Research publications

Introduction: The causes of tooth loss are very diverse, including trauma, tumor removal, tooth decay, and—very commonly—periodontitis (bacterial inflammation of the gums and jawbone). In Germany, approximately 50–60% of the population suffers from moderate to severe periodontitis, with the incidence increasing with age; consequently, a growing demand for artificial teeth is expected in the future [1]. In addition to the root cavity resulting from tooth loss, the causes mentioned above can also lead to damage to larger areas of the jawbone or necessitate their removal. Furthermore, bone resorption occurs due to the lack of mechanical stress on the jaw, making it impossible to place an implant without prior reconstruction of the bone tissue. Since an implant must be firmly anchored in the jawbone, prior bone augmentation is therefore absolutely necessary in these cases to provide patients with optimal care. In Germany, over 50% of dental implants placed require such augmentation [2–4]. In this treatment approach, a bone substitute material is filled into the cavity and covered with a GBR membrane. The membrane is essential for the success of the treatment, as its primary function is to prevent rapidly proliferating soft tissue cells from invading the cavity. Currently, both non-resorbable (e.g., PTFE, titanium) and resorbable (e.g., collagen) GBR membranes are used; however, they can only partially meet the required performance criteria. Resorbable membranes tend to be preferred because they do not need to be removed in a second surgical procedure—which could jeopardize treatment success—and carry a lower risk of infection. However, due to their lack of primary stability, their mechanical properties do not yet allow them to maintain space in a moist environment. For this reason, non-resorbable GBR membranes continue to be used as well [5, 6]. A GBR membrane that combines resorbability with space-maintaining properties in a way that meets clinical requirements does not yet exist, a fact underscored by high revision rates of approximately 20% [7, 8].

The IGF OsteoMe project aimed to develop novel, multilayer GBR membranes for bone augmentation with a complex, application-oriented property profile. To this end, the project partners ITM and FILK combined their complementary expertise in the development of electrospun and additive-manufactured (Fiber Additive Manufacturing, FAM) biopolymer structures, the functionalization of chitosans, and cell biological characterization. The property profile, which had been developed in advance through discussions with clinicians and industry representatives, was to be realized through a three-layer membrane structure consisting of a mucoadhesive layer for positional stabilization, a cell-excluding barrier layer, and a structuring, mineralized layer with defined porosity and mineral gradients to biomimetically replicate the bone-tissue interface and provide space-maintaining properties. Based on the materials polycaprolactone (PCL), silk fibroin (SF), and chitosan (Ch), simulation-based fabrication strategies were investigated that enable the targeted adjustment of mechanical, functional, and biological properties.

Results:

Mucoadhesive layer: Mucoadhesive materials allow for prolonged retention on mucous membranes and are therefore of interest for numerous medical applications. Chitosan is considered a promising mucoadhesive biopolymer due to its positive charge and the resulting interactions with negatively charged mucins. To further improve adhesion, the covalent binding of thiol-containing compounds was investigated, as these additionally enable the formation of disulfide bonds with mucin.

Functionalization was carried out via carbodiimide (EDC/NHS)-mediated coupling of N-acetylcysteine (NAC) or cysteine to chitosan with a degree of deacetylation exceeding 90%. Both the direct modification of chitosan films and the derivatization of dissolved chitosan were investigated. While the functionalization of films was complicated by the limited accessibility of the amino groups within the solid polymer matrix and resulted in an inhomogeneous distribution of thiol groups, the modification of dissolved chitosan enabled the preparation of reproducible conjugates with high thiol contents. The optimized chitosan conjugate achieved a total thiol content of approximately 878 µmol/g, with about 311 µmol/g present as free thiol groups. Due to the high reactivity of the thiol groups, a loss of approximately 20% was observed within two weeks during storage in air; therefore, storage under oxygen-free conditions is recommended. To produce mechanically stable membranes, the addition of at least 70 wt% unmodified chitosan was required (see Figure 1).

The mucoadhesive properties were investigated using a specially developed test setup on a texture analyzer, with porcine intestinal mucosa serving as the model substrate. The adhesive forces were determined relative to unmodified chitosan. In particular, acid-treated chitosan films exhibited high adhesion forces, which could be specifically influenced by varying the contact pressure and contact time. Neutralized films, on the other hand, did not achieve the target adhesion forces. Even the introduction of thiol groups did not lead to a significant improvement in mucoadhesion under neutral conditions (see Figures 2 and 3).

Although the formation of disulfide bonds between thiol groups and mucin is considered an established mechanism for enhancing mucoadhesion, this effect could not be demonstrated in the present studies. Possible causes under discussion include an insufficient density of reactive thiol groups on the surface and their limited reactivity under physiological conditions.

In summary, it was demonstrated that thiol-modified chitosan materials can be successfully produced. However, the highest adhesion forces were achieved not through chemical functionalization, but through acid-treated chitosan films. For future applications, strategies for stabilizing and controllably neutralizing these highly adhesive materials therefore represent a particularly promising avenue for development.

Barrier layer: To create submicroscale pores, the interactions between process and spinning solution parameters as well as fiber diameters were first investigated in detail. The spinning solution concentration (2–15%), the silk fibroin (SF)–polycaprolactone (PCL) ratio (0–100% SF), the influence of salt additives (up to 5 wt-% potassium chloride - KCl), the flow rate (0.5–2 ml/h), and the electric field strength (0–1.5 kV/cm) were systematically varied. It was found that fiber diameters can be specifically reduced, in particular by lowering the flow rate and the spinning solution concentration (Figure 4A) as well as by adding up to 66% SF. Higher SF content and salt additives lead to inhomogeneities in the resulting fiber diameters and shapes, as well as, in some cases, to embrittlement of the membranes. Varying the electric field strength (0–40 kV) also affected the fiber diameters, though only to a very small extent (approx. ± 22 nm); therefore, the preferred solution was selected here based on differences in handling during membrane production. Concentrations below 3% were not spinnable or resulted in irregular strand breaks. Based on these findings, the case group SF:PCL_1:2_3% was selected as the preferred solution. This case group exhibited nearly normally distributed pore sizes with a mean of 613 nm (Figure 4B). Approximately 6% of the pores had a diameter below the target value of 200 nm. To investigate migration behavior, the membranes were mounted in cell culture inserts (Cell-Crown™ inserts) and seeded with gingival epithelial cells for 72 h. After cultivation, cryosections were prepared, and the cytoskeleton and cell nuclei were stained. The barrier function was demonstrated over a period of 72 h (Figure 4C).

Mineral Layer: To achieve the desired structure of macroporous reinforcement structures, a tricalcium phosphate (TCP)-containing printing paste based on PCL was developed for the FAM. Mineral content of up to 50% was achieved without compromising printability. Using the FAM, constructs with triangular pore geometries were produced, as these offered advantages in terms of surgical handling, particularly with regard to flexibility. The 3D-printed specimens were subjected to enzymatic-catalyzed degradation over an 8-week period and, depending on the degree of degradation, were mechanically characterized in a humid environment and compared with commercially available, non-degraded GBR membranes (BioGuide, CollProtect, Mucoderm). To this end, four test specimens per week were incubated for 8 weeks in a degradation solution (physiological phosphate-buffered saline (PBS) and an enzyme cocktail consisting of protease XIV and lipase). The medium was changed twice each week to prevent the degradation solution from becoming saturated with degradation products. The enzyme concentration was set at 2.5 U/L per enzyme so that both the lipase and protease, considered individually, would reflect the total enzyme concentration in human saliva [9]. This increased enzyme concentration enables rapid degradation while also providing reliable data on the minimum shelf life of the developed GBR membrane in the human oral cavity. Initially, a slight increase in mass and tensile strength in the wet state was observed, which is presumably due to the deposition of salts on the surface (Figure 5). Starting in week 3, a continuous decline in mass and mechanical properties can be observed, although this decline is comparatively minor. Even after 7 weeks, the tensile strength remains in the range of 8 MPa and is thus comparable to the initial strength prior to degradation. Thus, the space-maintaining capacity of the developed GBR membrane was demonstrated for approximately 2 months, which is sufficient for the remodeling of natural bone tissue. The target value of > 5 MPa in a moist environment was maintained throughout the entire degradation period. Furthermore, a comparison was conducted with non-degrading, commercially available GBR membranes, demonstrating the comparability of the developed membrane. In addition, continuous calcium release was detected over the course of the degradation period, which may have a positive effect on bone regeneration.

To evaluate the osteoconductive effect of the mineral layer, the differentiation of bone progenitor cells (mesenchymal stem cells, MSCs) into osteogenic cells was investigated. Based on the staining of calcium deposits in the mineralized tissue (Alizarin Red S staining) and the quantitative analysis of osteogenic marker expression (qPCR of collagen I (Col1), alkaline phosphatase (ALP), osteocalcin (BGLAP), and osteopontin (SPP1)), a positive effect of the membrane developed in the project on bone tissue regeneration was demonstrated. Osteogenic induction was achieved by adding dexamethasone, β-glycerophosphate, and ascorbic acid for 28 days. Differentiation was controlled using MSCs without any material influence.

Summary: As a result of the OsteoMe project, three membrane layers were developed, each of which fulfills essential aspects of the requirements profile for GBR membranes in dentistry. Depending on the acidity of the chitosan as well as the contact time and pressure, the mucoadhesive layer develops adhesive forces in the range of 1 to 4 N, which are comparable to those of established fibrin glues. This enables the membrane to be applied to the defect site in a position-stable manner without the need for additional sutures or pins. The barrier layer is designed with open pores, allowing for the exchange of nutrients and signaling molecules, which can positively influence regeneration. At the same time, it was shown that the pore size is small enough to act as a barrier to rapidly proliferating oral mucosal cells, thereby providing the slow-growing bone tissue cells with sufficient time for regeneration. The 3D-printed mineral layer exhibits sufficiently high mechanical properties in simulated saliva to ensure a space-maintaining function. The tensile strengths achieved are comparable to those of commercially available GBR membranes and show virtually no decline during enzymatic-catalyzed degradation over eight weeks. Furthermore, it was demonstrated that the mineral layer exhibits osteoinductive properties and can thus actively support bone regeneration. Finally, methods were developed to ensure a delamination-free bonding of the individual layers. This allows the layers to be flexibly combined with one another, thereby expanding the range of possible applications.

 

Acknowledgments: The IGF project 01IF22810N of the Forschungskuratorium Textil e.V. research association was funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy through the DLR Project Management Agency as part of the Program for the Promotion of Industrial Collaborative Research (IGF), pursuant to a resolution of the German Bundestag.

         

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As part of the IGF project 01IF22817N (Nonwoven Thermo-Fabric), ITM carried out the development of advanced woven architectures and weave constructions for integrally woven insulation structures characterized by high design flexibility and a maximized volume of entrapped air. Furthermore, ITM developed the required preparation and feeding unit for the processing and the insertion of nonwoven strips in weft direction into the weaving process.

Introduction

Insulation structures are widely used in the apparel sector, particularly in sportswear and outdoor products, and form the basis for numerous leisure activities. Owing to the high demands placed on comfort and thermal insulation performance, consumers are willing to pay premium prices for functional garments intended for activities such as hiking, skiing, and horseback riding. As a result, this market segment represents a significant contributor to the overall performance of the German apparel industry [1]. Beyond clothing applications, insulation structures also play an important role in technical sectors such as the automotive industry, where they are used in roof liners and cabin insulation systems.

The prevailing construction principle for bulky thermal insulation materials in apparel applications is based on quilted structures. Their production involves a complex, multi-stage process chain comprising the manufacture of insulation, outer shell, and lining materials, textile printing and finishing, quilting, and garment assembly [2]. However, these structures exhibit an inherent design-related disadvantage that prevents the full exploitation of the insulation potential of the individual components. The quilting seams required to ensure structural integrity create locally compressed regions which, according to the principles of heat transfer, act as thermal bridges and reduce the overall insulation performance. Depending on stitch density, the thermal transmittance coefficient can increase by up to 40 % [3]. This loss in insulation efficiency is typically compensated by increased material consumption.

Furthermore, quilting seams introduce visible interruptions across the fabric surface, substantially limiting design flexibility and product customization. Various approaches, such as spacer quilting, attempt to mitigate the compression of the insulation layer by reducing thread tension during the quilting process and bridging greater material thicknesses. However, these methods achieve only a limited reduction in thermal transmittance, typically in the range of 10–14 % [4]. In addition, aesthetic considerations remain largely unaddressed.

To enhance thermal insulation performance, increase design freedom, and reduce the complexity of conventional manufacturing processes, the present research project fundamentally re-evaluated both the structural design and production of insulation materials. By implementing an integral weaving process capable of incorporating all relevant material components and by developing a structural architecture and yarn arrangement that simultaneously ensure structural integrity and enable visually appealing, highly customizable designs, it was possible to significantly reduce thermal transmittance and substantially improve the performance of textile insulation structures.

Objectives

The objective of the project was the simulation-based design and development of chambered insulation structures in combination with an advanced weaving process that enables the inline integration of high-volume nonwoven strips with minimal permanent structural deformation while simultaneously incorporating a textile heating structure into the woven architecture. To achieve this objective, a thermodynamic design methodology was established, from which the arrangement of the yarn systems and the geometric configuration of the unit cells were derived. This approach enabled the identification and analysis of thermal conduction paths and facilitated the design of insulation chambers in such a way that the nonwoven strips remained largely uncompressed within the structure (Figure 1).

A systematic process chain for weave development was established, allowing the face layers to be patterned through Jacquard weaving while simultaneously ensuring the controlled guidance of the binding warp yarns required to connect the individual layers. In addition, binding solutions were developed to achieve both an aesthetically appealing integration of the binding warp yarns into the face layers and the concealed incorporation of the heating structure, masking it invisible from the fabric surface.

For the integration of nonwoven strips in weft direction, a modular preparation and feeding unit was developed. This system enables the processing of nonwoven material by cutting it into strips corresponding to the dimensions of the chamber geometry, modifying them to withstand the tensile loads occurring during weft insertion, and subsequently presenting them to the rapier system for insertion into the weaving shed.

The produced functional structures were validated qualitatively based on visual assessment criteria and through the identification of thermal bridges using infrared thermography. Quantitative evaluation was performed by determining the thermal transmittance coefficient using the Guarded Hot Plate method and comparing the results with those obtained from a conventional quilted reference structure. The developed insulation structures were manufactured on a Jacquard rapier weaving machine equipped with the modular preparation and feeding unit, thereby demonstrating the technical feasibility of the proposed process and structure concept.

Results

Process Chain for the Integral Manufacturing of Nonwoven Thermo-Fabrics

The integral production of chambered insulation structures is based on a novel approach that combines the previously separate process steps of fabric manufacturing, insulation integration (quilting), and functional integration (heating) into a single automated weaving process. The process chain developed at ITM enables the production of complex multilayer chambered structures with enhanced thermodynamic properties while simultaneously providing a high degree of design flexibility. The development process begins with the specification of material parameters, including yarn fineness and insulation characteristics, as well as target values for thermal transmittance and heating performance. Based on these requirements, a simulation-driven thermodynamic design is performed using a finite element heat conduction model implemented in MATLAB. This model allows the determination of the optimal geometric arrangement of the layers, such as offset chamber structures for minimizing thermal bridges, as well as the optimal positioning of integrated heating elements.

Structural and weave development are carried out digitally using the specialized textile design software EAT DesignScope Victor. The overall structure is divided into functional zones, including edge areas, patterned face layers, and binding warp zones. A key technological challenge is the synchronization of the weave combinations of the upper and lower layers with the trajectories of the binding warp yarns to ensure the formation of stable chambers for the integration of nonwoven strips. Through the use of complementary weave structures, both the binding points of the binding warp yarns and the integrated heating yarns can be visually concealed within the face layers.

A central element of the process chain is the automated inline preparation of the insulation material. The nonwoven material, supplied in roll form, is slit longitudinally, cut to length, and permanently bonded to a load-bearing auxiliary yarn by ultrasonic welding. This reinforcement is essential for safely withstanding the inertial forces acting during weft insertion on the rapier weaving machine and for preventing permanent deformation and necking of the nonwoven material. During the integral weaving process, all components, including the face layers, binding warp yarns, preassembled nonwoven strips, and heating yarns, are combined into a single structure. Precise control of weaving machine parameters, particularly shed closing timing and heald frame stroke, ensures the low-compression integration of the hig-bulk nonwoven strips into the fabric chambers.

Simulation-Based Thermodynamic Design of the Structures

The development of the insulation structure required a precise thermodynamic design of the multilayer offset chamber structures. The objective of the simulations was to determine heat transfer and heating performance while accounting for the complex interactions between the constituent materials. For this purpose, a two-dimensional steady-state finite element heat conduction model was implemented in MATLAB using the PDE Toolbox. The model was based on the steady-state heat conduction equation, with material-specific thermal conductivities assigned to the geometrically defined regions representing nonwoven insulation, face layers, and binding zones.

The primary objective of the simulation was to optimize the arrangement of layers and the positioning of the heating structure in order to minimize heat losses and maximize surface temperature homogeneity. Local heat fluxes were calculated using Fourier’s law, and the effective thermal transmittance coefficient was determined across the width of the representative unit cell. The fully parametric simulation environment enabled systematic variation of layer thicknesses, chamber widths, and the number and arrangement of insulation layers.

The numerical analyses revealed that heat transfer in conventional structures predominantly occurs through the binding regions, resulting in non-uniform temperature distributions. By implementing an offset arrangement of the insulation chambers, these direct heat conduction paths were effectively interrupted, thereby minimizing thermal bridges. Validation of the model was achieved through comparison of experimentally measured thermal resistances with calculated values. Iterative adjustment of structure- and process-related parameters, particularly those associated with layer contact and compression effects, resulted in a highly accurate model with a maximum deviation of only 2 %. A two-layer offset arrangement of the nonwoven strips was identified as the optimal solution and subsequently served as the basis for the weave design.

Structural and Weave Development for Multilayer Chambered Fabrics

The transfer of thermodynamic requirements into a manufacturable textile structure was achieved through the systematic organization of yarn systems and the development of a modular weave architecture. Using EAT DesignScope Victor, a color-coded design image was created and divided into functional zones that served as the basis for assigning the complex multilayer binding patterns.

A total of 5,172 warp yarns supplied from two separate warp beams were incorporated into the developed insulation structures. The fabric width was divided into four functional regions: edge zones for fabric stabilization and weft fixation, patterned regions for the upper and lower face layers, and binding warp regions responsible for layer connection and positioning (Figure 2). This modular organization enabled independent modification of design elements and binding warp trajectories without requiring regeneration of the complete Jacquard control file.

A key aspect of the weave development was the design of the binding warp paths, which ensure both structural integrity and chamber formation for nonwoven integration. The binding warp yarns were supplied separately from a creel and arranged in pairs at intervals of 4 cm, corresponding to the intended width of the nonwoven strips.

To minimize thermal bridging, a two-layer offset chamber arrangement was developed. This required a modified binding warp configuration in which the yarns are guided above, between, or below the insulation layers depending on their position within the structure. Through systematic optimization of the binding regions, surface irregularities and out-of-plane displacement of weft yarns were minimized (Figure 3).

To satisfy the high aesthetic requirements of sportswear and outdoor applications, strategies for concealing the functional components were implemented. Float-dominated weave structures, such as 4/1 satin, effectively masked the binding points of the binding warp yarns (Figure 4). Similarly, complementary weave constructions were employed for the integration of the heating structure. Conductive heating yarns were bound to the inner side of the body-facing layer, while opposite twill weaves enabled the heating yarns to be concealed beneath the surface weft yarns, rendering them invisible from the exterior.

The developed weave system was validated using four functional prototypes ranging from simple single-layer structures to highly complex multilayer fabrics with independently patterned face layers, offset insulation chambers, and integrated heating functionality.

Design and Development of the Nonwoven Integration Module

The objective of the engineering development was the realization of a modular system for the automated inline integration of nonwoven strips into chambered woven structures. A systematic design process based on VDI 2221/2222 was applied, including a detailed analysis of the available installation space around the rapier weaving machine and the geometry of the weaving shed.

The system was divided into functional modules corresponding to the process steps of feeding, cutting, joining, presentation and insertion. Circular blade cutting was identified as the preferred solution for cutting the nonwoven roll material into strips because, unlike scissors or ultrasonic cutting systems, it does not permanently compact the material edges and therefore preserves the insulation performance. Length cutting is performed using a specially designed guillotine cutter that facilitates insertion of the voluminous strips into the weaving shed.

A key technological innovation of the module is the reinforcement of the nonwoven material. To withstand the inertial forces occurring during weft insertion at machine speeds of up to 200 rpm, a load-bearing auxiliary yarn is permanently bonded to the nonwoven strip using ultrasonic welding. The resulting nonwoven-yarn composite is subsequently stored in a meander-shaped accumulator, enabling nearly resistance-free outlet during insertion and minimizing mechanical stress on the weld seam.

For precise transfer to the rapier system, the original weft presentation mechanism of the weaving machine was modified with specially designed guide elements. These ensure twist-free guidance of the nonwoven strip and reliable transfer to the rapier gripper.

Technological Implementation and Inline Production of Functional Prototypes

The developed technology was implemented on a Dornier PTS 4/J rapier weaving machine equipped with a Stäubli UNIVAL 100 Jacquard machine and the newly developed nonwoven preparation and integration module. A major focus of the technological trials was the synchronization of the individual process steps and the iterative optimization of weaving machine parameters to ensure stable production under industrially relevant conditions.

Precise adjustment of warp tensions and shed geometry was required to reliably process the voluminous nonwoven strips. Owing to their high take-up, the binding warp yarns were supplied directly from a creel at minimal tension. Experimental investigations demonstrated that excessive binding warp tension leads to local compression of the insulation material and consequently reduces thermal performance. Therefore, an optimal tension level was identified that ensured stable shed formation while minimizing compression.

Reliable insertion of the nonwoven-yarn composite further required adaptation of the shed closing sequence. While the edge regions employed an earlier shed closing to improve weft fixation, the shed closing of the binding warp yarns was deliberately delayed. This configuration prevented displacement of warp yarns by the bulky nonwoven strip during insertion and thereby preserved structural accuracy. Successful commissioning of the complete system demonstrated the feasibility of automated inline integration of high-performance insulation materials into integral woven chambered structures (Figure 5).

Thermodynamic validation

The final evaluation of the developed chambered structures involved a comprehensive characterization of their thermal and mechanical performance in comparison with conventional quilted structures. Thermal analyses were conducted using the Guarded Hot Plate method in accordance with DIN EN 12667 and supplemented by infrared thermography.

A primary objective was the reduction of thermal transmittance and the improvement of surface temperature homogeneity through the elimination of structural thermal bridges. The results demonstrated that the continuous, largely uncompressed insulation layer and the offset arrangement of the insulation chambers significantly enhanced thermal performance. While the conventional quilted reference structure exhibited a thermal conductivity of λ = 0.056 Wm−1K−1, the developed two-layer offset chamber structure achieved a value of λ = 0.037 Wm−1K−1, corresponding to an improvement of 33.9 %.

Infrared thermography further confirmed the superior temperature homogeneity of the developed structures. Whereas the quilted reference exhibited a surface temperature range of 12.6 K due to local compression at seam locations, the offset chambered nonwoven structure reduced this value to only 3.5 K.

In addition to thermal performance, the mechanical properties of the materials and structures were evaluated. Overall, the validation results demonstrate that the developed nonwoven thermo-fabrics outperform conventional quilted systems with respect to thermal efficiency, mechanical performance, and process stability.

Summary and Outlook

Within the framework of the research project, a novel weaving technology for the integral production of highly efficient chambered insulation structures with integrated heating functionality was developed. The primary objective was to overcome the technological limitations of conventional quilted insulation structures, particularly the occurrence of thermal bridges at seam locations and the high manufacturing effort associated with multi-stage production processes by the development of a process chain (Figure 6).

The core innovation of the developed technology is a modular retrofit system for the inline preparation and integration of nonwoven strips. This module enables high-performance insulation materials to be slit longitudinally, cut to length, and reinforced through a permanent bond with a load-bearing auxiliary yarn by means of ultrasonic welding. As a result, the nonwoven strips can be reliably processed as weft material on rapier weaving machines.

Based on simulation-driven thermodynamic design using a validated MATLAB finite element model, multilayer woven structures with offset chamber arrangements were developed. This specific structural configuration effectively minimizes thermally conductive pathways and substantially reduces the formation of structural thermal bridges. The technological implementation was realized on a Jacquard weaving machine. Through the use of complementary weave constructions, both the binding warp attachment points and the integrated heating structures could be visually concealed within the fabric architecture, resulting in an aesthetically homogeneous surface appearance.

Validation of functional prototypes and a vest demonstrator confirmed a significant improvement in thermal insulation performance compared with the current state of the art. The developed structures achieved a thermal conductivity of λ = 0.037 Wm−1K−1, compared to λ = 0.056 Wm−1K−1 for the conventional quilted reference structure, corresponding to an improvement of 33.9 %. Simultaneously, surface temperature homogeneity was substantially enhanced, with the temperature range decreasing from 12.6 K for the reference structure to less than 4 K.

Owing to its modular design and the process guidelines established within the project, the developed technology is readily scalable and suitable for industrial implementation, particularly by small and medium-sized enterprises operating in the sportswear, outdoor, and automotive sectors.

Acknowledgement

The IGF-Project 01IF22817N of the research association Forschungskuratorium Textil e.V., Wallstraße 58/59, 10179 Berlin, was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy via the German Aerospace Center (DLR) as part of the program for the promotion of Industrial Collective Research (IGF) based on a resolution of the German Bundestag.

The authors would like to thank the aforementioned institutions for providing the financial resources. The research report and further information are available from the institute of Textile Machinery and High Performance Material Technology at TU Dresden.

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

Zielsetzung und Lösungsweg

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

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

Ergebnisse

Prozesskette zur integralen Fertigung von Vlies-Thermogeweben

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

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

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

Simulationsgestützte thermodynamische Auslegung der Strukturen

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

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

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

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

Sturktur- und Bindungsentwicklung für mehrlagige gekammerte Gewebe

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

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

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

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

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

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

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

Konstruktiv-technologische Entwicklung des Moduls zur Vlies-Integration

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

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

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

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

Technologische Umsetzung und Inline-Fertigung der Funktionsmuster

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

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

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

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

Thermodynamische und textilphysikalische Validierung der Ergebnisse

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

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

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

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

Zusammenfassung und Ausblick

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

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

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

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

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

Danksagung

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

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

Literatur

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

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

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

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

 

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

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[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)

 

Einleitung:

Kletterseile zählen zu den sicherheitskritischsten Ausrüstungsgegenständen im Bergsport und unterliegen strengen Regulierungen und müssen höchsten Sicherheitsstandards entsprechen, besonders hinsichtlich der dynamischen Leistung. [DIN EN 892] Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden nahezu ausschließlich Seile aus Polyamid 6 (PA6) verwendet, da dieses Polymer aufgrund seiner molekularen Struktur Sturzenergie über große reversible Dehnungen aufnehmen und dissipieren kann und zugleich eine hohe Scheuerfestigkeit aufweist [McL06] Die industrielle Erzeugung von PA 6 aus fossilen Rohstoffen ist jedoch energieintensiv und mit einem hohen Ressourcenverbrauch sowie relevanten CO₂-Emissionen verbunden. Dadurch ist die Herstellung von PA 6 als primärem Rohstoff für ca. 50 % des Treibhauspotenzials eines Seilprodukts verantwortlich. [BRS21] Angesichts zunehmender regulatorischer und ökologischer Anforderungen rückt die Rückführung gebrauchter Seilprodukte in den Fokus. Konzepte zur stofflichen Wiederverwertung technischer Textilien eröffnen die Möglichkeit, Materialströme zu schließen, Primärrohstoffe zu substituieren und die Umweltwirkungen über den gesamten Produktlebensweg hinweg zu reduzieren.

Das Recycling von gebrauchten Kletterseilen stellt besondere Anforderungen, da neben nutzungsbedingten Verunreinigungen auch material- und prozessbedingte Bestandteile aus der Herstellung berücksichtigt werden müssen. Dazu zählen unter anderem Farbstoffe und Beschichtungen, die im Zuge nachgelagerter Prozessschritte appliziert werden und im Recyclingprozess als Störstoffe auftreten können. Zusätzlich werden die Polymerketten der Kletterseile bei intensiver Nutzung im Outdoor-Bereich, insbesondere durch UV-Strahlung, geschädigt und teilweise abgebaut, was zu einer Materialdegradation führt. Um ein hochwertiges Regranulat zu erzeugen, ist eine umfassende Analyse des Materials daher essenziell. Mithilfe dieser Analysen werden vorhandene Verunreinigungen sowie der Zustand der Polymerketten untersucht. Auf dieser Grundlage können gezielte Maßnahmen zur Reinigung, Entfernung von Störstoffen und zur Wiederherstellung bzw. Verlängerung der Polymerketten eingeleitet werden.

 

 

Problemlösung:

Im Projekt RecyKlett wird ein Ansatz zur Wiederverwertung gebrauchter Kletterseile aus PA6 verfolgt. Ziel ist es, ausgediente Seile so aufzubereiten, dass sie erneut als Rohstoff für die Herstellung hochwertiger Garne eingesetzt und anschließend zu dynamischen Kletterseilen weiterverarbeitet werden können. Zu Beginn werden gebrauchte Kletterseile untersucht, um material- und prozessrelevante Veränderungen durch Nutzung und Alterung zu erfassen. Auf Grundlage dieser Ergebnisse entwickelt Hoffmann und Voss geeignete Aufbereitungsverfahren zur Herstellung eines schmelzspinnfähigen Regranulats. Die gewonnenen Materialien werden anschließend am ITA zu technischen Filamentgarnen verarbeitet, wobei ein besonderer Fokus auf der Auslegung profilierter Filamente liegt, deren gezielt gestaltete Querschnittsgeometrie dazu dient, mögliche materialbedingte Eigenschaftsverluste auszugleichen und mechanische sowie tribologische Anforderungen für den Einsatz in Kletterseilen sicherzustellen. Parallel dazu werden bei EDELRID angepasste Seilkonstruktionen und Verarbeitungsstrategien untersucht, um profilierte und funktionalisierte Recyclinggarne schädigungsfrei in komplexe dynamische Seilstrukturen zu integrieren und deren Leistungsfähigkeit im Gesamtsystem sicherzustellen. Die Projektübersicht ist in Abbildung 1 dargestellt.

s. Abbildung 1 "Prozesskette zum thermomechanischen Recycling von Kletterseilen"

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

Literatur:

[BRS21] Bradford, S.; Rupf, R.; Stucki, M.: Climbing ropes – Environmental hotspots in their life cycle and potentials for optimization. - Sustainability, 2021, Band 13, H. 2, S. 707

[DIN EN 892] DIN EN 892: Bergsteigerausrüstung – Dynamische Bergseile – Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfverfahren

[McL06] McLaren, A. J.: Design and performance of ropes for climbing and sailing. - Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 2006, Band 220, H. 1, S. 1-12

Within the IGF project 01IF22946N (“Durchströmbare Rohrknoten”), the ITM conducted the complex structural and weave pattern development of a woven thick-walled T- and Y-shaped pipe joint for media transport based on the application of reversing warp yarns.

Introduction

Pipeline systems constitute essential functional components in numerous industrial applications, particularly in chemical plant engineering, mechanical and automotive engineering, as well as in energy and environmental technologies. In addition to straight pipe sections, branches in the form of T- and Y-shaped pipe joints represent safety-critical components whose structural integrity decisively determines the operational reliability of the overall system. Especially in pressure-loaded media lines, complex three-dimensional stress states arise in the transition zone between the main pipe and the branch, imposing stringent requirements on both material and structural design. While established manufacturing processes such as filament winding and centrifugal casting are available for straight fiber-reinforced composite (FRC) pipes, no integral and industrially scalable solutions currently exist for highly load-bearing, fiber-reinforced polymer (FRP) pipe joints for media transport. Fiber-reinforced polymers (FRP) offer significant potential for pipeline systems due to their low weight, high specific strength, and corrosion resistance.

Metallic pipe joints are typically manufactured by welding and are associated with high mass, susceptibility to corrosion, and mandatory inspections of weld seams. Although filament-wound composite solutions enable a higher pressure resistance, the fiber orientation in the branching region is not aligned with the principal load paths, resulting in structural overdimensioning and increased material consumption. Consequently, textile-based approaches with load-path-oriented structural design are particularly promising. In particular, the weaving technology developed at ITM enables the realization of structurally complex pipe joints through sophisticated weave architectures. However, the previously developed woven 3D node elements are, due to weave and technological constraints, internally separated and therefore unsuitable for media-conveying pipeline systems [1, 2]. This results in a fundamental conflict between integral textile manufacturing and the required flow capability of the components. Against this background, there was a substantial need for research aimed at developing a novel weaving technology incorporating a dedicated warp yarn reversal module, enabling for the first time the integral production of flow-through FRP pipe joints with load-path-optimized fiber architecture.

Objectives

The objective of the project was the development of a simulation-based process chain for the integral manufacturing of woven pipe joints for media transport up to the consolidated composite component for internally pressurized FRP pipeline systems. First, a structural-mechanical design was carried out based on macro- and mesoscopic finite element models. The aim was to determine the principal stress directions in the joint region and to derive a load-path-oriented fiber architecture, particularly within the branching zone. Based on the simulated, load-adapted fiber orientations, the complete and highly complex weave architectures of the three-dimensional pipe joints were developed.

A key technological innovation was the development and implementation of a modular add-on system for warp yarn reversal on Jacquard weaving machines. This system enables, for the first time, the controlled deflection of selected warp yarns at the fabric edge and thereby establishes the prerequisite for forming an open, flow-through branching region while simultaneously realizing a load-path-optimized reinforcement structure. Only through the implementation of the warp yarn reversal module, fiber trajectories can be aligned with the principal stress directions without structurally separating the internal cavity between the main pipe and the branch. Material overdimensioning in the branching region, that is typical of filament-wound pipe joints, was completely eliminated using this approach. Validation was carried out using three functional prototypes and a three-dimensional FRP demonstrator in the form of T- and Y-shaped pipe joints. The developed FRP pipe joints were successfully manufactured and demonstrated.

Results

Process chain for the manufacturing of woven FRP pipe joints

Integrally woven three-dimensional FRP pipe joints are based on tubular multilayer fabrics produced on a shuttle weaving machine equipped with at least four shuttles. A prerequisite for forming a tubular structure is a circumferential weft yarn insertion, i.e., a closed fabric edge, enabling a seamless pipe wall configuration. This structural feature can only be realized using shuttle weaving technology. The primary challenge in manufacturing pipe joints lies in combining a tubular structure with a branching geometry that features a continuous wall structure while maintaining an open internal cavity.

The pipe joint is initially produced in a two-dimensional state as a 2.5D woven structure. The transformation into the three-dimensional geometry is subsequently achieved by the targeted and automated removal of excess lengths of floating warp yarn within the fabric, causing the textile structure to deploy into the intended three-dimensional shape.

The complete manufacturing process (Figure 1) of an integrally woven pipe joint begins with the definition of the target geometry, including diameter, wall thickness, pipe lengths, and branching angle. Based on these parameters, a CAD model of the final geometry is created. The surfaces defined in the model are then flattened into the plane, taking into account the required layer architecture, in order to generate a colour-coded image from the developed surfaces.

Subsequently, an individual weave pattern is developed for each coloured area within this colour image. These partial weave patterns are combined into an overall weave pattern using weave design software (EAT DesignScope Victor). The corresponding machine control data are generated and transferred to the weaving machine. In the subsequent weaving process, the 2.5D preform is manufactured integrally according to the developed weave architecture. After completion of the weaving process, the textile preform is automatically shaped into the previously defined three-dimensional pipe joint geometry.

The final FRP component is produced by consolidating the preform using a resin transfer molding (RTM) process with a tool adapted to the outer diameter of the pipe joint. After demolding, the manufacturing process is completed by final trimming of the component.

Simulation-based design of pipe joints for media transport

The development of pipe joints for media transport requires a load-path-oriented design of the warp yarn systems. A boundary condition of the simulation was the arrangement of warp and weft yarn systems in such a way that no structural separation of the internal cavity between the main pipe and the branch occurs, thereby ensuring the flow capability of the pipe joint.

To this end, the stress distribution within the pipe joint geometry under internal pressure loading was first determined numerically. The highest stresses occur in the transition zone between the main pipe and the branch (Figure 2). This region therefore represents the governing design zone for the fiber architecture.

Based on the calculated stress distribution, a load-path-oriented architecture of the warp yarns was defined in order to fully exploit the tensile properties of the warp yarn material. This optimized warp yarn architecture forms the basis for the subsequent weave development of the pipe joints for media transport.

Development of Prototypes

The development of the weave architecture for an integrally woven pipe joint begins with a three-dimensional CAD model of the joint geometry. The simulated warp yarn systems and their trajectories are color-coded in Figure 3 (left).

Subsequently, the surfaces of the model are flattened into the plane and merged into a color-coded image. Each colored area represents a structurally induced modification within the woven architecture.

For each color-coded area, individual weave patterns are developed and subsequently combined into a unified weave pattern of an integrally woven pipe joint for media transport using the software EAT DesignScope Victor. This integration is achieved through the coordinated control of the shuttles, the fabric take-up system, and the assignment of heddles.

Development of a Warp Yarn Reversal Module

The developed weave patterns were transferred to the shuttle weaving machine “Mageba SL RTEC1200/1” and manufactured using four shuttles. In order to realize the load-path-oriented warp yarn trajectories, an additional module for processing reversing warp yarns is required. This module was designed as a CAD model, taking into account the available installation space in the take-up area of the weaving machine, and subsequently integrated into the machine. The module can be implemented cost-effectively and is adaptable and retrofittable to other weaving machines.

The functional principle for processing reversing warp yarns is based on joining two predefined warp yarns prior to the start of fabric production, thereby forming a loop. The connection point is displaced from the weaving zone toward the creel to make sure it does not become part of the woven pipe joint to be produced. This procedure is repeated until all warp yarns designated for reversal in the two fabric layers are present as loops.

To apply a warp yarn tension comparable to that of the continuously running warp yarns, the loops are integrated into the fabric take-up system by means of the module. The warp yarn tensions of both yarn types were recorded and analyzed using a warp tension measuring device. Both the controlled fixation of the warp yarn loops and their integration into the fabric take-up system represent central functions of the developed warp yarn reversal module.

Application of the module and manufacturing of the prototypes

After the formation of the warp yarn loops, the textile preform is manufactured. In the first section of the pipe joint, the loop-forming warp yarns initially remain fully floating. Following the production of the oval branching region, these warp yarns are integrated into the structure in a regular manner.

From the oval region onward, the use of four shuttles becomes necessary in order to realize the superimposed tubular fabric layers in the second section of the pipe joint. Within the oval region, one shuttle inserts a separate weft yarn that supports the formation of the oval fabric edge. The manufactured textile preform is shown in Figure 4.

For the reproducible production of this highly complex weave architecture, uniform weft insertion is essential. In particular, during the fabrication of the oval region, the weft yarns must reverse within the fabric structure rather than being inserted across the full fabric width, as is typical in conventional weft insertion. The precision of this process step significantly influences both the quality of the three-dimensional pipe joint geometry and the quality of matrix infiltration during consolidation. The textile preforms were successfully manufactured (Figure 4).

3D-shaping and consolidation of the woven prototypes

To transform the 2.5D preform into the three-dimensional structure, a dedicated 3D-shaping process developed specifically for pipe joints with flow capability is applied. A shape-defining internal core is inserted into the tubular structure, defining the target contour during the shaping process. The 3D-shaping is achieved by the targeted elimination of the excess warp yarn lengths introduced during the geometric flattening process. These excess lengths are withdrawn from the structure at the cut edge of the woven structure. A process-specific sequence to eliminate the floating warp yarns must be strictly followed in order to prevent material damage and to reproducibly achieve a precise warp yarn alignment after the shaping process. An automation concept for this shaping technology was developed.

Since the warp yarn loops in the first section of the fabric remain floating up to the edge of the oval region, the corresponding warp yarn excess lengths can be withdrawn. As a result, this warp yarn system is integrated into only one half of the woven structure within the pipe joint. After the preform has been shaped into its three-dimensional configuration, consolidation is carried out. An RTM tool specifically adapted to the contour of the flow-through pipe joint was designed and manufactured (Figure 5). The result after consolidation is a fully consolidated T-joint for media transport with high surface quality and reproducible geometric accuracy.

The material overdimensioning in the branching region typical of filament-wound FRP pipe junctions was completely eliminated through the integral, fabric-based manufacturing approach employing reversing warp yarns.

Summary and Outlook

FRP pipe joints can, for the first time, be manufactured both integrally woven and flow-capable by means of an add-on module for existing shuttle weaving machines. The textile preform is produced in a single-stage weaving process. Following a 3D-shaping procedure specifically developed for the novel yarn architectures, the 2.5D preform can be consolidated into a load-bearing lightweight FRP pipe branch using established RTM processes.

The weave patterns developed, along with the underlying design methodology, can be made available to SMEs for industrial implementation. The geometry of the pipe joint (diameter, wall thickness, pipe lengths, and branching angle) can be individually adapted with minimal modification effort. In addition to T-joints, Y-shaped pipe joints can also be manufactured using the newly developed methodology and weave system, enabling application-specific realization of different topologies.

The results achieved within this project form the foundation for a scalable and load-path-optimized manufacturing technology for FRP pipe joints for media transport.

 

Acknowledgement

 The IGF project 01IF22946N of the research association Forschungskuratorium Textil e.V., Wallstraße 58/59, 10179 Berlin, was funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy via the German Aerospace Center (DLR) as part of the program for the promotion of Industrial Collective Research (IGF) based on a resolution of the German Bundestag.

The authors would like to thank the aforementioned institutions for providing the financial resources. The research report and further information are available from the Institute of Textile Machinery and High Performance Material Technology at TU Dresden.

 

References

 

 

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

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

 

Einleitung

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

Zielsetzung und Lösungsweg

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

Ergebnisse

Fadenförmige Sensormaterialien

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

Entwicklung und Herstellung von Funktionsmustern

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

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

Entwicklung von Kontaktierungslösungen

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

Beschichtung des textilen Halbzeugs mit integrierter Sensorstruktur

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

Charakterisierung der Membran mit integrierter Sensorik

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

Entwicklung von Algorithmen zur vollflächigen Dehnungszustandserfassung

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

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

 

Zusammenfassung und Ausblick

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

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

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

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

Danksagung

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

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

Literatur

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

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

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

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

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

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

 

1.         Abstract

See „abstract for TEXCAMPUS“

 

2.         Introduction

Our society is undergoing change: education, study and work, but also the shortage of housing in urban centres, are placing increasing demands on citizens' mobility [1]. At the same time, travel is proving to be an unsustainable solution in terms of its ecological and economic consequences [2]. Social distancing during the COVID-19 pandemic exacerbated the separation of families, friends, club members and church communities. According to [3], 69% of respondents did not have any private meetings during the coronavirus measures in 2020. At the same time, the pandemic accelerated the digitalisation of social interaction. One in two people aged 16-29 used video calls to communicate with family and friends [4]. While these developments appear welcome in terms of resource efficiency, there are also negative effects of digital communication that lack social proximity: video conferences cannot replace real meetings; there is a lack of spontaneity, non-verbal communication, playfulness and emotionality. So-called ‘Zoom fatigue’ is becoming widespread [5]; people are rarely willing to hold private video conferences with family and friends.

The aim of the three-year BMFTR project SPIELEND is to develop a system that enables physical and emotional immersion in the context of playful interaction at a distance in order to intensify a feeling of closeness. Well-known game concepts are used, further developed and expanded to include sensory qualities, in particular through polymer optical fibres (POF) and 4D textiles. This makes it possible to support loved ones who suffer from the social side effects of physical separation. Smart textiles are being used in particular to enhance sensory qualities. The study focuses on the factors influencing social presence, such as the representation of fellow players, multimodal stimulation and game elements, including joint activities.

3.         Materials and methods

Two types of smart textiles are used for physical distance interaction: textile emitters in the form of polymer optical fibres (POF) and 4D textiles.

POFs are designed either as end-light fibres or side-light fibres. End-light fibres conduct the coupled light from the end of the fibre closest to the light source to the end furthest from the light source. Side-light fibres, on the other hand, also emit light across the entire surface of the POF. End-lighting POF can therefore be used for spot lighting and, when integrated into a textile structure, for line lighting. Side-lighting POF can be used for line lighting and, when integrated into a textile structure, for area lighting (see Fig. 1). All commercial plastic light-conducting fibres consist of two polymer materials. One is polymethyl methacrylate (PMMA) in the fibre core. The other is a fluoropolymer in the fibre cladding. Commercial POF is therefore contaminated with PFAS. As part of the project, possible alternative cladding materials are being investigated and PFAS-free POF is being produced using the bicomponent melt spinning process.

see Fig. 1 Illustration of various application options for end-lighting POF and side-lighting POF

Common materials for textile actuators are PLA (polylactide) and TPU (thermoplastic polyurethane). Critical factors for textile actuators are the adhesion properties and ensuring the flexibility of the textile. For the vibration propagation structure, the polymers TPU and PLA were considered, as well as the two textiles Eurojersey and Buttinette.

 

4.         Results

Through theoretical material screening based on optical, thermal and economic evaluation criteria, the following polymers were identified as possible alternatives to the fluorinated material currently in use: polymethyl pentene (PMP) and polylactic acid (PLA) – with the former appearing more promising in preliminary practical tests. Through material screening based on optical, rheological and thermal evaluation criteria, three types of polymethylpentene (PMP grades) were selected for testing: TPX MX002, TPX DX820 and TPX RT18 – all from Mitsui Chemicals, Inc., Tokyo (Japan) (see Fig. 2). Through multiple iterative experimental analyses using bicomponent melt spinning tests and subsequent geometric, mechanical and optical evaluation methods, insights and improvements in the production of PFAS-free materials were achieved. PFAS-free POF with a roundness of over 99% was produced using the three PMP grades and PMMA 7N from Röhm GmbH, Darmstadt (Germany). The fineness-related strengths achieved are comparable to commercial POF. Using DX820 as the sheath material, a maximum sheath extruder temperature of 255 °C and a nozzle hole capillary diameter of 3.5 mm, PFAS-free POF (diameter 500 µm) with the lowest attenuation was produced.

see Fig. 2 Used Granulates

For the application of textile actuators on textiles, it was found that the common materials PLA and TPU can be printed using fused deposition modelling (FDM). TPU showed superior adhesion compared to PLA and was selected as a suitable material for smart textiles due to its better adhesion properties and flexibility. To identify suitable material combinations for the vibration propagation structure, the adhesion at the interface between the polymers and the textiles was systematically analysed. The results show that PLA has the best adhesion properties on Buttinette textiles, while TPU shows improved adhesion on Eurojersey textiles. These material combinations were determined to be optimal for the further development of the vibration propagation structure. As part of the investigation of textile actuators, TPU and Eurojersey were identified as a suitable material combination. The selection was based on the soft texture of TPU and its improved adhesion to Eurojersey. These properties enable optimal interaction with the textile structure and are particularly advantageous for the implementation of tactile feedback (see Fig. 3).

see Fig. 3: Vibration propagation structure

5.         Summary

The SPIELEND project represents an innovative approach on two levels to expand the experience of digital games for remote interaction and thus make them more accessible (see Fig. 4). Vibration propagation structures on textiles are being explored to make the gaming experience physically tangible. This allows feedback to be passed on directly to the player. Thermoplastic polyurethane on a Eurojersey textile was found to be the best material combination. On the other hand, the use of light-conducting fibres made of plastic (polymer optical fibre, POF) makes it possible to enhance the gaming experience with realistic visual stimuli. For this purpose, PFAS-free POF was designed theoretically and manufactured practically using the bicomponent melt spinning process, which means that it is not contaminated with fluorinated substances.

see Fig. 4: Smart vest with POF light strip, vibration amplification structure and control via RoboHeart from project partner Augmented Robotics

6.         Acknowledgement

We would like to thank the Federal Ministry of Research, Technology and Space (BMFTR) for funding the SPIELEND research project (FKZ: 16SV9098). We would also like to thank everyone involved in this project for their contributions and commitment.

 

7.         Bibliography

[1]        Deutschland Bundeszentrale für Politische Bildung, Datenreport 2021 ein Sozialbericht für die Bundesrepublik Deutschland. 2021.

[2]        Europäische Kommission und Generaldirektion Mobilität und Verkehr, „EU transport in figures: statistical pocketbook 2021“. Publications Office, 2021. Accessed: 11. February 2022. [Online]. Available at: https://data.europa.eu/doi/10.2832/733836

[3]        „Statista: Häufigkeit von privaten Treffen pro Woche vor und während der Corona-Maßnahmen 2020“, 2020. https://bit.ly/3BlCgOj. Accessed: 11. February 2022.

[4]        „Statista: Umfrage zu erhöhter Nutzung von Videoanrufen während der Corona-Krise nach Alter 2020“. https://bit.ly/3HOOG3n. Accessed: 11. February 2022.

[5]        J. N. Bailenson, „Nonverbal Overload: A Theoretical Argument for the Causes of Zoom Fatigue“, Technol. Mind Behav., Bd. 2, Nr. 1, Feb. 2021, doi: 10.1037/tmb0000030.

 

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

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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

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[KR22] Kletti, J.; Rieger, J.:
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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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[2] Udelsman, Brooks ; Mathisen, Douglas J. ; Ott, Harald C.: A reassessment of tracheal substitutes-a systematic review. In: Annals of Cardiothoracic Surgery 7 (2018), Nr. 2, S. 175–182. URL https://www.annalscts.com/article/view/16458/16661

[3] BVMed: BVMed informiert über Tracheotomie- und Laryngektomie-Versorgung. URL https://www.bvmed.de/verband/presse/pressemeldungen/bvmed-informiert-ueber-tracheotomie-und-laryngektomie-versorgung. – Aktualisierungsdatum: 2016-05-19 – Überprüfungsdatum 2025-10-15

[4] Canzano, F. ; Aggazzotti Cavazza, E. ; Mattioli, F. ; Ghidini, A. ; Bottero, S. ; Presutti, L.: Step-by-Step Tracheal Resection with End-to-End Anastomosis. In: Ghidini, Angelo; Mattioli, Francesco; Bottero, Sergio; Presutti, Livio (Hrsg.): Atlas of Airway Surgery : A Step-by-Step Guide Using an Animal Model. Cham : Springer International Publishing, 2017, S. 75–82

[5] Wemer, Richard D. ; Detamore, Michael ; Weatherly, Robert A.: Immunohistochemical characterization of the rabbit tracheal cartilages. In: Journal of Biomedical Science and Engineering 03 (2010), Nr. 10, S. 1007–1013

[6] Damiano, Giuseppe ; Palumbo, Vincenzo Davide ; Fazzotta, Salvatore ; Curione, Francesco ; Lo Monte, Giulia ; Brucato, Valerio Maria Bartolo ; Lo Monte, Attilio Ignazio: Current Strategies for Tracheal Replacement: A Review. In: Life 11 (2021), Nr. 7, S. 618. URL https://www.mdpi.com/2075-1729/11/7/618

[7] Rettinger, Gerhard ; Hosemann, Werner ; Hüttenbrink, Karl-Bernd ; Werner, Jochen Alfred: HNO-Operationslehre : Mit allen wichtigen Eingriffen. 5., vollständig überarbeitete Auflage. Stuttgart : Thieme, 2018

[8] A. Berghaus: Alloplastischer Trachealersatz. In: Herz-, Thorax- und Gefässchirurgie 1987 (1987), Band 1. URL https://epub.ub.uni-muenchen.de/6218/1/6218.pdf – Überprüfungsdatum 2025-10-15

 

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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