen Einordnung der wirtschaftlichen Potenziale der entwickelten Technologie wurde ein beispielhafter Kostenvergleich zwischen konventionellen Gelegen mit homogener Struktur und schussvariablen Gelegen durchgeführt. Grundlage der Abschätzung ist die im Projekt nachgewiesene Möglichkeit, die Flächenmasse entlang der Schussrichtung gezielt an lokale Belastungszustände anzupassen. Dadurch können hochbelastete Bauteilbereiche gezielt verstärkt werden, während in weniger beanspruchten Bereichen der Materialeinsatz reduziert wird. Es wurde nachgewiesen, dass eine deutliche Reduktion des Materialeinsatzes pro Bauteil erzielbar ist. Obwohl durch die Integration der Fügetechnologie zusätzliche Prozessschritte entstehen, werden diese Mehrkosten durch die Einsparungen beim Verstärkungsmaterial überkompensiert. Insgesamt ergibt sich daraus eine Reduktion der Bauteilkosten sowie ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber konventionellen Gelegestrukturen mit homogener Flächenmasse.

Die entwickelte Technologie ermöglicht erstmals die gezielte, last- und drapiergerechte Fertigung von Gelegen mit variablen Schussfäden im industriellen Maßstab. Dies führt zu signifikanten Material- und Kosteneinsparungen und eröffnet insbesondere KMU neue Marktchancen. Das IGF-Projekt Schussvariable Gelege (FKZ 01IF22928BR) leistet einen innovativen Beitrag zur materialeffizienten und wirtschaftlichen Fertigung von FKV-Bauteilen.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 01IF22928BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Literaturverzeichnis

[1]    Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU), www.bmu.de: Entwurf eines Gesetzes über ein nationales Emissionshandelssystem für Brennstoffemissionen (BEHG). URL www.bmu.de – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[2]    Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Fachprogramm Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien. URL www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Technologie/fahrzeug-und-systemtechnologien.html – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[3]    Günnel, T.: Leichtbau: Wie der Staat die Technologien fördert. In: Automobil Industrie (2020-09-11)

[4]    Flemming, M. ; Ziegmann, G. ; Roth, S.: Faserverbundbauweisen : Halbzeuge und Bauweisen. Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 1996

[5]    Cherif, Chokri: Textile Werkstoffe für den Leichtbau. Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2011

[6]    Hubert, J.: Die Carbonfaser als Innovationstreiber in vielfältigen Anwendungsfeldern und Märkten (CU-Thementag „Carbon-Faser-Vielfalt für die Praxis"). online, 29.09.2020 – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[7]    Kroll, L. (Hrsg.): Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen : Ressourceneffizienz durch die Schlüsseltechnologie "Leichtbau". Berlin, Germany : Springer Vieweg, 2019

[8]    Reichhardt, M.: Elektromobilität funktioniert nur mit Leichtbau. URL www.automobil-industrie.vogel.de/elektromobilitaet-funktioniert-nur-mit-leichtbau-a-908391/ – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[9]    Pfeiffer, J.: Leichtbau-Batteriepack verringert Gewicht und erhöht Reichweite von E-Autos. URL www.konstruktionspraxis.vogel.de/leichtbau-batteriepack-verringert-gewicht-und-erhoeht-reichweite-von-e-autos-a-974846/ – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[10]  Automotive Manufacturing Solutions: Thinking outside the box: lightweight battery enclosures. URL https://www.automotivemanufacturingsolutions.com/ev-battery-production/thinking-outside-the-box-lightweight-battery-enclosures/42124.article – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[11]  Hohmann, A.: Life-Cycle-Assessment rund um die Carbonfaser (CU-Thementag „Carbon-Faser-Vielfalt für die Praxis"). online, 2020-09-29 – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[12]  Albrecht, S. ; Drechsler, K. ; Hohmann, A. ; Leistner, P. ; Lindner, J. P. ; Voringer, B. ; Wehner, D.: Resource efficiency and environmental impact of fiber reinforced plastic processing technologies. In: Production Engineering 12 (2018), 3-4, S. 405–417 – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[13]  Lucintel: Non-Woven Textile for Composites Market Report: Trends, Forecast and Competitive Analysis. URL www.researchandmarkets.com/reports/4791069/ – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[14]  Yang, C. ; Nanni, A. ; Dharani, L.: Effect of fiber misalignment on FRP laminates and strengthened concrete beams. In:  9th Int. Conf., Structural Faults and Repair, London, UK, 2001

[15]  Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. 2., bearbeitete und erweiterte Auflage. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 (VDI-Buch)

[16]  Nezami, F.: Automatisiertes Preforming von Kohlefaserhalbzeugen mit aktiven Materialführungssystemen zur Herstellung komplexer Faserverbundstrukturen. Dresden, Technische Universität Dresden. Dissertation. 2015 – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[17]  Kraus, J. M.: Auch Faser-Kunststoff-Verbunde ermüden. URL www.maschinenmarkt.vogel.de/auch-faser-kunststoff-verbunde-ermueden-a-384070/ – Überprüfungsdatum 2026-06-24

[18]  Hohmann, A.: Life-Cycle-Assessment rund um die Carbonfaser (CU-Thementag „Carbon-Faser-Vielfalt für die Praxis"). online, 29.09.2020

[19]  Lischo, B.: Anwendung von Gelegen und Geweben in FKV-Sichtbauteilen bei der BMW M GmbH. persönlich. Interview mit L. Hahn. Telefonat, Dresden, Garching, 02.10.2020

[20]  Ebel, C.: Expertengespräch: Batteriekästen für E-Mobilität - Anforderungen, Randbedingungen, Fertigungstechnologie. Interview mit L. Hahn und K. Zierold. 2022-10-04

[21]  Motavalli, Jim: CES 2021: The Coolest Car Tech From The Virtual Show. In: Forbes (2021-01-15)

 

AutorInnen: Danny Friese Konrad Zierold Chokri Cherif

Kontakt:

Technische Universität Dresden
Fakultät Maschinenwesen
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM)
01062 Dresden

https://tu-dresden.de/mw/itm

Multiaxialgelege Inline-Schussfadenvariation FKV Carbonfasern

Downloads:

More entries from TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

more close Drucken
Abbildung 1: Schneidblockintegration (links: Versatzposition/oben; mitte: Schnittposition/unten; rechts: in Kom-bination mit dem Versatzmodul in Schnittposition)
26.03.2024

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Entwicklung endkonturgerechter Multiaxialgelege mit lokal einstellbarer, bauteilgerechter Verstärkungskettfadendichte

Gestricke & Gewirke Textilmaschinenbau Technische Textilien

Zusammenfassung

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurde ein neuartiges Nachrüstmodul für Multiaxial-Kettenwirkmaschinen entwickelt, das die Herstellung von Multiaxialgelegen mit lokal angepassten Verstärkungskettfadendichten ermöglicht. Diese Innovation erlaubt eine materialsparende und kosteneffiziente Produktion von Bauteilen aus Faserkunststoffverbunden (FKV) mit Hochleistungsfasern wie Carbon. Hierbei können Kettfäden gezielt in den Bereichen, bspw. in denen sie nicht benötigt werden, aus dem Wirkprozess entfernt und bei Bedarf wieder eingefügt werden. Zudem wird es ermöglicht, eine definiert gradierte Kettfadendichte durch den gezielten Versatz von Kettfäden zu erreichen.

Das entwickelte modulare System wurde an einer Multiaxial-Kettenwirkmaschine vom Typ Malimo 14024 der Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH (Chemnitz, Deutschland) experimentell erprobt. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verschnittreduktion auf bis zu 0 % in Kettrichtung sowie eine hohe Anpassungsfähigkeit an bauteilspezifische Anforderungen. Durch die Implementierung von Steuerungsalgorithmen für eine achsvariable Legung der Kettfäden konnte zudem eine simulationsgestützte Prozesskette zur Herstellung textiler Halbzeuge für FKV-Bauteile mit lokal variierenden Spannungsverteilungen erreicht werden.

Die erzielten Forschungsergebnisse unterstreichen das hohe Potential der Technologie zur wirtschaftlichen und gleichzeitig umweltfreundlichen Herstellung von FKV-Bauteilen. Besonderer Wert wurde auf die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die in den KMU vorhandenen Maschinen gelegt, um eine breite Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse zu gewährleisten

Bericht

Ausgangssituation und Problemstellung

Der zunehmende Trend zum Leichtbau ist ein globales Phänomen in technischen Sektoren, verstärkt durch das Bewusstsein für einen materialeffizienten Umgang mit begrenzt verfügbaren natürlichen Ressourcen. Diese Entwicklung wird durch die Notwendigkeit ökologischer Nachhaltigkeit und die Reduktion von CO2-Emissionen vorangetrieben, wobei Faserkunststoffverbunde (FKV) aufgrund ihrer anisotropen strukturmechanischen Eigenschaften und ihres geringen spezifischen Gewichts eine Schlüsselrolle spielen. Sie bieten optimale Voraussetzungen für die ressourceneffiziente Auslegung von Leichtbaulösungen und treiben Innovationen in Branchen wie dem Maschinen-, Anlagen- und Automobilbau, insbesondere in der Elektromobilität, sowie in der Windkraftenergie und Luftfahrt voran. [1–11]

Die Herstellung von FKV-Bauteilen erfolgt derzeit hauptsächlich mit zweidimensionalen textilen Strukturen, die als Rollenware mit konstanter Breite und Fadendichte geliefert werden [12, 13]. Insbesondere mehraxiale Gelegestrukturen, gefertigt mittels der hochproduktiven Multiaxial-Kettenwirktechnik, sind für Großserienanwendungen und großflächige Bauteile relevant [14]. Eine wesentliche Herausforderung dieser Fertigungsprozesse ist der hohe Materialverschnitt in der bauteilspezifischen Halbzeugkonfektion, der wirtschaftlich und ökologisch nachteilig ist. Der Verschnitt kann je nach Bauteilgeometrie und -herstellungsverfahren bis zu 50 % betragen [15, 16].

In der Entwicklung endkonturgerechter textiler Halbzeuge mit lokal einstellbarer, d. h. achsvariabler, Verstärkungsfadendichte, um Verschnitt zu vermeiden und die textilen Halbzeuge an komplexe FKV-Geometrien anzupassen, liegt die entscheidende Aufgabe zur Steigerung der ökologischen und wirtschaftlichen Effizienz. Dies erfordert neue Lösungsansätze, da konventionelle Multiaxialgelege nicht die Anforderungen an eine bauteilgerechte gradierte Verstärkungsfadendichte erfüllen können. Sie sind in ihrer Verstärkungsfadendichte, sowie der Lagenanordnung im Preforming bisher für den maximalen lokalen Belastungsfall ausgelegt, was zu Überdimensionierung in weniger belasteten Bereichen oder zu hohem Verschnitt führt.

Die Entwicklung endkonturgerechter Multiaxialgelege mit lokal einstellbaren Verstärkungskettfadendichten adressiert diese Problematik. Vor Projektbeginn gab es keine Lösungen, die eine konturgerechte Fertigung von Multiaxialgelegen und eine Verringerung der Kettfadenanzahl in den nicht benötigten Bereichen oder eine Erhöhung in besonders beanspruchten Zonen ermöglichten. Die Motivation des Projekts leitet sich aus der Notwendigkeit ab, die Materialeffizienz in der textilen Fertigungskette zu steigern, indem Verschnitt und Überdimensionierung vermieden werden.

Technische Entwicklung und Umsetzung

Im Fokus der Forschungsarbeiten stand die Entwicklung einer innovativen Technologie zur effizienten Nutzung von kostenintensiven Hochleistungsfasern, speziell Carbonfasern, im Fokus. Ziel war es, die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit von Faserkunststoffverbunden (FKV) durch eine signifikante Reduktion des Materialverschnitts und die Vermeidung von Überdimensionierung zu steigern. Die technische Herausforderung bestand darin, eine Methode zu entwickeln, die eine gezielte Anpassung der Verstärkungskettfadendichte an die bauteilspezifischen Anforderungen ermöglicht, sodass die Verstärkungskettfäden nur dort angeordnet werden, wo sie mechanisch erforderlich sind. Zur Realisierung dieser Zielsetzung war die Entwicklung eines Verfahrens essenziell, das es erlaubt, Kettfäden gezielt aus dem Wirkprozess zu entfernen und bei Bedarf wieder hinzuzufügen, um so eine konstante Kettfadendichte im endkonturgerechten Gelege zu gewährleisten. Zudem sollte eine Möglichkeit, die Kettfadendichte seitlich achsvariabel zu versetzen und somit lokal zu verstärken, was in einer gradierten Kettfadendichte resultiert, geschaffen werden. Die praktische Umsetzung dieser Technologie erforderte die Integration einer Zusatzvorrichtung in den Multiaxial-Kettenwirkprozess. Das entwickelte kombinierte Kettfadenmanipulationsmodul ermöglicht es, die Kettfäden mit lokal unterschiedlichen Dichten und Ausrichtungen prozesssicher zuzuführen.

Im Rahmen der technischen Entwicklung und Umsetzung zur Herstellung endkonturgerechter Gelege mit angepasster Kettfadendichte wurden drei wesentliche Teilfunktionen identifiziert und entwickelt: das selektive Trennen, das gezielte Führen sowie das individuelle oder gruppenweise Anfügen der Kettfäden an das Gelege. Diese Funktionen sind essenziell für die Realisierung einer global konstanten Kettfadendichte, die präzise an die Bauteilkontur und die mechanischen Anforderungen angepasst ist.

Selektives Trennen

Für das Trennen der Kettfäden wurde ein mechanisches Verfahren auf Basis eines Schermesserpaars mit einer festen und einer beweglichen Klinge, die pneumatisch angetrieben und gesteuert wird, entwickelt. Der Messerblock (siehe Abbildung 1 links) wurde an einer Lineareinheit (quer zur Arbeitsrichtung) befestigt und kann über einen Schlitten bedarfsgerecht pneumatisch auf die Höhe der zu schneidenden Kettfäden abgesenkt werden (siehe Abbildung 1 rechts). Dies ermöglicht es, die Kettfäden entsprechend der Bauteilkontur temporär aus dem Fertigungsprozess zu entfernen.

Vorbringen der Kettfäden

Zur präzisen Führung werden die Kettfäden pneumatisch vorgebracht. Dafür werden die Führungsröhrchen (siehe Abbildung 2 links) der Versatzeinheit mit Druckluft angeblasen, wodurch der Kettfaden in die Wirkstelle transportiert wird. Dabei muss die Schnittstelle, die sonst offen und zugänglich für das Schermesser gehalten wird, temporär durch eine Verschlusskappe überbrückt werden, um einen Druckluftverlust während des Vorbringens zu vermeiden (siehe Abbildung 2 rechts). Dieses System sorgt dafür, dass die abgetrennten Kettfäden exakt an die vorgesehene Stelle im Gelege, synchronisiert mit dem Wirkprozess, geführt werden. Ein Druck von 4 bar wurde für ein reproduzierbares, schnelles und präzises Vorbringen der vorher abgetrennten Kettfäden in die Nadelgasse der Wirkstelle erörtert, als Grundlage für das anschließende Anfügen des Kettfadenendes an das endkonturgerechte Gelege.

Anfügen der Kettfadenenden

Für das Anfügen der Kettfäden an das Gelege wurden verschiedene Lösungsansätze untersucht, darunter stoffschlüssige Verbindungen mittels Klebstoffen und form- bzw. kraftschlüssige Verbindungen durch nähwirktechnische Integration. Als geeignete Lösung hinsichtlich des Erhalts des textilen Charakters des endkonturgerechten Geleges sowie der Dauer des Anfügevorgangs erwies sich die nähwirktechnische Fixierung, die eine zuverlässige und schädigungsarme, kraftschlussbasierte Integration der Kettfäden in die Gelegestruktur ermöglicht.

Auf Basis der abgeleiteten Vorzugslösungen für die Teilfunktionen erfolgte anschließend die Entwicklung des kombinierten Kettfadenmanipulationsmoduls, mit dem eine Kettfadenschar sowohl seitlich versetzt, als auch einzelne Kettfäden aus der Kettfadenschar selektiv abgetrennt und nach Bedarf wieder angefügt werden können. Das kombinierte Kettfadenmanipulationsmodul besteht aus zwei synchronisierten Lineareinheiten. Eine Lineareinheit setzt die Messerblockbewegung um, eine zweite Lineareinheit den seitlichen Versatz der Kettfäden (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4). Das vollständige, entwickelten Nachrüstmodul, inklusive der pneumatischen und elektrotechnischen Steuerungstechnik wurden in eine Malimo 14024 (Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH, Deutschland) integriert und auf Basis iterativer Funktionsmusterfertigungen erprobt. Dieses Modul ermöglicht die Herstellung endkonturgerechter Gelege mit variabel einstellbaren Verstärkungskettfadendichten und achsvariablen Fadenanordnungen und erhöht somit signifikant die Materialeffizienz in der FKV-Produktion.

Materialcharakterisierung und Ergebnisse

Auf die erfolgreiche Umsetzung der Funktionsmuster folgte die textil- und verbundphysikalische Charakterisierung der Funktionsmuster. Die Charakterisierung der Funktionsmuster erfolgte in mehreren Stufen. Zunächst wurde eine computergestützte photogrammetrische Messung zur Überprüfung der Konturradien und der Konturtreue durchgeführt. Anschließend fokussierte sich die Untersuchung auf die Ermittlung der strukturmechanischen Eigenschaften der FKV-Prüfkörper auf Basis der textilen Funktionsmuster. Hierbei kamen modifizierte Stempeldurchdrückversuche zum Einsatz, die einen multiaxialen Belastungszustand in die Textil- bzw. FKV-Prüfkörper einleiteten (siehe Abbildung 5). Die Kraftübertragung während der Versuche wurde aufgezeichnet und ausgewertet.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Einsatzmöglichkeiten des Kettfadenmanipulationsmoduls zur Herstellung endkonturgerechter Gelege mit bauteilgerechten Verstärkungskettfadendichten eine gleichbleibende mechanische Belastbarkeit wie vollverstärkte Bauteile ermöglichen, während gleichzeitig der Materialeinsatz signifikant reduziert wird. Anhand der Umsetzung eines PKW-Kotflügeldemonstrators (siehe Abbildung 6) konnte experimentell belegt werden, dass eine Materialreduktion von bis zu 50 % möglich ist, ohne die strukturelle Integrität und mechanische Belastbarkeit der FKV-Bauteile zu reduzieren. Die umfassenden Untersuchungen und die daraus resultierenden Erkenntnisse legen die Basis für die Fertigung und Handhabung praxisnaher endkonturgerechter Gelege. Damit wird ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und zur Förderung nachhaltiger Produktionsverfahren in der Industrie geleistet.

Zusammenfassung

Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde ein innovatives Nachrüstmodul für die hochproduktive Multiaxial-Kettenwirktechnologie entwickelt, dass es ermöglicht, die Dichte der Verstärkungskettfäden in Multiaxialgelegen lokal und gezielt an die Anforderungen spezifischer Bauteile anzupassen. Diese technologische Neuerung repräsentiert einen signifikanten Fortschritt in der Fertigung von Faserkunststoffverbunden (FKV), indem nunmehr eine effiziente und materialsparende Produktion, insbesondere unter Verwendung hochpreisiger Hochleistungsfasern wie Carbon, ermöglicht wird. Die entwickelte Lösung gestattet es, die Integration der Kettfäden ausschließlich in jenen Bereichen vorzunehmen, die für die mechanische und geometrische Verstärkung des späteren Bauteils erforderlich sind. Dies führt zur Reduzierung des Verschnitts auf nahezu 0 % (in Kettfadenrichtung) sowie zur weitestgehenden Vermeidung der Überdimensionierung.

Für die Umsetzung des entwickelten Verfahrens wurde eine passende Fertigungstechnologie erarbeitet und als Zusatzvorrichtung in eine Multiaxial-Kettenwirkmaschine (Malimo 14024) integriert. Diese Vorrichtung ermöglichte die prozesssichere Ablage der Kettfäden mit individuell unterschiedlichen Dichten und Ausrichtungen, wodurch erstmals endkonturgerechte Gelege mit variabel einstellbaren, bauteilgerechten Kettfadendichten hergestellt werden konnten.

Der Ausblick auf zukünftige Entwicklungen fokussiert sich auf die Weiterführung der Technologieübertragung in die industrielle Praxis, insbesondere in KMU. Die durchgeführten Forschungsarbeiten bieten eine solide Basis für die Implementierung der neuen Technologie in bestehende Produktionsprozesse. Dabei stehen die Steigerung der Materialeffizienz und die Reduktion des ökologischen Fußabdrucks von FKV-Bauteilen im Vordergrund, um den steigenden industriellen und gesetzlichen Anforderungen an Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gerecht zu werden.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21968 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. Der Schlussbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

AutorInnen: Konrad Zierold André Seidel Lars Hahn Chokri Cherif

Kontakt:

Technische Universität Dresden
Fakultät Maschinenwesen
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM)
01062 Dresden

https://tu-dresden.de/mw/itm

Multiaxialgelege Kettenwirken Leichtbau Materialeffizienz FKV-Herstellung Composites Gewirke Textilmaschinenbau Nachhaltigkeit Technische Textilien

Downloads:

More entries from TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

more close Drucken