Research publications

Reset
21.07.2025

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Entwicklung gewirkter Anbindungsimplantate zur Weichteilrekonstruktion

Knittings Technical Textiles Medicine

Abstract

Die erfolgreiche Therapie von Knochendefekten stellt eine immense Herausforderung dar und hat eine große gesellschaftliche und medizinische Relevanz, insbesondere bei einer immer älter werdenden Gesellschaft. Jede Implantation einer Endoprothese geht mit einem Verlust von Knochen und dem umliegenden Weichgewebe einher, dessen Anbindung an die Endoprothese für die Funktionalität jedoch unerlässlich ist. Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojektes IGF-Projektes 21998BR des ITM und OUPC wurde deshalb ein textiles Anbindungsimplantat entwickelt, das eine einfache Anpassung und universelle Anbindung des Weichgewebes an eine Endoprothese erlaubt.

Report

Ausgangssituation und Problemstellung

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

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

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

Entwicklung des umlaufenden Schusseintragssystems

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

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

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

Entwicklung des gewirkten Anbindungsimplantats

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

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

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

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

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

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

Zusammenfassung

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

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

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

Danksagung

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

Literaturverzeichnis

[1]    Schmolders, J. ; Koob, S. ; Schepers, P. ; Gravius, S. ; Wirtz, D.C. ; Burger, C. ; Pennekamp, P.H. ; Strauss, A.C.: Tumorprothesen in der endoprothetischen Revisionschirurgie der unteren Extremität – Ergebnisse von 25 Patienten nach Versorgung mit einem modularen Tumor- und Revisionssystem (MUTARS®). In: Zeitschrift fur Orthopadie und Unfallchirurgie 155 (2017), Nr. 1, S. 61–66

[2]    Nottrott, M. ; Streitbürger, A. ; Höll, S. ; Gosheger, G. ; Hardes, J.: 9 Tumorendoprothetik. In: Krukemeyer, M. G.; Möllenhoff, G. (Hrsg.): Endoprothetik : Ein Leitfaden für den Praktiker. 3. Aufl. : De Gruyter, 2012, S. 203–221

[3]    Calori, G.M. ; Mazza, E.L. ; Vaienti, L. ; Mazzola, S. ; Colombo, A. ; Gala, L. ; Colombo, M.: Reconstruction of patellar tendon following implantation of proximal tibia megaprosthesis for the treatment of post-traumatic septic bone defects. In: Injury 47 (2016), S77-S82

[4]    Hardes, J. ; Ahrens, H. ; Gosheger, G. ; Nottrott, M. ; Dieckmann, R. ; Henrichs, M.-P. ; Streitbürger, A.: Komplikationsmanagement bei Megaprothesen. In: Der Unfallchirurg 117 (2014), Nr. 7, S. 607–613

[5]    Hillmann, A. ; Ipach, I.: Tumorendoprothetik : Stellenwert in der modernen Revisionsendoprothetik. In: Der Orthopade 44 (2015), Nr. 5, S. 375–380

Authors: Laura Pietz Anke Golla Paul Penzel Michael Wöltje Stefan Zwingenberger Jens Goronzy Hagen Fritzsche Klaus-Dieter Schaser Chokri Cherif

Contact:

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

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

Medizintextilien Implantat Gewirke Knochendefekt

Downloads:

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

more close Print
18.06.2025

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Entwicklung von kettengewirkten Tapes für das kurvenbahngerechte Tapele-gen als Basis für die materialeffiziente Fertigung lastpfadgerechter, bionischer FKV-Bauteile

Knittings Composites Technical Textiles

Abstract

Im IGF-Vorhaben 22653 BR wurde ein neuartiges textilbasiertes Halbzeug zur ressourcenschonenden Fertigung lastpfadgerechter, bionischer Faserverbundbauteile entwickelt: das Curvy Tape. Ziel war die Herstellung kettengewirkter Tapes als Endlosfaserband, die sich auch auf komplex gekrümmten Geometrien faltenfrei und lagegenau ablegen lassen. Zentrale Innovation ist das Prinzip der Fadenreserve: Die Curvy Tapes verfügen über segmentierte, gegeneinander verschiebbare Faserbändchen, deren Scherbarkeit gezielt durch Wirkparameter wie Stichlänge, Bindung und Wirkfadenspannung einstellbar ist.

Ein simulationsgestütztes Auslegungstool erlaubt die präzise Vorhersage geeigneter Tapeparameter in Abhängigkeit von Bauteilgeometrie, Faserart und Ablagepfad. Die entwickelten Fertigungs- und Ablagekonzepte wurden prototypisch umgesetzt, u. a. durch nachrüstbare Zusatzmodule für Multiaxial-Kettenwirkmaschinen. Anhand eines Kotflügel-Demonstrators konnte die technische Machbarkeit und wirtschaftliche Vorteilhaftigkeit validiert werden. Der Materialverschnitt wurde im Vergleich zu herkömmlichen sequenziellen Preformverfahren bei gleicher Leistungsfähigkeit halbiert, die strukturelle Überdimensionierung um bis zu 30 % reduziert. Die Technologie ist insbesondere für KMU attraktiv, da sie eine hohe Produktqualität mit niedrigen Investitionskosten kombiniert. Curvy Tapes eröffnen neue Perspektiven für den FKV-Leichtbau in Mobilität, Energie und Maschinenbau.

Report

Ausgangssituation und Problemstellung

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

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

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

Ergebnisse

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

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

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

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

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

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

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

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

Zusammenfassung

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

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

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

Danksagung

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

Literaturverzeichnis

Literaturverzeichnis

[1]    Bundesministerium für Wirtschaft und Energie: Fachprogramm Neue Fahrzeug- und Systemtechnologien. URL www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Technologie/fahrzeug-und-systemtechnologien.html – Überprüfungsdatum 2025-05-09

[2]    Ehlerding, S.: Leichtbaustrategie für mehr Klimaschutz. In: Tagesspiegel (2021-01-20)

[3]    Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie: „Leichtbau-Perspektiven für Deutschland“ - Ergebnisse aus dem Strategieprozess der Initiative Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) : Erscheinungsdatum: 19.01.2021. URL www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/E/eckpunkte-f%C3%BCr-eine-leichtbau-strategie.pdf?__blob=publicationFile&v=8 – Überprüfungsdatum 2025-05-09

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

[5]    Cherif, C. (Hrsg.): Leichtbau mit Textilverstärkung für Serienanwendungen : Bindematerialien - Textile Preforms - Verbundbauteile ; Buch zum DFG-AiF-Clustervorhaben - Leichtbau und Textilien. Dresden : Verl. Wissenschaftliche Skripten, 2013

[6]    Cherif, C.: Textile Werkstoffe für den Leichtbau : Techniken - Verfahren - Materialien - Eigenschaften. Berlin, Heidelberg : Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011

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

[8]    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 2022-01-26

[9]    Howell, E. ; Geyer, C.: Interview with Christoph Geyer. In: Reinforced Plastics 63 (2019), Nr. 2, S. 76–78

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

[11]  Brasington, Alex ; Sacco, Christopher ; Halbritter, Joshua ; Wehbe, Roudy ; Harik, Ramy: Automated fiber placement: A review of history, current technologies, and future paths forward. In: Composites Part C: Open Access 6 (2021), S. 100182

[12]  Hofbauer, Daniel: Herstellung endlosfaserverstärkter, thermoplastischer Halbzeuge für Karosseriestrukturbauteile in Großserie. In: Technologies for Lightweight Structures (TLS) 1 (2017), Nr. 1

[13]  Kuroda, Yoshito: Kunststoffe mit unidirektionaler Verstärkung für die Serie. In: Lightweight Design 11 (2018), Nr. 5, S. 82–85

[14]  Altstädt, Volker ; Spörrer, Andreas ; Mühlbacher, Mathias ; Michel, Peter ; Seidel, Sonja: Großserientauglicher Hochleistungsleichtbau mit UD-Tapes. In: Lightweight Design 5 (2012), Nr. 2, S. 18–25

[15]  Ufer, J. ; Göttinger, M. ; Hersbeck, L.: Preform Technology for High Volume Manufacturing of Long Fiber Reinforced Structures (LCC Symposium). München, 2014

[16]  YouTube: We are COMPOSITES: Fiber Placement Center. URL https://www.youtube.com/watch?v=zZhTDG2GoEU. – Aktualisierungsdatum: 2021-11-30 – Überprüfungsdatum 2025-05-09

Authors: Konrad Zierold Paul Penzel Chokri Cherif

Contact:

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

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

Faserverbundwerkstoffe Composite Leichtbau Ressourceneffizienz Bionik Kettenwirken Simulation Tapes

Downloads:

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

more close Print
11.06.2025

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

PE-based, spun-dyed and sustainable clothing made from organic raw materials

Fibres Yarns Knittings Recycling Sustainability Fashion

Abstract

The bioPEtex project in the BIOTEXFUTURE Innovation Space aims to develop sustainable clothing made from bio-based raw materials in the form of spun-dyed T-shirts. In an industry heavily dominated by fossil-based polymers such as polyester, bio-based polyethylene (bioPE), a bio-based polymer made from fermented starches or sugars, offers an environmentally friendly alternative. BioPE has the same properties as fossil-based PE and is fully recyclable. The use of spun-dyed bioPE also reduces energy and water consumption by 50 % and CO2 emissions by 60 %. The project involves the development of sustainably dyed compounds from bioPE for the spun-dyeing process and the development of multifilament yarns through melt spinning and false-twist texturing. The yarns are knitted on seamless machines and a T-shirt demonstrator is manufactured, which is finished with a sustainable elastic finish. The results will not only reduce the ecological footprint of the textile industry, but also promote innovative approaches to the circular economy.

Report

Introduction

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

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

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

Results

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

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

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

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

Summary

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

Acknowledgement

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

Bibliography

[AHL+21] Alberghini, M.; Hong, S.; Lozano, L. M.; Korolovych, V.; Huang, Y.; Signorato, F.; Zandavi, S. H.; Fucetola, C.; Uluturk, I.; Tolstorukov, M. Y.; Chen, G.; Asinari, P.; Osgood, R. M.; Fasano, M.; Boriskina, S. V.:
Sustainable polyethylene fabrics with engineered moisture transport for passive cooling
Nature Sustainability 4 (2021), H. 8, S. 715–724

[BBO+13] Baur, E.; Brinkmann, S.; Osswald, T. A.; Rudolph, N.; Schmachtenberg, E.; Saechtling, H.:
Saechtling Kunststoff Taschenbuch. 31. Ausgabe, [komplett überarb., aktualisiert und zum ersten Mal in Farbe]Aufl..- München: Hanser, 2013

[Fou99] Fourné, F.:
Synthetic Fibers. Hanser, München, 1999

[Pei18] Peijs, T.:
1.5 High Performance Polyethylene Fibers:
Comprehensive Composite Materials II: Elsevier, 2018, S. 86–126

[SB20] Siracusa, V.; Blanco, I.:
Bio-Polyethylene (Bio-PE), Bio-Polypropylene (Bio-PP) and Bio-Poly(ethylene terephthalate) (Bio-PET): Recent Developments in Bio-Based Polymers Analogous to Petroleum-Derived Ones for Packaging and Engineering Applications
Polymers 12 (2020), H. 8

[Tex22] Textile Exchange:
Preferred Fiber and Materials Market Report 2022
Burbank, California: 10/2022

[Wor17] Wortberg, G.:
Entwicklung polyethylenbasierter Precursoren für die thermochemische Stabilisierung zur Carbonfaserherstellung. Shaker Verlag, Dissertation,

 

Authors: M. Ortega J. Langer R. Morgenroth M. van Haren G. Mourgas A. Langer T. Gries

Contact:

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

Clothtech SportTec Oekotech

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
10.06.2025

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

PE-basierte, spinngefärbte und nachhaltige Kleidung aus Biorohstoffen

Fibres Yarns Knittings Recycling Sustainability Fashion

Abstract

Das Projekt BioPEtex im Innovationsraum BIOTEXFUTURE zielt darauf ab, nachhaltige Bekleidung aus biobasierten Rohstoffen in Form von spinngefärbten T-Shirts zu entwickeln. In einer Branche, die stark von fossilen Polymeren wie Polyester dominiert wird, bietet biobasiertes Polyethylen (BioPE), ein biobasierter Kunststoff aus fermentierten Stärken oder Zucker, eine umweltfreundliche Alternative. BioPE weist die gleichen Eigenschaften auf wie fossiles PE und ist vollständig recycelbar. Durch die Verwendung von spinngefärbtem BioPE können zudem der Energie- und Wasserverbrauch um 50 % gesenkt werden, während CO2-Emissionen um 60 % reduziert werden. Das Projekt umfasst die Entwicklung von nachhaltig eingefärbten Compounds aus BioPE für das Spinnfärbe-Verfahren sowie die Entwicklung von Multifilamentgarnen durch Schmelzspinnen und Falschdrahttexturierung. Die Garne werden auf Seamless-Maschinen verstrickt und ein T-Shirt-Demonstrator konfektioniert, welcher mit einer nachhaltigen elastischen Ausrüstung versehen wird. Die Ergebnisse werden nicht nur den ökologischen Fußabdruck der Textilindustrie verringern, sondern auch innovative Ansätze zur Kreislaufwirtschaft fördern.

Report

Einleitung

Die weltweite jährliche Chemiefaserproduktion wächst stetig und wird 2030 voraussichtlich 100 Mio. t überschreiten. Der Polyester (PES) Polyethylenterephthalat (PET) ist mit 80 % Marktanteil das meistgenutzte Polymer. Alleine die weltweite Kleidungsproduktion wurde zwischen 2000 und 2015 fast verdoppelt. Mittlerweile werden mehr als 80 % aller produzierten Fasern für Kleidung eingesetzt. Von weltweit produziertem PET werden 30 bis 60 % in Kleidung eingesetzt, also ca. 18 bis 36 Mio. t. So ist PET das meistgenutzte Material für Kleidung (Stand 2021). Die Textilindustrie steht somit vor enormen ökologischen Herausforderungen, insbesondere aufgrund des hohen Anteils an fossilen Rohstoffen in der Textilproduktion. Fossile Polyester machen etwa 52 % des Marktes aus und haben erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt und den Ressourcenverbrauch. Kunstfasern in Bekleidung werden zum Großteil aus diesen fossilen Polyestern mit Hauptbestandteil Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt, welches jedoch noch nicht zu 100 % biobasiert hergestellt wird. Kleidung aus 100 % Biopolymeren wird bisher nur in Studien und Leuchtturmprojekten gezeigt, da diese zu teuer für den Massenmarkt und nicht in ausreichender Menge vorhanden sind. Das Projekt bioPEtex verfolgt das Ziel, 100 % biobasiertes Polyethylen (BioPE) im Bekleidungsmarkt zu etablieren. Aus dem großvolumig vorhandenen thermoplastischen Drop-In-Polymer wird sortenreine und thermomechanisch recycelbare Kleidung hergestellt. Dazu muss das Defizit gelöst werden, dass PE nicht für die Endlosfaserherstellung produziert wird und es keine dafür ausgewiesenen Typen sowie keine auf das Polymer ausgelegte, textiltechnische Anlagetechnik gibt. Aufgrund von Vorarbeiten am Institut für Textiltechnik, dem aktuellen Projektstand und Alberghini et al. ist abzusehen, dass das Projekt erfolgreich sein wird. Die Expertise des Konsortiums ist für die schnelle Umsetzung bestens geeignet. [Tex22; AHL+21; SB20]

Material und Methoden

Im Rahmen des Projekts werden kommerziell verfügbare biobasierte Polyethylene ausgewählt, beschafft und modifiziert (vgl. Abbildung 1).

Anschließend werden spinnbare Compounds aus BioPE entwickelt. Für die nachfolgende Spinnfärbung im Schmelzspinnprozess werden durch den Industriepartner TECNARO GmbH, Ilsfeld, Farbmasterbatches mit biobasierten Farbpigmenten entwickelt, um eine nachhaltige Alternative zur konventionellen Färbung mit Farbstoffen zu realisieren. Zudem ist die konventionelle Anfärbung von PE herausfordernd [BBO+13]. Aus diesen BioPE-Compounds werden über Schmelzspinn- und Texturierprozesse im semi-industriellen Maßstab verschiedene texturierte Multifilamentgarne mit bis zu 100 Filamenten entwickelt, sodass ein biobasiertes T-Shirt konfektioniert werden kann. Bisher wird PE in der Industrie lediglich für Stapelfasern, hochverstreckte Fasern für technische Anwendungen oder für Carbonfasern eingesetzt – jedoch noch nicht als Garn in der Bekleidung [Fou99; Pei18; Wor17]. Zusätzlich zur Elastizität durch die Maschen im Gestrick werden innovative, vorwettbewerbliche, nachhaltige Textilausrüstungen getestet und weiterentwickelt.

Ergebnisse

Die ersten Ergebnisse zeigen vielversprechende Fortschritte bei der Verarbeitung von BioPE in spinngefärbten Garnen mit geeigneten Eigenschaften für textile Anwendungen. BioPE kann in stabilen Schmelzspinnprozessen zu Multifilamentgarnen verarbeitet werden. Die Prozessentwicklung mit gefärbten BioPE-Compounds wird zurzeit durchgeführt (vgl. Abbildung 2).

Die resultierenden teilverstreckten Garne (engl. Partially-Oriented Yarn, POY) mit aktuell 96 Filamenten und einem Einzelfilamenttiter von ca. 1 dtex weisen geeignete Eigenschaften für die anschließende Falschdrahttexturierung auf (vgl. Abbildung 3). Produktionsgeschwindigkeiten beim Schmelzspinnen befinden sich zurzeit im industriellen Bereich (2.500 m/min). In einem nächsten Schritt werden Garne mit 30 Filamenten mit höher Einzelfilamenttiter ausgesponnen, um dem resultierenden Textil in Kombination mit den feinen Garnen mehr Stabilität zu verleihen.

Zugfestigkeiten von ca. 20 cN/tex werden bisher erreicht und die angestrebten, von PET-POY abgeleiteten Zielwerte somit bereits erfüllt. Die Falschdrahttexturierung im Labor- (ITA) sowie im semi-industriellen Maßstab (BB Engineering GmbH, Remscheid) ist ebenfalls erfolgreich. Die mechanischen Garnkennwerte der texturierten Garne (engl. Draw-Textured Yarn, DTY) werden somit verbessert und das Garnvolumen sowie das Wärmerückhaltevermögen erhöht (vgl. Abbildung 4). In der Abbildung ist bei der Nahaufnahme des DTY zu sehen, dass im Labormaßstab keine Tangelung eingebracht wurde und der Garnzusammenhalt somit noch nicht ideal ist. Das DTY aus dem Labormaßstab lässt sich jedoch bereits ohne Probleme zu einem Gestrick verarbeiten. Im semi-industriellen Maßstab werden diese Defizite zudem behoben.

Mit dem resultierenden naturfaserähnlichen, kühlen Griff ist der Einsatz im Textil nun möglich. Erste Strickversuche mit dem Labor-DTY sind beim Industriepartner FALKE KGaA, Schmallenberg, erfolgreich und bestätigen erneut das kühlende Gefühl bei Berührung des Textils. Weitere Garne werden entwickelt, damit als nächster Schritt das T-Shirt für Sportanwendungen mit aus semi-industriellen Garnen produziert und als Demonstrator validiert werden kann. Die Entwicklung der biobasierten elastischen Ausrüstung erfolgt zurzeit ebenfalls.

Zusammenfassung

Das Projekt bioPEtex stellt einen innovativen Ansatz dar, um nachhaltige Bekleidung aus biobasierten Materialien herzustellen. Durch gezielte Forschung und Entwicklung sollen sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile realisiert werden. Die erzielten Ergebnisse könnten dazu beitragen, den ökologischen Fußabdruck der Textilindustrie erheblich zu verringern und neue Standards für Recyclingfähigkeit in der Modebranche zu setzen. Bisher sind die Entwicklungen mit biobasierten PE-Compounds erfolgreich und glatte teilverstreckte sowie texturierte Garne können im semi-industriellen Maßstab produziert und zu einem kühlenden Gestrick verarbeitet werden. Die Validierung als Demonstrator in Form eines seamless gestrickten, biobasierten T-Shirts mit elastischer biobasierter Ausrüstung steht im weiteren Projektverlauf noch aus.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) für die Förderung des Innovationsraums BIOTEXFUTURE und des Forschungsprojekts bioPEtex (FKZ: 031B1496). Zudem möchten wir allen Beteiligten in diesem Projekt für ihre Beiträge und ihr Engagement danken.

Literaturverzeichnis

  1. [AHL+21] Alberghini, M.; Hong, S.; Lozano, L. M.; Korolovych, V.; Huang, Y.; Signorato, F.; Zandavi, S. H.; Fucetola, C.; Uluturk, I.; Tolstorukov, M. Y.; Chen, G.; Asinari, P.; Osgood, R. M.; Fasano, M.; Boriskina, S. V.:
    Sustainable polyethylene fabrics with engineered moisture transport for passive cooling
    Nature Sustainability 4 (2021), H. 8, S. 715–724

    [BBO+13] Baur, E.; Brinkmann, S.; Osswald, T. A.; Rudolph, N.; Schmachtenberg, E.; Saechtling, H.:
    Saechtling Kunststoff Taschenbuch. 31. Ausgabe, [komplett überarb., aktualisiert und zum ersten Mal in Farbe]Aufl..- München: Hanser, 2013

    [Fou99] Fourné, F.:
    Synthetic Fibers. Hanser, München, 1999

    [Pei18] Peijs, T.:
    1.5 High Performance Polyethylene Fibers:
    Comprehensive Composite Materials II: Elsevier, 2018, S. 86–126

    [SB20] Siracusa, V.; Blanco, I.:
    Bio-Polyethylene (Bio-PE), Bio-Polypropylene (Bio-PP) and Bio-Poly(ethylene terephthalate) (Bio-PET): Recent Developments in Bio-Based Polymers Analogous to Petroleum-Derived Ones for Packaging and Engineering Applications
    Polymers 12 (2020), H. 8

    [Tex22] Textile Exchange:
    Preferred Fiber and Materials Market Report 2022
    Burbank, California: 10/2022

    [Wor17] Wortberg, G.:
    Entwicklung polyethylenbasierter Precursoren für die thermochemische Stabilisierung zur Carbonfaserherstellung. Shaker Verlag, Dissertation    ,

Authors: Mathias Ortega J. Langer R. Morgenroth M. van Haren G. Mourgas A. Langer T. Gries

Contact:

Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Str. 1, 52074 Aachen

Clothtech Sporttech Oekotech

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
Abbildung 1: Vergleich der FTIR-Spektren im Bereich von 4000 – 700 cm-1 des Chitinpulvers und daraus herge-stellter Multifilamentgarne nach dem Spinnprozess
06.06.2025

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Kationenfunktionalisierte Chitinfasern – Entwicklung eines kontinuierlichen Spinnprozesses für ionenfunktionalisierte Biopolymerfasern auf Basis von Chitin

Raw materials Fibres Sustainability

Abstract

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

Report

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

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

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

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

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

Erzielte Ergebnisse

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

Prozessentwicklung für die kontinuierliche Fertigung von Chitinmultifilamentgarnen

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

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

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

Funktionalisierung der Chitinfasern mit bioaktiven Ionen

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

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

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

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

 Zusammenfassung

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

Danksagung

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

Literatur

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Authors: Kuznik, Irina Scheele, Sabrina Benecke, Lukas Kruppke, Iris Cherif, Chokri

Contact:

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

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

Chitinfasern Biopolymer Spinnprozess Ionenfunktionalisierung Medizintextilien

Downloads:

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

more close Print
03.04.2025

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

SYSTEMATISCHE ÜBERSICHT UND ANALYSE DES AKUELLEN FORSCHUNGSSTANDS VON INTELLIGENTEN TEXTILIEN ZUR UNTERSTÜTZUNG DES MENSCHEN IM ALLTAG

Sensor Technology Smart Textiles Medicine

Abstract

Intelligente Textilien stehen an der Schwelle zu einem breiten Einsatz in verschiedenen Lebensbereichen. Die in dieser Arbeit untersuchten Studien verdeutlichen ihr Potenzial, insbesondere im Gesundheitswesen und der Rehabilitation. Diese Technologien haben das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie wir Vitalparameter überwachen und auf gesundheitliche Herausforderungen reagieren. Zukünftige Forschungen sollten sich darauf konzentrieren, technologische Hürden wie Energieversorgung und Haltbarkeit zu überwinden.

Ein vielversprechender Ansatz ist die Entwicklung multifunktionaler Textilien, die nicht nur isolierte Anwendungen abdecken, sondern umfassende Lösungen für verschiedene Bedürfnisse bieten. Verbesserungen in der Materialwissenschaft könnten dazu beitragen, die Waschbarkeit und Langlebigkeit dieser Textilien weiter zu erhöhen. Zudem eröffnet die Standardisierung von Systemen neue Möglichkeiten für eine verbesserte Interoperabilität und breitere Akzeptanz.

Die Integration intelligenter Textilien in den Alltag könnte erhebliche Vorteile bringen – von der Entlastung des Gesundheitssystems bis hin zur Verbesserung sportlicher Leistungen. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, sind gezielte Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen erforderlich. Der Weg dorthin wird durch kontinuierliche Innovationen geebnet, die dazu beitragen können, intelligente Textilien als festen Bestandteil unseres täglichen Lebens zu etablieren.

Report

Abstract

Intelligente Textilien bieten ein vielversprechendes Potential, mit Anwendungen in Gesundheitswesen, Sportüberwachung und der Rehabilitation [GEE17; Edu17]. Diese Arbeit analysiert systematisch den aktuellen Forschungsstand, identifiziert Fortschritte und beleuchtet bestehende Herausforderungen. Basierend auf einer strukturierten Literaturrecherche der letzten 15 Jahre werden Entwicklungen in Sensorintegration, Energieversorgung und Benutzerakzeptanz untersucht. Die Ergebnisse zeigen Potential in der Gesundheitsüberwachung und Rehabilitation, während Einschränkungen in Messgenauigkeit, Haltbarkeit und Energieeffizienz bestehen. Zukünftige Forschung sollte sich vor Allem darauf fokussieren die Funktionalität der Produkte zu verbessern, bestehende technologischen Lücken zu schließen, sowie die Benutzerfreundlichkeit, Haltbarkeit und Ästhetik zu verbessern.

 

Einleitung

In intelligenten Textilien werden textile Materialien mit elektronischen Komponenten und Sensorik kombiniert, um physiologische Parameter kontinuierlich zu erfassen und auszuwerten [MH17;Che17]. In der folgenden Abbildung 1 ist eine allgemeine Systemarchitektur für intelligente Textilien dargestellt.

s. Abbildung 1: Allgemeine Systemarchitektur für intelligente Textilien

Diese interdisziplinären Technologien bieten Potenziale zur Verbesserung der Lebensqualität und der Gesundheitsversorgung, indem sie beispielsweise körperliche Aktivitäten oder Vitalparameter erfassen und auswerten [GEE17; Edu17; TCB+19]. Trotz des Fortschritts gibt es Herausforderungen in Bezug auf Messgenauigkeit, Benutzerfreundlichkeit, Waschbarkeit und langfristige Haltbarkeit [NSW16; Rao19].

Es gibt ein wachsendes Interesse an der Forschung zur Unterstützung der täglichen Aktivitäten des Menschen durch smarte tragbare Geräte. Ziel dieser Forschung ist es, die Belastung durch Behinderungen zu minimieren, das Auftreten chronischer Krankheiten zu reduzieren oder zu verhindern und die täglichen Aktivitäten sowie die sportliche Leistung des Menschen zu verbessern oder zu korrigieren [NSW16; Rao19].

Obwohl es Berichte über eine steigende Nachfrage nach smarten Wearables gibt, ist die Annahme und Verbreitung dieser Technologien relativ gering [ANH+18; Sul15]. Fast die Hälfte der Nutzer hört innerhalb der ersten sechs Monate auf, ihre Geräte zu verwenden, da sie möglicherweise nicht die von tragbaren Geräten versprochenen Vorteile erhalten [CA17; MJ17]. Deshalb ist ein tieferes Verständnis der Probleme und Herausforderungen von intelligenten tragbaren Geräten von entscheidender Bedeutung.

Indem der aktuelle Stand der Technik intelligenter Textilien systematisch zu analysiert wird, um und Potenziale sowie Einschränkungen aufzuzeigen, wird die Basis für tiefergehende Forschungsansätze geschaffen. Hierzu wurden 182 Primärstudien untersucht, die sich mit verschiedenen Aspekten intelligenter Textilien befassen, darunter Materialentwicklung, Energieversorgung und Sensorintegration.

 

Material und Methoden

Der methodische Ansatz basiert auf einer systematischen Literaturrecherche (SLR), um eine umfassende Analyse des aktuellen Forschungsstands zu gewährleisten. Dazu werden wissenschaftliche Publikationen aus den Datenbanken Web of Science, Scopus und IEEE ausgewertet. Die SLR-Methode wird in Anlehnung an Hanafizadeh et al. [HKK14] angewendet, um eine transparente und nachvollziehbare Vorgehensweise sicherzustellen. Ein zentraler Bestandteil dieses Ansatzes ist die Erstellung eines Review-Protokolls, das die Formulierung der Forschungsfrage, die Definition relevanter Suchbegriffe sowie die Auswahl- und Ausschlusskriterien der Studien regelt. In der folgenden Abbildung 2 ist ein solches Review-Protokoll dargestellt.

s. Abbildung 2: Review-Protokoll zur Durchführung der systematischen Literaturrecherche

 

Um eine umfassende Abdeckung des Forschungsstandes zu gewährleisten, wurde ein zweistufiger Suchprozess angewendet. Hierfür wurde die Suchstrategie von Busalim und Hussin verwendet [BH16]. Hierzu erfolgt zunächst eine automatische Suche mit gezielten Schlüsselwörtern wie "smart textiles", "wearable technology" und "sensor integration". Anschließend wird eine manuelle Vorwärts- und Rückwärtssuche nach Webster und Watson [Web02] durchgeführt, um relevante Literatur zu identifizieren, die nicht direkt durch die Schlüsselwortsuche erfasst werden.

Die Auswahl der Studien erfolgt nach klar definierten Kriterien. Berücksichtigt werden Arbeiten aus den letzten 15 Jahren, die empirische oder experimentelle Untersuchungen zu intelligenten Textilien enthalten. Ausschlusskriterien sind unter anderem theoretische Abhandlungen ohne praktische Anwendung oder Studien mit weniger als vier Seiten.

Die Analyse erfolgt anhand zentraler Bewertungskategorien, darunter Messgenauigkeit, Umweltfreundlichkeit, Benutzerfreundlichkeit, Haltbarkeit und Sicherheit. Die Daten werden systematisch extrahiert und in einer Excel-Datenbank kategorisiert, um eine vergleichende Analyse der untersuchten Technologien zu ermöglichen.

 

Ergebnisse

Die Analyse der 182 ausgewählten Studien zeigt signifikante Fortschritte intelligenter Textilien in verschiedenen Anwendungsbereichen. Besonders hervorzuheben sind Entwicklungen zur Überwachung des ganzen Körpers mittels eines universellen Ganzkörper-Motion-Capture-Systems [AGC21], einem intelligenten Kleidungsstück zur Unterstützung bei physiotherapeutischen Übungen [EKO+20], sowie ein multifunktionales E-Textil für Bewegungsüberwachung und Temperaturkontrolle [TFL+22].

In der Gesundheitsüberwachung ermöglichen textile Sensoren eine kontinuierliche Erfassung von Vitalparametern wie Atmung während verschiedener Aktivitäten wie Radfahren und Laufen [MDB+20; MCO+10]. Intelligente Textilien mit integrierten Elektroden zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der präzisen Messung von EKG-Signalen. Beispielsweise wurde ein intelligentes Kleidungsstück entwickelt, das textile EKG-Trockenelektroden integriert, um genaue Herzsignale zu erfassen [LHS+22].

Eine vollständig textile Ärmelhülle mit integrierten textilen Elektroden wurde entwickelt, um EMG-Signale aufzuzeichnen und die Steuerung von myoelektrischen Prothesen zu verbessern. Diese Technologie zielt darauf ab, die Funktionalität von Hilfsmitteln für Personen mit Mobilitätseinschränkungen zu erhöhen [ASJ+22].

Im Bereich der Rehabilitation unterstützen intelligente Textilien Patienten bei der Wiederherstellung motorischer Fähigkeiten durch biomechanische Rückmeldungen und sensorbasierte Bewegungsanalysen [TTB+22].

Im Sportbereich zeigen intelligente Textilien durch die Integration von Bewegungssensoren und Muskelaktivitätsmessungen Potenzial zur Leistungsüberwachung. Beispielsweise wurde ein kapazitiver Textilsensor in Schuhsohlen integriert, um Kniegelenkswinkel während verschiedener Gehgeschwindigkeiten zu schätzen [CKM21]. Außerdem ermöglichen gestrickte Dehnungssensoren an Strumpfhosen die Erkennung von Kniebewegungsmustern, was zur Analyse sportlicher Aktivitäten beitragen kann [LMR19].

Trotz dieser Fortschritte bestehen weiterhin Herausforderungen in Bezug auf Energieversorgung, Haltbarkeit und Waschbarkeit. Eine stärkere Standardisierung und Kompatibilität der Systeme ist erforderlich, um eine breitere Akzeptanz zu erreichen [WBT+17; JGC+20].

Diskussion

Die Untersuchung der 182 Studien verdeutlicht das Potenzial intelligenter Textilien in verschiedenen Anwendungsbereichen. Besonders im Gesundheitswesen und in der Rehabilitation zeigen diese Technologien vielversprechende Ansätze zur Überwachung von Vitalparametern wie Herzfrequenz, Atmung und Körpertemperatur. Diese kontinuierliche Erfassung bietet nicht nur die Möglichkeit zur Frühdiagnose von Krankheiten, sondern auch zum effektiven Monitoring chronischer Erkrankungen. Die Integration von Sensoren in Textilien ermöglicht eine präzise Messung biophysikalischer Signale, was für die medizinische Überwachung entscheidend ist.

Im Bereich der Rehabilitation bieten intelligente Textilien Unterstützung bei der Wiederherstellung motorischer Fähigkeiten durch biomechanische Rückmeldungen und sensorbasierte Bewegungsanalysen. Tragbare Exoskelette mit textilen Sensoren könnten zukünftig physiotherapeutische Maßnahmen erheblich verbessern.

Trotz dieser Fortschritte bestehen jedoch weiterhin Herausforderungen. Die Energieversorgung bleibt ein kritischer Punkt, da viele Systeme noch nicht autark genug sind und regelmäßig aufgeladen werden müssen. Dies schränkt ihre Einsatzmöglichkeiten im Alltag ein. Ebenso ist die Haltbarkeit ein wesentlicher Faktor, insbesondere hinsichtlich der Waschbarkeit der Textilien. Eine verbesserte Materialauswahl könnte hier Abhilfe schaffen.

Ein weiterer Aspekt ist die Standardisierung innerhalb der Branche. Die Vielzahl an verfügbaren Systemen führt zu Kompatibilitätsproblemen, die eine breitere Akzeptanz behindern könnten. Um dies zu adressieren, sollten zukünftige Forschungsanstrengungen darauf abzielen, gemeinsame Standards zu entwickeln, die Interoperabilität gewährleisten.

Insgesamt zeigt sich, dass trotz bestehender Herausforderungen intelligente Textilien bereits jetzt wertvolle Unterstützung im Sport- und Gesundheitsbereich bieten können. Zukünftige Entwicklungen sollten sich darauf konzentrieren, diese Technologien weiter zu optimieren und ihre Alltagstauglichkeit zu erhöhen.

Danksagung

Der Autor bedankt sich bei der RWTH Aachen University sowie den betreuenden Dozenten für die Unterstützung und Anleitung während dieser Arbeit. Ein besonderer Dank gilt den Forschungseinrichtungen und Autoren, deren Studien zur Erstellung dieser Arbeit beigetragen haben.

Litteratrices

 

 

[AGC+21]

Ancans, A.; Greitans, M.; Cacurs, R.; Banga, B.; Rozentals, A.:

Wearable Sensor Clothing for Body Movement Measurement during Physical Activities in Healthcare

Sensors (Basel, Switzerland) Band:21 (2021) H. 6

[ANH+18]

Adapa, A.; Nah, F. F.-H.; Hall, R. H.; Siau, K.; Smith, S. N.:

 Factors Influencing the Adoption of Smart Wearable Devices

International Journal of Human–Computer Interaction Band:34 (2018) H. 5, S. 399–409

[ASJ+22]

Alizadeh-Meghrazi, M.; Sidhu, G.; Jain, S.; Stone, M.; Eskandarian, L.; Toossi, A.; Popovic, M. R.:

A Mass-Producible Washable Smart Garment with Embedded Textile EMG Electrodes for Control of Myoelectric Prostheses: A Pilot Study Sensors (Basel, Switzerland) Band:22 (2022) H. 2

[BH16]

Busalim, A. H.; Hussin, A. R.: Understanding social commerce:

A systematic literature review and direc-tions for further research

International Journal of Information Management Band:36 (2016) H. 6, S. 1075–1088

[CA17]

Canhoto, A. I.; Arp, S.:

Exploring the factors that support adoption and sustained use of health and fitness wearables

Journal of Marketing Management Band:33 (2017) 1-2, S. 32–60

[Che17]

Chen Zou, Yajie Qin, Chenglu Sun, Wei Li, Wei Chen:

Motion artifact removal based on periodical property for ECG monitoring with wearable systems (2017)

[CKM21]

Chhoeum, V.; Kim, Y.; Min, S.-D.:

Estimation of Knee Joint Angle Using Textile Capacitive Sensor and Artifi-cial Neural Network Implementing with Three Shoe Types at Two Gait Speeds: A Preliminary Investigation

Sensors (Basel, Switzerland) Band:21 (2021) H. 16

[EKO+20]

Eizentals, P.; Katashev, A.; Oks, A.; Semjonova, G.:

Smart shirt system for compensatory movement retraining assistance: feasibility study

Health and Technology Band:10 (2020) H. 4, S. 861–874

[HKK14]

Hanafizadeh, P.; Keating, B. W.; Khedmatgozar, H. R.:

A systematic review of Internet banking adoption

Telematics and Informatics Band:31 (2014) H. 3, S. 492–510

[Rad16]

RadioSurfVet:

RadioSurfVet - www, 2016, URL: https://vetsuisse.com/vetiml/

lernmodule/htmls/slide.html?radiosurfvet|radgeneral|sonography|son

obasics|2, Zugriff am 21.02.2023

[TMW+18]

Tang, X., Mones, Z., Wang, X., Gu, F.; Ball, A.:

A Review on Energy Harvesting Supplying Wireless Sensor Nodes for

Machine Condition Monitoring.

In Ma, Xiandong. Improving productivity through automation and computing.

Aufl. Piscataway, NJ: IEEE, 2018, S. 1–6

[Edu17]

Eduardo Lupiani, Jose M. Juarez, Jose Palma, Roque Marin:

Monitoring Elderly People at Home with Temporal Case-Based Reasoning (2017)

[Gee17]

Gayathri, K. S.; Easwarakumar, K. S.; Elias, S.:

Probabilistic ontology based activity recognition in smart homes using Markov Logic Network Knowledge-Based Systems

Band:121 (2017), S. 173–184

[JGC+20]

Jin, Y.; Glover, C. M.; Cho, H.; Araromi, O. A.; Graule, M. A.; Li, N.; Wood, R. J.; Walsh, C. J.: Soft Sensing Shirt for Shoulder Kinematics Estimation:

2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Paris, France, 2020/5/31 - 2020/8/31: IEEE, 2020

[LHS+22]

Lee, S.-Y.; Hung, Y.-W.; Su, P.-H.; Lee, I.-P.; Chen, J.-Y.:

Biosignal Monitoring Clothing System for the Acquisition of ECG and Respiratory Signals

IEEE Access Band:10 (2022), S. 66083–66097

[LMR19]

Li, Y.; Miao, X.; Raji, R. K.:

Flexible knitted sensing device for identifying knee joint motion patterns

Smart Materials and Structures Band:28 (2019) H. 11, S. 115042

[MCO+10]

Mitchell, E.; Coyle, S.; O'Connor, N. E.; Diamond, D.; Ward, T.:

Breathing Feedback System with Wearable Textile Sensors:

2010 International Conference on Body Sensor Networks, Singapore, Singapore, 2010/6/7 - 2010/6/9: IEEE, 2010

[MDB+20]

Massaroni, C.; Di Tocco, J.; Bravi, M.; Carnevale, A.; Lo Presti, D.; Sab badini, R.; Miccinilli, S.; Sterzi, S.; Formica, D.; Schena, E.:

Respiratory Monitoring During Physical Activities With a Multi-Sensor Smart Garment and Related Algorithms

IEEE Sensors Journal Band:20 (2020) H. 4, S. 2173–2180

[MH17]

Michael, B.; Howard, M.:

Activity recognition with wearable sensors on loose clothing

PloS one Band:12 (2017) H. 10, e0184642

[MJ17]

Marakhimov, A.; Joo, J.:

Consumer adaptation and infusion of wearable devices for healthcare

Computers in Human Behavior Band:76 (2017), S. 135–148

[NSW16]

Noor, M. H.; Salcic, Z.; Wang, K. I.-K.:

 Enhancing ontological reasoning with uncertainty handling for activity recognition

Knowledge-Based Systems Band:114 (2016), S. 47–60

[Rao19]

Rao, A. K.:

Wearable Sensor Technology to Measure Physical Activity (PA) in the Elderly Current Geriatrics Reports Band:8 (2019) H. 1, S. 55–66

[Sul15]

Sultan, N.:

Reflective thoughts on the potential and challenges of wearable 75 technology for healthcare provision and medical education

International Journal of Information Management Band:35 (2015) H. 5, S. 521–526

[TCB+19]

Talukder, M. S.; Chiong, R.; Bao, Y.; Hayat Malik, B.:

Acceptance and use predictors of fitness wearable technology and inten-tion to recommend Industrial Management & Data Systems

 Band:119 (2019) H. 1, S. 170–188

[TFL+22]

Tian, B.; Fang, Y.; Liang, J.; Zheng, K.; Guo, P.; Zhang, X.; Wu, Y.; Liu, Q.; Huang, Z.; Cao, C.; Wu, W.:

Fully Printed Stretchable and Multifunctional E-Textiles for Aesthetic Wearable Electronic Systems

Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany) Band:18 (2022) H. 13, e2107298

[TTB+22]

Tedesco, S.; Torre, O. M.; Belcastro, M.; Torchia, P.; Alfieri, D.; Khokhlova, L.; Komaris, S. D.; O'flynn, B.:

Design of a Multi-Sensors Wearable Platform for Remote Monitoring of Knee Rehabilitation

IEEE Access Band:10 (2022), S. 98309–98328

[WBT+17]

Wang, Q.; Baets, L. de; Timmermans, A.; Chen, W.; Giacolini, L.; Matheve, T.; Markopoulos, P.:

Motor Control Training for the Shoulder with Smart Garments

Sensors (Basel, Switzerland) Band:17 (2017) H. 7

[Web02]

Webster, W.:

Analyzing the Past to Prepare for the Future: Writing a Literature Review (2002)

 

 

Authors: Tobias Lauwigi, ITA Robin Oberlé, ITA Kai Suchorski Boyang Liu

Contact:

RWTH Aachen – Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (Germany), Otto-Blumenthal-Str. 1, 52074 Aachen

Intelligente Bekleidung

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
07.02.2025

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

STRUKTURIERTE ANALYSE UND KONZEPTBEWERTUNG DER STROMERZEUGUNGN IN TEXTILIEN DURCH PHYSIKALISCHE INTERAKTION MIT DEM MENSCHLICHEN KÖR-PER

Sensor Technology Smart Textiles Medicine

Abstract

Die Arbeit zeigt, dass Smart Textiles mit integrierten Technologien zur Stromerzeugung ein hohes Potenzial für tragbare Elektronik bieten. Triboelektrische Nanogeneratoren haben sich als besonders vielversprechend erwiesen und sollten als Ansatz für die weitere Forschung und die Entwicklung neuer Prototypen weiterverfolgt werden.

Report

Abstract

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

Einleitung

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

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

Material und Methoden

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

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

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

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

 

Ergebnisse

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

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

s. Abbildung 2: Systemüberblick der stromerzeugenden Applikation

 

Diskussion

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

 

Danksagung

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

Authors: Tobias Lauwigi, ITA Sina Shari von Hagen Robin Oberlé, ITA

Contact:

ITA – Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Str. 1, 52074 Aachen

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
05.02.2025

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Integral flachgestrickte Drucksensoren für smart Textiles

Knittings Sensor Technology Smart Textiles Tests

Abstract

Im IGF-Projekt 21990 BR1 wurde das „Textiles Smart-Skin-3D-System (S3D)“ entwickelt – ein innovatives, flachgestricktes Sensorsystem, das Druck- und Näherungsmessungen nahtlos in textile Produkte integriert. Ziel war es, flexible und robuste Sensorik bereits im Herstellungsprozess einzubetten und so die Komplexität sowie potenzielle Schwachstellen herkömmlicher Mehrkomponentensysteme zu vermeiden. Hierzu wurden komplexe 3D-gestrickte Strukturen realisiert, die leitfähige Sensorgarne und gezielt eingearbeitete dielektrische Materialien wie silikonbasierte Inserts nutzen, um kapazitive Messprinzipien anzuwenden.

Die Optimierung von Garnauswahl und Strickparametern ermöglichte eine präzise Erfassung von Druckkräften und Annäherungen. Als Demonstrator wurde ein vollständig integrierter Sensorhandschuh mit 13 Sensorflächen entwickelt, der Greif- und Haltekräfte misst. Zyklische elektromechanische Prüfungen bestätigten ein stabiles Sensorverhalten. Insbesondere zeigte die Variante mit einem 1 mm starken Dielektrikum optimale Übertragungscharakteristika, geringe Hysterese und eine Sensordrift im akzeptablen Rahmen. Zusätzlich erbrachte ein textilbasierter Näherungssensor zuverlässige Messwerte für Abstände bis zu 120 mm.

Die Ergebnisse belegen das Potenzial flachgestrickter Sensoren als integraler Bestandteil smarter, tragbarer Textilien – mit Anwendungsmöglichkeiten in Telerehabilitation, Medizintechnik, Arbeitsschutz und weiteren Digitalisierungsbereichen.

Summary

In the IGF project 21990 BR1, the “Textiles Smart-Skin-3D-System (S3D)” was developed – an innovative, flat-knit sensor system that seamlessly integrates pressure and proximity measurements into textile products. The aim was to embed flexible and robust sensor technology into the manufacturing process, thereby avoiding the complexity and potential weaknesses of conventional multi-component systems. To achieve this, complex 3D-knit structures were created using conductive sensor yarns and strategically incorporated dielectric materials, such as silicone-based inserts, to implement a capacitive sensing approach.

Optimizing yarn selection and knitting parameters enabled the precise detection of pressure forces and proximity. A demonstrator in the form of a fully integrated sensor glove with 13 sensing areas was developed, capable of measuring gripping and holding forces. Cyclic electromechanical tests confirmed stable sensor performance. In particular, the variant with a 1 mm thick dielectric exhibited optimal transfer characteristics, low hysteresis, and acceptable sensor drift. Additionally, the textile-based proximity sensor reliably measured distances of up to 120 mm.

The results demonstrate the potential of flat-knit sensors as an integral component of smart, wearable textiles with applications in telerehabilitation, medical technology, occupational safety, and other digitalization sectors.

Report

Einleitung

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

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

Zielsetzung und Lösungsweg

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

Ergebnisse

Entwicklung der gestrickten Drucksensoren

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

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

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

Herstellung der Sensoren

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

Validierung der Sensoren

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

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

Näherungssensor

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

Demonstrator

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

Zusammenfassung und Ausblick

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

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

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

Danksagung

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

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

 

Literatur

 

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

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

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

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

 

 

Authors: Carola Bömer

Contact:

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

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

Smart Textiles Gestricke Sensoren Wearables Smart Skin Rehabilitation Sensoren

Downloads:

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

more close Print
05.02.2025

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Reparatur komplex gekrümmter Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile in Duromerbauweise

Knittings Composites Textile machinery Technical Textiles

Abstract

Das Ziel war die Entwicklung von Technologien zur Herstellung zweiachsig-gestufter, end-konturgerechter 3D-Textilpatches mit freien Fadenenden, die für die Reparatur komplex gekrümmter faserverstärkter Kunststoffbauteile (FKV) in Duromerbauweise, wie sie in der Anlagen- und Fahrzeugindustrie eingesetzt werden, geeignet sind. Dafür wurde die Mehrlagenstricktechnik (MLG) weiterentwickelt, unterstützt durch eine simulationsbasierte Prozesskette. Diese ermöglichte es, die 3D-Textilpatches passgenau und lastpfadgerecht in Schadstellen einzubringen und anschließend im Vacuum Assisted Process (VAP) zu rein-filtrieren. Für die Realisierung der 3D-Textilpatches wurden modulare Zusatzeinrichtungen für Flachstrickmaschinen entwickelt. Diese ermöglichten die gezielte Garnzuführung, Unterbrechung, Ablängen und Wiedereinführung von Kett- und Schussfäden mit definierten Längen und freien Fadenenden. Durch Variation der Strickparameter wurden optimal gestufte 3D-Textilpatches erzeugt. Diese Patches entsprachen in Geometrie, Lastpfad und Faservolumengehalt den Eigenschaften des unbeschädigten Bauteils. Zur Verankerung der 3D-Textilpatches an den Bauteilen war eine präzise Entfernung der Matrix notwendig. Dafür wurde ein UV-aktiviertes Halbleiteroxid-Verfahren zur schichtweisen, selektiven Matrixdegradation weiterentwickelt. Ein robotergeführtes System kam zum Einsatz, um das Halbleiteroxid präzise aufzutragen und die UV-Aktivierung gezielt zu steuern, um die Matrix exakt abzutragen, ohne die Randbereiche zu beschädigen. Insgesamt ermöglicht die Kombination aus simulationsgestützter Entwicklung, innovativer Textiltechnologie, chemischen Verfahren und robotergestützter Applikationen die Realisierung einer Repa-raturtechnologie, die die Tragfähigkeit komplexer 3D-FKV-Bauteile nahezu vollständig wiederherstellen und ihre Lebensdauer signifikant verlängern kann.

Report

1 Einleitung

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

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

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


2 Stand der Forschung und Technik


2.1 Reparaturansätze für FKV

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

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


2.2 Mehrlagenstrick-Technik zur Fertigung dreidimensionaler textiler Verstärkungsstrukturen


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


2.3 Modellierung von textilen Verstärkungsstrukturen


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

3 Material und Methoden


3.1 Material


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

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


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

 

3.3 Verfahrensentwicklung zum sequentiellen 3D-Matrixabbau an gekrümmten Strukturen


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

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


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

4 Ergebnisse und Diskusison

Simulation

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

Untersuchungen zum 3D-Matrixabbau

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

Untersuchungen der gestrickten 3D-Textilpatches


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

5 Entwicklung und Umsetzung einer robotergestützten, automatisierten Reparaturprozesskette


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

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

 

6 Tragfähigkeitsnachweis der Reparaturlösung


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

7 Schlussfolgerungen


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

 

Danksagung


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

Literaturverzeichnis


[1] LÄSSIG, R.; EISENHUT, M.; MATHIAS, A.; SCHULTE, R. T.; PETERS, F.; KÜHMANN, T.; WALDMANN. T.; BEGE-MANN, W.: Serienproduktion von hochfesten Faserverbundbauteilen - Perspektiven für den deutschen Maschinen- und Anlagenbau: Roland Berger Strategy Consultants, 2012

[2] STOFFELS, F.: Flugzeuge werden sicherer, aber anfälliger für Schäden. https://www.aerotele-graph.com/flugzeuge-werden-sicherer-aber-anfaelliger-fuer-schaeden, überprüft am: 03.12.2024

[3] BUND/LÄNDER-ARBEITSGEMEINSCHAFT ABFALL: Entsorgung faserhaltiger Abfälle. https://www.um-weltministerkonferenz.de/documents/top-40-be-bericht_1575889426.pdf, überprüft am: 03.12.2024

[4] HOLZHÜTER, D.; ROSSIAN, L.: Einfluss lagenvariabler Schäftwinkel auf die Verbindungsfestigkeit geklebter Faserverbundreparaturen. https://elib.dlr.de/99209/1/__Bsfait00_fa_Ar-chive_IB_2015_IB_2015_053_MA_Rossian.pdf, überprüft am: 05.05.2020

[5] THUM, C.; WACHINGER, G.; WEHLAN, H.: Reparaturfähigkeit und Reparaturkonzepte bei Struktu-ren aus faserverstärkten Kunststoffen. In: Henning, F., Moeller, E. (Hrsg.). Handbuch Leicht-bau. 2. Aufl., München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2020

[6] CHERIF, C.; HUND, R.-D.; KÜCHLER, K.; STAIGER, E.: Verfahren zum Reparieren von Faser-Kunststoff-Verbünden, Deutschland. 30.07.2015. Veröffentlichungsnr. DE102013112933B4

[7] CHERIF, C.; HUND, R.-D.; KÜCHLER, K.; STAIGER, E.: Verfahren zur Reparaturvorbereitung von Faser-Kunststoff-Verbünden. 18.10.2018. Veröffentlichungsnr. DE102015121067B4

[8] BÖHNKE, P. R. C.; KRUPPKE, I.; HOFFMANN, D.; RICHTER, M.; HÄNTZSCHE, E.; GEREKE, T.; KRUPPKE, B.; CHERIF, C.: Matrix Decomposition of Carbon-Fiber-Reinforced Plastics via the Activation of Semiconductors. Materials, 13(15): 3267, 2020

[9] HÜBNER, M.; STAIGER, E.; KÜCHLER, K.; GEREKE, T.; CHERIF, C.: Simulation of Patched Woven Fabric Composite Structures Under Tensile Load. Tekstilec, 59(2): 175–181, 2016

[10] HOFFMANN, D.; BÖHNKE, P.; HUYNH, M.; KRUPPKE, I.; GEREKE, T.; HÄNTZSCHE, E.; CHERIF, C.: Tailored repair procedure for (impact-damaged) thermoset CFRP components by UV-initialized (radi-cally-oxidic) matrix removal. In: Sampe Europe, Amsterdam, 2020

[11] GRÜNDER, M.: Neues Reparaturverfahren: Reparatur von CFK-Bauteilen bei Lufthansa Tech-nik. https://www.flugrevue.de/flugzeugbau/neues-reparaturverfahren-reparatur-von-cfk-bauteilen-bei-lufthansa-technik/, überprüft am: 02.04.2020

[12] HOPMANN, C.; BÖTTCHER, A.; WAGNER, P. N.: REISGEN, U.; SCHIEBAHN, A.; SCHOFT, J.; HIRT, G.; BAILLY, D.; SCHMITZ, R.; SCHMITT, R.; NIENHEYSEN, P.; EKANAYAKE, S.; ECKSTEIN, L.; BETHLEHEM-EICHLER, K.; MA-THEIS, R.; ROßMANN, J.; LOSCH, D.: Interaktive Reparaturwerkstatt der Zukunft für Elektromobile in CFK-Bauweise - EFB-Forschungsbericht Nr. 511

[13] FAAS, S.: Kamerabasierte Diagnostik der Prozessemissionen beim Laserabtrag von CFK. Ham-burg: Diplomica Verlag GmbH, 2018

[14] SCHMUTZLER, H.: Upside down: Robot for inspection and repairs. https://www.lufthansa-tech-nik.com/caire-repair-robot, überprüft am: 03.12.2024

[15] PANTELAKIS, S.; TSERPES, K. (Hrsg.): Revolutionizing Aircraft Materials and Processes. Cham: Springer International Publishing AG, 2020

[16] SCHMUTZLER, H.: How we introduced the MRO industry’s first automatic scarfing system into service (Part 1/4). https://www.linkedin.com/pulse/how-we-introduced-mro-industrys-first-automatic-part-14-schmutzler/, überprüft am: 03.12.2024

[17] HOPMAN, C.; WAGNER, P. N.; BERGMANN, N.; BÖTTCHER, A.: Entwicklung eines innovativen Repara-turkonzepts für Automobile in CFK-Bauweise. ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift, 118(3): 54–59, 2016

[18] MIZUGUCHI, J.; TSUKADA, Y.; TAKAHASHI, H.: Recovery and characterization of reinforcing fibers from fiber reinforced plastics by thermal activation of oxide semiconductors. Materials Trans-actions, 54(3): 384–391, 2013

[19] CIOBANU, L.: Development of 3D Knitted Fabrics for Advanced Composite Materials. In: ATTAF, B. (Hrsg.). Advances in Composite Materials - Ecodesign and Analysis, 2011: 163–192

[20] HASANI, H.; HASSANZADEH, S.; ABGHARY, M. J.; OMRANI, E.: Biaxial weft-knitted fabrics as compo-site reinforcements: A review. Journal of Industrial Textiles, 46(7): 1439–1473, 2017

[21] KÜMPERS, R.; BOLLENGIER, Q.; TRÜMPER, W.; CHERIF, C.: Advances in multi-layer weft knitting tech-nology for the one-step manufacturing of customized net-shaped 3D preforms for compo-site applications. In: 8th World Conference in 3D Fabrics and Their Applications, Manchester/ UK, 2018

[22] DÖBRICH, O.; GEREKE, T.; DIESTEL, O.; KRZYWINSKI, S.; CHERIF, C.: Decoupling the bending behavior and the membrane properties of finite shell elements for a correct description of the me-chanical behavior of textiles with a laminate formulation. Journal of Industrial Textiles, 44(1): 70–84, 2014

[23] BOISSE, P.; BAI, R.; COLMARS, J.; HAMILA, N.; LIANG, B.; MADEO, A.: The need to use generalized continuum mechanics to model 3D textile composite forming. Applied Composite Materials, 25(4): 761–771, 2018

[24] KÄRGER, L.; GALKIN, S.; DÖRR, D.; POPPE, C.: Capabilities of macroscopic forming simulation for large- scale forming processes of dry and impregnated textiles. Procedia Manufacturing, 47: 140–147, 2020

[25] DÖBRICH, O.; GEREKE, T.; CHERIF, C.: Modeling the mechanical properties of textile-reinforced composites with a near micro-scale approach. Composite Structures, 135: 1–7, 2016

[26] NAOUAR, N.; VIDAL-SALLÉ, E.; SCHNEIDER, J.; MAIRE, E.; BOISSE, P.: 3D composite reinforcement meso F. E. analyses based on X-ray computed tomography. Composite Structures, 132: 1094–1104, 2015

[27] DAELEMANS, L.; FAES, J.; ALLAOUI, S.; HIVET, G.; DIERICK, M.: Finite element simulation of the wo-ven geometry and mechanical behaviour of a 3D woven dry fabric under tensile and shear loading using the digital element method. Composites Science and Technology, 137: 177–187, 2016

[28] ABGHARY, M. J.; HASANI, H.; NEDOUSHAN, R. J.: Numerical simulating the tensile behavior of 1×1 rib knitted fabrics using a novel geometrical model. Fibers and Polymers, 17(5): 795–800, 2016

[29] DINH, T. D.; WEEGER, O.; KAIJIMA, S.; YEUNG, S. K.: Prediction of mechanical properties of knitted fabrics under tensile and shear loading: Mesoscale analysis using representative unit cells and its validation. Composites Part B: Engineering, 148: 81–92, 2018

[30] HAASEMANN, G.; ULBRICHT, V.; BRUMMUND, J.: Modelling the mechanical properties of biaxial weft- knitted fabric reinforced composites. PAMM, 4(1): 193–194, 2004

[31] PHAM, M. Q.; DÖBRICH, O.; TRÜMPER, W.; GEREKE, T.; CHERIF, C.: Numerical modelling of the me-chanical behaviour of biaxial weft-knitted fabrics on different length scales. Materials, 12: 3693, 2019

[32] HESSAMI, R.; ALAMDAR YAZDI, A.; MAZIDI, A.: The effect of loop density on the tensile behavior of biaxial weft knitted composites using both experimental tests and numerical method. Jour-nal of Industrial Textiles, 51(1): 48–67, 2021

 

Authors: Sabrina Scheele Ti Anh My Huynh Sven Hellmann Thomas Gereke Philippa Ruth Chris-tine Kopelmann Irina Kuznik, Iris Kruppke Chokri Cherif

Contact:

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

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

FKV FKV-Reparatur Mehrlagenflachstricktechnik Simulation

Downloads:

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

more close Print
Abbildung 1: Bindung und Fadenlauf entweder in jeder (oben) oder in jeder dritten (unten) Ma-schenreihe für a) der Fanghenkel-Bindung und b) der Plattiermaschen-Bindung
30.09.2024

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Hybride Strick-Wirk-Technologie zur Umsetzung von Strukturen mit definiert einstellbarem bimodularen Verformungs- und Beanspruchungsverhalten

Knittings Textile machinery Technical Textiles

Abstract

Das abgeschlossene Forschungsprojekt „GeDeKe“ der Industriellen Gemeinschaftsforschung hat eine völlig neue und hochproduktive Technologie zur Integration von Kettmaschenfäden in Flachgestricke hervorgebracht. Die Forschungsergebnisse verdeutlichen, dass das Zugverhalten durch die zusätzliche Bindung der aus dem Kettwirkverfahren bekannten Kettfäden und durch die Wahl der Bindungselemente ab 10 % Dehnung bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Die entwickelte Technologie nutzt die nadelgenaue Maschenbildung, um Kettfäden Nadel für Nadel präzise als Masche oder Henkel in ein Standardgestrick einzubinden. Dadurch wird nicht nur eine hohe Produktivität erreicht, sondern auch eine solide Methode zur Herstellung neuer Flachstrickprodukte geschaffen.

Report

Einleitung und Problemstellung

Die Flachstricktechnik eignet sich für die Herstellung von individuellen, atmungsaktiven und perfekt sitzenden Produkten. Ständig neue Trends in der Sport- und Freizeitbekleidung werden geschaffen. Die maschinen- und bindungsseitig zugrundeliegenden Technologien müssen jedoch kontinuierlich weiterentwickelt werden, um die Innovationskraft weiterhin zu steigern. Im wachstumsorientierten Markt der technischen Textilien haben sich Flachgestricke in sehr unterschiedlichen Anwendungen etabliert, unter vielen anderen als Kompressionstextilien mit einem sehr hohen Marktanteil. Kompressionsstrümpfe müssen bspw. ein angepasstes Kraft-Dehnungsverhalten in Umfangsrichtung des Beins und damit ein spezifiziertes Kompressionsverhalten dauerhaft gewährleisten. Beispielsweise muss die Kompression aus medizinischen Gründen, klassenabhängig vom Fuß aufwärts zum Oberschenkel hin abnehmen. Mit zunehmender Kompression nimmt jedoch auch die zum Anziehen erforderliche Zugkraft zu, so dass sich das Gestrick während des Anziehens in Längsrichtung lokal und global dehnt. Dies führt zunehmend zur Überdehnung der Garne in den nicht-reversiblen Bereich. Nach der Entlastung verbleibt ein nicht-reversibler Dehnungsanteil in der Gestrickstruktur, was u. a. die Passform, die Dauerhaltbarkeit und damit die therapeutische Wirksamkeit über der Nutzungsdauer beeinträchtigt. Die Überdehnung führt auch dazu, dass die Maschen reißen und folglich Löcher und Laufmaschen entstehen. Mit der bisherigen Flachstricktechnologie und den etablierten Bindungen kann allerdings nur eine minimale Einstellbarkeit der Dehnung in Maschenstäbchenrichtung erreicht werden.

Zielsetzung

Ziel war es, eine fortschrittliche Flachstricktechnologie zu entwickeln, die es ermöglicht, Kettmaschenfäden nach dem Prinzip des Kettwirkens gezielt in konventionelle Gestricke einzubinden. Damit sollen die Dehnungseigenschaften in Maschenstäbchenrichtung präzise steuerbar werden, um z. B. die Dauergebrauchseigenschaften von Kompressionstextilien u.v.m. zu verbessern. Der daraus abgeleitete Forschungsbedarf umfasst die Entwicklung eines stricktechnischen Verfahrens zur Einbindung der Kettfäden, die simulationsgestützte Beanspruchungsanalyse der Gestricke mit und ohne Kettfäden, die exemplarische Umsetzung der Maschinentechnik zur Herstellung der neuen Gestricke sowie deren umfassende textilphysikalische Charakterisierung, insbesondere des damit erzielbaren Kraft-Dehnungsverhaltens.

Projektdurchführung und Ergebnisse

Mit Unterstützung von Experten aus der Industrie wurden systematisch Anforderungen und Lösungsansätze für die Bindungstechnik von Flachgestricken mit zusätzlich eingearbeiteten Kettmaschenfäden und ein daraus abgeleitetes Lastenheft entwickelt. Dieses umfasst u. a. die Definition von drei Funktionsmustern und einem repräsentativen Demonstrator. Den Ausgangspunkt bildete eine Grundstruktur, ein Rechts/Links-Standardgestrick ohne Kettfäden. Die Grundstruktur dient als Referenz für die vergleichende Charakterisierung der Kraft-Dehnungsverhaltens. Das erste Funktionsmuster entsteht durch die Integration der Kettmaschenfäden in die Grundstruktur, wobei zunächst die Integration von fünf Kettmaschenfäden vorgesehen wurde. Die weiteren Funktionsmuster resultieren aus der Integration der Kettmaschenfäden in eine bzw. in beide Deckflächen eines Abstandsflachgestricks. Aus den Funktionsmustern wurde ein repräsentativer Demonstrator abgeleitet. Angestrebt wurde ein endkonturgerechtes, kniehohes Flachgestrick, das bspw. als komplex geformtes Kompressionstextil für medizinische oder sportliche Zwecke fungiert.

Für eine umfassende Bewertung der anvisierten Einstellbarkeit der Dehnungseigenschaften wurden u. a. die Bindungselemente „Fanghenkel“ und „Plattiermasche“ untersucht. Die Abbildung 1 zeigt die daraus konzipierten Bindungen und den Fadenlauf der Grundstruktur sowie der Kettmaschenfäden. Insbesondere kombiniert die Abbildung gleichzeitig die traditionellen Darstellungsweisen von Gestrick- und Kettengewirkebindungen. Die Abbildung 1a) illustriert den Fadenlauf einer Fanghenkel-Bindung, wobei sich die untersuchten Varianten darin unterscheiden, dass der Kettfaden entweder in jeder oder in jeder dritten Maschenreihe eingebunden ist. Die dargestellten Varianten 1b) folgen demselben Konzept, nutzen jedoch das Bindungselement Plattiermasche.

Die Strickvorgänge zur Fertigung solcher Bindungen können je nach eingesetzter Maschinentechnik unterschiedlich sein. Unter Verwendung kommerzieller Flachstrickmaschinen sind immer mehrere Strickoperationen über mehrere Maschenreihen (vgl. lateinische und römische Ziffern) notwendig. Die experimentellen Arbeiten ergaben mindestens den zeitlichen Faktor 2 gegenüber der Bildung der Grundstruktur. Damit verbunden sind erhebliche Produktivitätseinschränkungen je nach Anzahl der einzubindenden Kettfäden. Im Rahmen der Anwendung von VDI-Richtlinien wurden demgegenüber Anforderungen definiert, die sicherstellen, dass die zu entwickelten Konzepte sowohl technisch als auch wirtschaftlich tragfähig sind. Eine wesentliche Forderung ist daher die Bevorzugung von Konzepten, die keine Produktivitätseinbußen mit sich bringen.

Angesichts dieser Herausforderung mussten im Rahmen der geplanten Verfahrensentwicklung Konzepte entwickelt werden, die weit über den derzeitigen Stand der Technik hinausgehen. Nach einer eingehenden Bewertung und der Berücksichtigung zusätzlicher Anforderungsspezifikationen und technischer Kriterien wurde eine technologische Vorzugslösung für die hochproduktive Integration der Kettmaschenfäden erarbeitet. Die Vorzugslösung sieht vor, dass die Kettfäden entsprechend der stricküblichen Maschenbildung Nadel für Nadel parallel zur Bildung der Grundstruktur in die jeweilige Stricknadel eingelegt und abgebunden werden. Die dazu notwendigen Bewegungen müssen somit synchron zur Bewegung jeder einzelnen Stricknadel, definiert vor- und nacheilend entsprechend der Kulierkurve des Strickschlittens und der umzusetzenden Bindungselemente erfolgen.

Die technische Umsetzung der Vorzugslösung bedarf einer komplexen technischen Einrichtung bspw. in Form eines mechanischen oder elektromechanischen Getriebes zur Bewegungsrealisierung jedes Einlegeelementes sowie synchronisierte Bewegungsabläufe zum gewöhnlichen Maschenbildungsprozess und aller damit verbundenen Funktionen u.a. Strickschlittenbewegung, Musterung, Nadelauswahl, Bindung. Die weiteren Arbeiten fokussierten die konstruktive Entwicklung und Umsetzung der Vorzugslösung vgl. Abbildung 2a) sowie deren Komplettierung zu einer modularen Einrichtung bestehend aus einem Hauptfunktionsträger (1) und der funktionalen Einrichtung (2). Eine am ITM vorhandene Handflachstrickmaschine vgl. Abbildung 2b) wurde exemplarisch damit ausgerüstet. Alle Funktionen wurden im Forschungsumfeld durch mechanische Getriebe und bindungsabhängige Steuerkurven umgesetzt.

Auf der exemplarisch realisierten Maschinentechnik erfolgte die funktionelle Erprobung u.a. die Einstellung technologischer und bindungsabhängiger Parameter. Dies betrifft die Anordnung der Bindungselemente Plattiermasche, Fanghenkel, Flottung, Flottlänge und Bindungsrapport.

Die Abbildung 3a) zeigt eine Aufnahme während der Maschenbildung von Grundstruktur und der zu bindenden Kettfäden. Die Innovation besteht darin, dass die Maschenbildung der Grundstruktur und der Kettmaschenfäden mit nur einer Strickschlittenbewegung parallel zur Bildung der Grundstruktur erfolgt. Dadurch entstehen große Produktivitätsvorteile, da Strickoperationen über mehrere Maschenreihen vermieden werden. Final wurden die geplanten Funktionsmuster mit verschiedenen Bindungskombinationen gemäß der in Abbildung 1 dargestellten Bindungen und Flottierungen umgesetzt und für weitere Arbeiten, insbesondere die wichtige Kennwertermittlung bereitgestellt. Die Abbildungen 3b) zeigen gefertigte Gestricke mit eingebundenen, teilweise flottierenden Kettfäden, die als Plattiermaschen und Fangmaschen eingebunden sind.

Die praxistaugliche Übertragbarkeit der Vorzugslösung in vollautomatische Flachstrickmaschinen z. B. unter Verwendung leistungsfähiger mechatronischer Antriebe und deren bindungsabhängige Steuerung für die erforderlichen Bewegungsabläufe wurde während der Entwicklungsarbeiten sichergestellt. Zudem wurde eine hohe Prozesssicherheit nachgewiesen. Schlittengeschwindigkeiten bis zu 3 m/s sind auf Basis der durchgeführten Berechnungen möglich, sodass beste Voraussetzungen für die industrielle Realisierung der neuen Technologie bestehen.

Um die Beanspruchung der Funktionsmuster zu charakterisieren, wurden die realisierten Varianten in Anlehnung an die Norm DIN 53835-13 statischen und dynamischen Streifenzugversuchen unterzogen. Die Abbildung 4 zeigt das statistisch abgesicherte Kraft-Dehnungsverhalten der neuen Flachgestricke mit eingebundenen Kettfäden in jeder Maschenreihe mit den Bindungselementen Fanghenkel a) und Plattiermasche b) im Vergleich zur Grundstruktur. Die Variante Fanghenkel a) zeigt einen stark progressiven Steifigkeitsanstieg mit Beginn der aufgebrachten Kraft ab 5 % Dehnung. Die zunehmende Steifigkeit wirkt der Dehnung in Längsrichtung entgegen. Die notwendige Kraft nimmt bei 25 % Dehnung um etwa den Faktor 3 gegenüber der Grundstruktur zu und wirkt damit stark dehnungsbegrenzend. Die als Plattiermasche gebundenen Kettfäden, zeigen ein anderes signifikantes Verhalten, das bis ca. 25 % Dehnung mit der Grundstruktur übereinstimmt und ab 40 % Dehnung ansteigt. Die als Fanghenkel eingebundenen Fäden ermöglichen eine hohe Versteifung der Grundstruktur, da die Fäden gestreckter liegen als die als Plattiermasche eingebundenen Fäden. Insgesamt ist die gezielte Beeinflussbarkeit der Dehnung in Maschenstäbchenrichtung festzustellen. Die integrierten Kettfäden können die Kräfte z.B. bei lokaler oder globaler Überbeanspruchung so aufnehmen, dass die Grundstruktur intakt bleibt, was die Dauerhaltbarkeit von Flachgestricken gegenüber dem Stand der Technik deutlich verlängern kann.

Der Vergleich aller Ergebnisse zeigt unverkennbar, dass das Dehnungsverhalten mittels der als Fanghenkel oder Plattiermasche eingebundenen Kettfäden durch:

  • die Nutzung steiferer Garne für die Kettfäden z.B. Umwinde- oder Flechtgarne,
  • die Erhöhung der Garnmenge bzw. Feinheit pro Kettfaden und/oder
  • die Einbeziehung von Mehrfachanordnungen der Kettfäden

breit modifizierbar ist.

Insgesamt wird der Forschungsansatz durch die umfangreiche Bereitstellung der Versuchsergebnisse bestätigt.

Lastenheftbasierend wurde im letzten Schritt der Projektdurchführung eine konventionelle Konstruktion eines Kompressionstextils für den Demonstrator zugrunde gelegt u. a. eingearbeitete elastische Umwindegarne zur Kompressionserzeugung sowie die angestrebte Mehrfachanordnung der neuen Kettmaschenfäden. Die Dehnbarkeit wurde unter Anwendung aller im Rahmen der Projektdurchführung eruierten Ergebnisse auf 50 % begrenzt, sodass eine Überbelastung des Gestricks vermieden wird und die Dauerhaltbarkeit deutlich besser gewährleistet werden kann, als durch bisherige Flachgestricke. Die Abbildung 5a) zeigt diesen Demonstrator als maschinenfallendes Flachgestrick mit 14 integrierten Kettmaschenfäden. Die Abbildung 5b) verdeutlicht das Textil nach nähtechnischer Verarbeitung passgenau auf einem zugrunde gelegten Beinmodell.

 

Damit konnte nachgewiesen werden, dass ein neues Verfahren zum gleichzeitigen Stricken und Wirken erfolgreich entwickelt wurde. Neue textile Strukturen mit definieren Eigenschaften für diverse Anwendungen können anforderungsgerecht realisiert werden.

 

Zusammenfassung

Die neu entwickelten Flachgestricke mit integrierten Kettmaschenfäden erlauben eine präzise Anpassung der Dehnungs- und Zugeigenschaften in Maschenstäbchenrichtung. Eine Möglichkeit, die zuvor nicht gegeben war, ohne gleichzeitig die Dehnungseigenschaften in der senkrechten Richtung zu beeinträchtigen. Diese Innovation ist besonders bedeutsam für die Entwicklung und Herstellung von Gestricken, da sie es Herstellern ermöglicht, ihre Produktvielfalt zu erweitern. Die Gesamttechnologie bestehend aus Vorzugskonzept und Bindung hat nicht nur in Kompressionstextilien Anwendungspotenzial, sondern in allen Maschenwaren, bei denen ein einstellbares Dehnungsverhalten in Maschenstäbchenrichtung erwünscht wird. Dies ist besonders vorteilhaft für Flachgestricke, wie z.B. Kniestrümpfe, Strumpfhosen und Leggings, die normalerweise aufgrund ihrer i.d.R. großen Dehnbarkeit in Maschenstäbchenrichtung stufenweise angezogen werden müssen. Weiterhin eröffnet das Verfahren Möglichkeiten für neue, ästhetisch ansprechende Designs in der Modeindustrie. Die Ergebnisse demonstrieren, dass das Zugverhalten so präzise eingestellt werden kann, dass Eigenschaften wie bi-modulares Kraft-Dehnungsverhalten erzeugt werden können. Intelligente Materialien, die durch die Kombination von Bimodul-Flachgestricken bspw. mit elastomeren Matrizes entstehen, könnten ebenfalls zukünftige Märkte erschließen.

 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21967 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Weiterhin danken wir den Firmen des projektbegleitenden Ausschusses für die fachliche Unterstützung sowie allen weiteren Partnern, die in der Forschungsarbeit zu diesem Themenkreis unterstützten. Der Schlussbericht ist über den Gesamtverband der deutschen Textil- und Modeindustrie e. V., Berlin beziehbar. Weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) erhältlich.

Autor: Sven Hellmann

Kontakt: sven.hellmann@tu-dresden.de

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

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

Authors: Sven Hellmann

Contact:

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

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

Hybride Strick-Wirk-Technologie Einstellbares bimodulares Verformungsverhalten Kettfädenintegration in Flachgestricke Innovative Kompressionstextilien

Downloads:

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

more close Print
Hinterbein einer amerikanischen Großschabe periplaneta americana (a) und abgeleitetes Konzept eines mehrgliedrigen Gelenkarms als aktiv verformbares 3D-FKV-Bauteil (b)
21.05.2024

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Aktiv verformbare Gelenke für Smart Composite Anwendungen

Knittings Composites Sensor Technology Technical Textiles Smart Textiles

Abstract

Funktionsintegrierte aktiv verformbare Faserkunststoffverbunde, auch Smart Composites genannt, gewinnen stetig an Bedeutung und finden zunehmend Anwendung in allen volkswirtschaftlichen und technologischen Leitbranchen, wie dem Fahrzeug‑, Maschinen‑ und Anlagenbau sowie in der Medizin‑, Umwelt‑ und Luftfahrttechnik.

Im IGF-Projekt 21969 BR erfolgte am ITM die simulationsgestützte Entwicklung gestrickter 3D-Preformen zur Realisierung aktiv verformbarer 3D-Faserkunststoffverbunde mit mehrachsigem Festkörpergelenk. Dabei werden als Aktoren Drähte aus Formgedächtnislegierung eingesetzt und textiltechnisch direkt in die textilen Verstärkungsstrukturen integriert, die einmal in der Matrix eingebettet die spätere Beweglichkeit des Bauteils sicherstellen. Dadurch sind erstmalig das Leichtbaupotenzial von Hochleistungsfasern und das Leistungspotenzial textilbasierter Aktoren zur Erzielung komplexer 3D-Bewegungen in hohem Maße ausnutzbar, was langfristig zu einer deutlichen Steigerung der Energieeffizienz von Systemen und Komponenten beiträgt.

Report

Einleitung und Problemstellung

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

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

Zielsetzung

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

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

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

Ergebnisse

Simulationsgestützte Strukturauslegung

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

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

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

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

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

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

Aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile

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

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

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

Zusammenfassung

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

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

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

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21969 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel sowie den involvierten Unternehmen im projektbegleitenden Ausschuss für die fachliche Unterstützung und die Bereitstellung von Versuchsmaterial. Der Forschungsbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

 

Literaturverzeichnis

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

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

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

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

129.

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

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

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

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

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

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

Authors: Bollengier, Quentin Rabe, David Mersch, Johannes Annadata, Achyuth Ram Gereke, Thomas Häntzsche, Eric Cherif, Chokri

Contact:

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

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

Faser-Kunststoff-Verbunde Smart Composites Funktionsintegration 3D-Preform Gestrick

Downloads:

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

more close Print
07.05.2024

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

Validierung und Entwicklung von Elektrospinnverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Nanofaserstrukturen

Nonwovens Medicine

Abstract

Fasst man die Ergebnisse der evaluierten Spinnverfahren zusammen, so zeigt sich, dass sie erfolgreich 3D-Proben mit Dicken weit über der Mindestanforderung von 1 mm hergestellt haben. Diese Erfolge wurden jedoch von bemerkenswerten Mängeln bei verschiedenen anderen Aspekten der Proben begleitet. Das auffälligste Manko war die durchgängige Produktion von Fasern im Mikrometerbereich. Die Lösung dieses Problems ist eine Priorität für die kommenden Studien, bei denen die vorgeschlagenen Verbesserungen mit dem Ziel umgesetzt werden sollen, Faserdurchmesser im Nanometerbereich zu erreichen. Trotz dieser Herausforderungen wiesen die kryogen hergestellten Proben eine sehr gute Gleichmäßigkeit des Gerüsts auf, so dass sie sich potenziell für Anwendungen in der TE eignen. Dennoch stellt das Vorhandensein von Faserschmelzen, das auf eine unzureichende Lösungsmittelverdampfung zurückzuführen ist und mit dem Faserdurchmesser zusammenhängt, ein Hindernis dar, das gelöst werden muss.

Report

Abstract

Ziel dieser Studie ist die Herstellung von Nanofaservliesen mit einer stark dreidimensionalen Struktur. Dazu werden im Lösungsmittelelektrospinnen Kollektor Geometrien variiert und Proben Nachbehandlungsmethoden erarbeitet.

Der erste Teil dieser Studie umfasst die Reproduktion und Evaluation von bereits veröffentlichten Strategien zum Herstellen von dreidimensionalen Nanofaservlies Strukturen. [DMC+10] Aus diesen Versuchen werden modifizierte Kollektoren und Spinnvorgänge hergeleitet, welche konsistentere Ergebnisse und vereinfachte Versuchsaufbauten darstellen. Des Weiteren wurden auch Methoden zur Nachbehandlung von frisch gesponnenen Proben evaluiert und entwickelt. Diese Proben wurden in der Analyse auf Fasermorphologie, Gleich-mäßigkeit ihrer Dicke, Porengrößenverteilung und Porosität untersucht. Eine Analyse von REM-Bildern wurde unternommen um strukturelle Defekte zu erkennen.

Es wurden zwei zentrale Methoden zur Herstellung dreidimensionaler Nanofaservliese entwickelt, von denen eine Methode in der Lage ist bereits gesponnene Vliese um das mehrfache ihrer Dicke zu expandieren. Stabile Spinnparameter wurden zu allen Methoden gefunden, jedoch resultierten in allen Fällen Mikrofasern.

1. Einleitung

Weltweit leiden jedes Jahr Millionen von Menschen an schweren Verletzungen, genetischen Defekten und Krankheiten. Diese Ursachen können dazu führen, dass Patienten in ihrer Funktion eingeschränkt sind oder ihre Organe nicht mehr richtig funktionieren. Um die Symptome zu beheben oder die Funktion der geschädigten Organe wiederherzustellen, ist in vielen Fällen eine Implantation erforderlich. Eine solche Implantation wird derzeit mit Spenderorganen von menschlichen Spendern (Allografts), von Tieren (Xenografts) oder mit synthetischen Prothesen durchgeführt. Diese Implantate sind jedoch mit Einschränkungen verbunden. Allografts erfordern menschliches Spendergewebe, das nur in begrenzter Menge zur Verfügung steht und aufgrund der Variabilität des Gewebes selbst nicht universell geeignet ist. Xenotransplantate hingegen können in ihren physikalischen Eigenschaften nicht kontrolliert werden, sind ebenfalls nur begrenzt verfügbar und haben zudem eine kurze Lebensdauer, wenn sie implantiert werden. Und schließlich werden synthetische Prothesen häufig vom Immunsystem der Patienten abgestoßen. [Has17]

Um diesem Mangel abzuhelfen, entstand in den frühen 1980er Jahren das Tissue Engineering (TE), ein neuer Bereich der Biowissenschaften und der Medizintechnik. TE zielt darauf ab, das Problem der Verfügbarkeit von Spendergewebe zu lösen, indem das Ersatzgewebe unter Laborbedingungen künstlich gezüchtet wird. Bei der TE werden zunächst Zellen des geschädigten Gewebetyps auf ein Gerüst ausgesät, das der Morphologie des gewünschten Organs/Gewebes ähnelt. Ein solches Gerüst kann künstlich aus natürlichen oder synthetischen Polymeren (wie z.B. Polycaprolacton) hergestellt werden und bietet Bindungsstellen und Hohlräume, in denen die Zellen wachsen können. Um dann die Zellen zu vermehren und ihr Überleben zu sichern, müssen eine ausreichende Masse und der Nährstofftransport in vitro simuliert werden. Daher werden Bioreaktoren verwendet, die den Transport von Nährstoffen und Gasen durch das Gerüst ermöglichen und auch mechanische Stimuli liefern können. Gerüste spielen eine Schlüsselrolle in der TE, da sie ein Substrat für die Aussaat und das Wachstum von Zellen bieten und dem gezüchteten Gewebe mechanische Integrität verleihen. Gerüste können aus vielen Materialien mit unterschiedlichen Methoden hergestellt werden; ihr gemeinsames Ziel ist es jedoch, die natürliche extrazelluläre Matrix (EZM) genau nachzuahmen. Die EZM ist eine dreidimensionale Struktur aus nanoskaligen faserähnlichen Proteinen, Strukturmolekülen und Klebstoffmolekülen, die ein in-vivo-Gerüst für Zellen bildet. Zur Herstellung solcher Nanofasern kann das Elektrospinnen verwendet werden, da es die einfache Herstellung von nanoskaligen Fasern mit einer sehr anpassungsfähigen Fasermorphologie ermöglicht. Durch Änderung der Spinnparameter können der Faserdurchmesser, die Porengröße und auch die Ausrichtung der Fasern beeinflusst werden, was zur Herstellung von Gerüsten für bestimmte Gewebetypen genutzt werden kann. [BTA+11; BK10]

2. Materialien und Methoden

Das für alle Versuche verwendete Polycaprolacton (PCL) wird als geschreddertes Granulat gewonnen, das unter dem Markennamen Purasorb PC12 von Corbion N.V. (Amsterdam, Niederlande) verkauft wird. Dieses PCL-Granulat ist von medizinischer Qualität und hat ein mittleres Molekulargewicht von 114,14 g/mol. Als Lösungsmittel zur Herstellung der Spinnlösung wurden Chloroform und Methanol verwendet. Chloroform wird von der Carl Roth GmbH & Co. KG (Karlsruhe, Deutschland) mit einer Reinheit von ≥99 % und einer molaren Masse von 119,38 g/mol. Das Methanol wird von der VWR International GmbH (Darmstadt, Deutschland) mit einer Reinheit von ≥98,5 % und einer Molmasse von 32,04 g/mol geliefert.

Für Experimente, bei denen ein Trockeneiskollektor oder ein Flüssigkeitskollektor verwendet wird, werden Trockeneis, Ethanol und Spülmittel verwendet. Für trockeneisgekühlte Experimente wird Trockeneis in Blockform von der TBS GmbH (Aachen, Deutschland) bezogen. Für Experimente, bei denen Flüssigkollektoren verwendet werden, wird Ethanol von Sigma-Aldrich Chemie GmbH (St. Louis, Missouri, USA) mit einer Reinheit von ≥99 % und einer molaren Masse von 46,07 g/mol geliefert. Für Experimente, bei denen Wasser als Flüssigkollektor verwendet wird, wird Spülmittel unter der Bezeichnung Alio "Ultra classic" von der DALLI-WERKE GmbH & Co. KG (Stolberg, Deutschland) verkauft wird, als Tensid verwendet.

Alle Elektrospinnverfahren werden mit einer kommerziellen Elektrospinnmaschine des Typs LE-500 von BIOINICIA SL (Paterna, Spanien) durchgeführt. Die verwendeten Kollektoren werden in Kapitel 5.2, Vorversuche, beschrieben und dargestellt. Abb. 4.1 zeigt einen Überblick über die Maschine. Der Aufbau besteht darin, den Tisch der Maschine mit einem Styropor-Isolator und einer chemikalienbeständigen Kunststoffmatte vorzubereiten. Dadurch wird der Tisch während der Versuche von elektrischen Ladungen isoliert und sichergestellt, dass nur die vorgesehenen Kollektoren auf dem Tisch Hochspannung erhalten.

2.1 Morphologie der Fasern

Zur Bestimmung des Faserdurchmessers wird ein optisches Lichtmikroskop der Serie DM4000 M von Leica Microsystems GmbH (Wetzlar, Deutschland) verwendet. Die Proben werden mit Durchlicht- oder Koaxialbeleuchtung gemessen. Um Daten zum Faserdurchmesser zu erhalten, werden für jede Probe drei verschiedene Fasern gemessen. Für diese Messungen wird die Software "Leica Application Suite Version 3.8" (Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Deutschland) verwendet. Aus diesen Daten werden für jeden Probentyp ein mittlerer Faserdurchmesser und eine Standardabweichung berechnet.

2.2 Gerüstdicke und Gleichmäßigkeit

Für zuverlässige Messungen wurde ein Messgerät entwickelt, siehe Abb. 4.3. Es besteht aus einem Aluminiumrahmen mit befestigten Kunststoffplatten, von denen eine als Hintergrund dient und Millimeterpapier als Referenz verwendet wird. Der Rahmen dient als Kameraauflage und gewährleistet die parallele Ausrichtung mit der Hintergrundplatte. Die Proben werden an einer Krokodilklemme aufgehängt und mit einem Seitenanschlag für eine genaue Messung positioniert. ImageJ wird zur Verarbeitung der Probenbilder verwendet, wobei der Maßstab des Geräts als Größenreferenz dient. Für jede Probe werden zwei Messreihen durchgeführt, die jeweils aus drei Punkten bestehen, wie in Abb. 4.4 dargestellt. Der erste Satz bewertet die gesamte Probe, wobei 10 % von jedem Rand ausgeschlossen werden. Dies dient dazu, große Abweichungen zu vermeiden, da die Probenränder oft unregelmäßig geformt sind. Die verbleibende Länge wird in vier Abschnitte unterteilt, von denen drei gemessen werden. Der zweite Satz konzentriert sich auf einen 20 mm langen Abschnitt des breitesten und gleichmäßigsten Bereichs der Probe, an dem drei Messungen vorgenommen werden. Aus diesen Messungen lassen sich die durchschnittliche Dicke und die Standardabweichung berechnen, die als Indikatoren für die Gleichmäßigkeit der Probe dienen.

2.3 Porosität

Die Quantifizierung der Porosität erfolgt mit Hilfe von Micro-CT-Scans, die in GeoDict (Simulationssoftware für digitale Materialforschung und -entwicklung, Math2Market GmbH, Kaiserslautern, Deutschland) analysiert werden. Abb. 4.5 zeigt solche Scandaten und ein Modell in GeoDict. Aus jedem Satz von sechs Proben werden drei gleichmäßigere Proben auf der Grundlage von Dicken- und Gleichmäßigkeitsmessungen ausgewählt, wie in Kapitel 4.5.1 beschrieben. Die verbleibenden drei Proben jedes Satzes werden einer SEM-Analyse unterzogen.

Während der Mikro-CT-Scans werden die Proben in einer Halterung befestigt, um Bewegungen zu verhindern. Die Probe wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt, während der Halter langsam rotiert. Der Scan erzeugt eine REK-Datei und Querschnittsbilder, die zur Visualisierung der 3D-Daten in GeoDict hochgeladen werden. In GeoDict definieren die Benutzer eine Hohlraumreferenz im 3D-Modell, die es dem Programm ermöglicht, das Volumen aller Poren zu identifizieren und zu berechnen. Durch den Vergleich des Gesamtvolumens mit dem Hohlraumvolumen gibt das Programm den prozentualen Anteil des Hohlraums am Fasermaterial aus, der als Porosität bezeichnet wird.

​​​​​​​2.4 Porengrößenverteilung

Für die Analyse der Porengrößenverteilung wird ein Porometer verwendet. Die Tests werden in zwei Schritten durchgeführt, zuerst mit der trockenen Probe und dann mit der gleichen Probe nach Befeuchtung mit Topor von Topas GmbH (Dresden, Deutschland). Bei der Nassprüfung wird der Bubble-Point bestimmt, der zur Berechnung des Porendurchmessers herangezogen wird. Die Porengrößenverteilung, einschließlich der mittleren Porengröße, der Standardabweichung und des Medians, wird in einer Excel-Tabelle erstellt.

​​​​​​​2.5 Rasterelektronenmiskroskop (REM)

Zur qualitativen Analyse größerer Bereiche der Probe sowie zur Erkennung von strukturellen Unregelmäßigkeiten in den Proben wird ein Rasterelektronenmikroskop verwendet. Darüber hinaus ermöglicht die REM-Bildgebung die Erkennung von Veränderungen in der Gesamtstruktur der Proben, die nach dem Schleudern im Vakuum behandelt wurden. Ähnlich wie die Porometerprüfung ist dieser Test zerstörend, daher werden nur drei Proben aus jedem Satz von sechs verwendet.

Um die Proben zu prüfen, werden sie mit Gold beschichtet. Die so vorbereiteten Proben werden in das REM gelegt, und die Bildgebung wird mit der REM-Kavität unter Vakuum gestartet. Die daraus resultierenden Bilder können einen relativ großen Bereich der Proben darstellen, ohne dass die Tiefenschärfe wie bei optischen Mikroskopen eingeschränkt ist. So kann die 3D-Struktur großer Teile der Proben in nur einem Bild dargestellt werden. Dies ermöglicht die Erkennung von Schäden in der Probenstruktur und eine qualitative Bewertung der Probenqualität.

3. Ergebnisse

Lösungs- und Scaffold-Eigenschaften

Zur Herstellung der Elektrospinnlösung wird das hygroskopische PCL-Polymer 24 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 40 °C und 50 mbar Druck getrocknet. Die erforderliche Polymermasse (4,257 g) wird anhand der angegebenen Gleichung für eine 20-ml-Lösung mit 14 Gew.-% PCL ermittelt. Das Lösungsmittel, eine 3:1-Mischung aus Chloroform und Methanol, wird mit einem Magnetrührer in den mit dem Polymer gefüllten Kolben gegeben. Nach 24 Stunden auf einer Magnetrührerplatte wird die Lösung visuell auf ungelöstes Polymer untersucht. Ist dies nicht der Fall, kann die Lösung für Elektrospinnversuche verwendet werden. Es wurden mit Hilfe von 2 verschiedenen Elektrospinnmethoden, Vliese aus PCL hergestellt welche eine Dicke von 0,5 mm weit überschreiten.

Bei den zwei Methoden handelt es sich um folgende:

  • Elektrospinning mit einem Flüssigkeitsbadkollektor 
  • Elektrospinning auf einem mit Trockeneis versetztem Kollektor (Kryogenisch)

Für den Bau eines Flüssigkeitsbadkollektors mit einer aufgehängten Elektrode wird Aluminiumfolie verwendet, da sie leicht zugänglich ist und leicht verändert werden kann. Der Durchmesser des Becherglases wird gemessen und ein Kreis aus der Aluminiumfolie geschnitten, wobei 5 mm abgezogen werden, um einen Spalt zwischen der Elektrode und den Becherwänden zu schaffen. Zwei Streifen Alufolie werden mit Heftklammern an dem kreisförmigen Ausschnitt befestigt. Diese Streifen werden für den Anschluss an die Stromversorgung verwendet. Die Elektrode wird in das Becherglas gelegt, 15 mm über dem Boden positioniert und mit Klebeband sicher befestigt. Die Streifen werden über die Ränder des Bechers gefaltet, entlang der Außenseite des Glases geformt und unterhalb des Bechers mit Heftklammern befestigt. An der Verbindungsstelle wird eine Krokodilklemme für den Anschluss an die Hochspannungsversorgung angebracht. Dieser Aufbau wird in folgender Abbildung dargestellt.

s. Abbildung 3.1 Flüssigkeitskollektor mit eingetauchter Elektrode und REM-Aufnahme des damit hergestellten Gerüsts

Für den Bau eines Trockeneiskollektors wird eine Platte aus rostfreiem Stahl gewählt, weil sie korrosionsbeständig ist und sich für die Medizintechnik eignet. Die Platte wird in ein 12 cm langes Quadrat geschnitten und an einer Ecke wird ein Bolzen angeschweißt. An den Bolzen wird dann eine Krokodilklemme für den Anschluss an die Hochspannungsversorgung angebracht. Diese Platte wird während des Spinnvorgangs direkt auf einen Trockeneisblock gelegt. Dieser Aufbau wird ebenfalls in der folgenden Abbildung dargestellt.

s. Abbildung 3.2 Kryogener Flachkollektor und REM-Aufnahme des damit hergestellten Gerüsts

Die Bewertung der Fasermorphologie erfolgt durch drei Messungen pro Probe mit einem optischen Mikroskop. Bei sechs Proben pro Spinnverfahren ergibt dies insgesamt 18 Messungen für jeden Probentyp. Der mittlere Faserdurchmesser und die Standardabweichung für jedes Herstellungsverfahren sind in Abb. 3.3 dargestellt.

s. Abbildung 3.3 Mittlere Faserdurchmesser gruppiert nach Probentyp, einschließlich Standardabweichung

 

Bei der Auswertung der Daten wird deutlich, dass das Ziel, Faserdurchmesser ≤1 μm zu erreichen, nicht erreicht wurde. Bei allen Spinnverfahren wurde dieses Ziel um etwa das 2- bis 3-fache übertroffen, was darauf hindeutet, dass die alleinige Anpassung des Abstands zwischen Düse und Kollektor unzureichend war. Um dieses Problem zu lösen, werden iterativ Anpassungen der Spinn- und Lösungsparameter untersucht, die das Potenzial haben, mit den getesteten Produktionsmethoden Fasern in Nanometergröße herzustellen.

Die Dicke der Vliese und ihre Gleichmäßigkeit werden in Boxplots dargestellt. Jeder Probentyp umfasst 18 Messungen pro Messart. Die Linien in den Diagrammen zeigen den Bereich der Probendicke mit den maximalen und minimalen Werten an. Für die Verwendung von Tissue-Engineering (TE)-Gerüsten liegt der Schwerpunkt jedoch auf den Kästchen, die den Größenbereich von 50 % der Dickenwerte pro Probentyp darstellen. Kleinere Kästchen zeigen eine bessere Gleichmäßigkeit der Probe an, da die Hälfte der Dickenmessungen in einen engen Bereich fällt.

s. Abbildung 3.4 Boxplot der Dickenmessungen nach Messart 1 (gesamte untersuchte Probe)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle Proben die geforderte Dicke von ≥1 mm übertreffen, wobei die geringste beobachtete Dicke dieses Ziel um das Vierfache übertrifft. Kryogen hergestellte Proben weisen eine überragende Gleichmäßigkeit auf, wobei 50 % der Dicken innerhalb eines Bereichs von 0,5 mm liegen. Im Gegensatz dazu weisen andere Produktionsmethoden eine weniger gleichmäßige Verteilung auf, was sie für die Verwendung als TE-Gerüst weniger geeignet macht.

Porosität und Porengrößenverteilung der Testproben sind als Balkendiagramme mit Standardabweichungen dargestellt. Für jede Produktionsmethode wurden drei Proben getestet.

Porosität:

Die Analyse der Porositätsdaten in Abb. 2.5 zeigt, dass die Trockeneis Proben den Porenanteil der im Flüssigkeitsbad hergestellten Proben deutlich erhöht hat, und zwar um das ungefähr Dreifache. Allerdings erreicht keine der Proben die angestrebte Porosität von ≥85 %, wobei der höchste Wert bei einer Trockeneis Probe mit 31,70 % beobachtet wurde. Dies könnte Auswirkungen auf die Verwendung der Proben als TE-Gerüste haben, da die Porosität für die Anhaftung, die Permeation und das Wachstum von Zellen innerhalb des Gerüsts entscheidend ist.

s. Abbildung 3.5 Mittlere Porosität der Proben, gruppiert nach Typ, einschließlich Standardabweichung

Porengrößenverteilung:

Bei der Bewertung der Porengrößenverteilung mit einem Porometer wurde festgestellt, dass die Produktionsmethoden nur minimale Auswirkungen auf die Porengrößen der Proben hatten. Dies wird in Abb. 2.6 deutlich, wo sich die Linien, die die Standardabweichung darstellen, für fast alle Proben überschneiden. Die einzige Ausnahme ist eine Probe, die mit einem Flüssigbadkollektor hergestellt wurde; der zu große Variationskoeffizient dieser Probe (Standardabweichung im Vergleich zum Mittelwert) deutet jedoch auf Unzuverlässigkeit hin und sollte beim Vergleich von Proben und Methoden außer Acht gelassen werden. Keine der Proben mit einem guten Variationskoeffizienten konnte die angestrebte Porengröße von 20 bis 30 μm erreichen, was eine mögliche Einschränkung für die Zellpermeation in TE-Anwendungen darstellt.

s. Abbildung 3.6 Mittlere Porengrößen gruppiert nach Probenart, einschließlich Standardabweichung

Nichtsdestotrotz überschreiten die Porengrößen von ± 5 μm die standardmäßigen Porengröße von eketrogesponnenen PCL Nanofaservliese von ± 3 μm. Darauf aufbauend können iterativ Änderungen im Elektrospinnprozess vorgenommen werden, um die Porengröße der erstellten PCL Vliese zu vergrößern.

Literaturliste

[BK10]           Bhardwaj, Nandana; Kundu, Subhas C.
Electrospinning: a fascinating fiber fabrication technique
Biotechnology advances. Bd. 28 (2010) H. 3, S. 325–347

[BTA+11]      Blakeney, Bryan A.; Tambralli, Ajay; Anderson, Joel M.; Andukuri, Adinarayana; Lim, Dong-Jin; Dean, Derrick R.; Jun, Ho-Wook
Cell infiltration and growth in a low density, uncompressed three-dimensional electrospun nanofibrous scaffold
Biomaterials. Bd. 32 (2011) H. 6, S. 1583–1590

[DMC+10]    Da Alves Silva, M. L.; Martins, A.; Costa-Pinto, A. R.; Costa, P.; Faria, S.; Gomes, M.; Reis, R. L.; Neves, N. M.
Cartilage tissue engineering using electrospun PCL nanofiber meshes and MSCs
Biomacromolecules. Bd. 11 (2010) H. 12, S. 3228–3236

[Has17]         Hasan, A. (Hrsg.)
Tissue engineering for artificial organs. - Weinheim: Wiley-VCH, 2017

 

 

Authors: Schlinkmann, Robin Zanders, Roman Gries, Thomas

Contact:

Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Straße 1, 52074 Aachen

Elektrospinning(14554) Nanofaserstrukturen Polycaprolacton Tissue Engineering

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
Abbildung 4: (li.) Demonstrator Faserkunststoffverbundbauteil mit komplexer Schale/Rippen-Anordnung; (re.) Detailierung der Rippen, gerichteter Faserverstärkung von der Schale in die Rippe
29.04.2024

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Thermoplastische Schale/Rippen-Bauteile mit durchgängiger Faserverstärkung

Fibres Yarns Knittings Composites Technical Textiles

Abstract

Im Bereich des Automobil- und Maschinenbaus wird kontinuierlich nach Innovationen gesucht, um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden. Ein Bereich, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, sind Schale/Rippen-Bauteile aus endlosfaserverstärktem Thermoplast. Bisherige Herstellungsverfahren sind jedoch komplex und führen zu unzureichender Faserverstärkung in den Rippen, was deren potenzielle Einsatz in hochbelastbaren Bauteil verhindert. Der Übergangsbereich zwischen der Schale und den Rippen ist besonders anfällig für strukturelle Defizite, die eine Überdimensionierung der Bauteile erfordern, um das Versagensrisiko, einschließlich Delamination, zu minimieren. Im abgeschlossenen Forschungsprojekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung wurden daher Verstärkungstextilien entwickelt, die diese Problematik lösen, indem Fasern während der Verbundbildung in anspruchsvolle 3D-Bauteilgeometrie bedarfsgerecht fließen können. Das Ergebnis ist eine gleichmäßige Endlosfaserverstärkung der Schale sowie eine durchgängige stapelfaserbasierte Verstärkung von der Schale in die Rippe sowie der Rippe selbst. Diese Technologie ermöglicht anordnungsabhängig eine Steigerung der Steifigkeit und Festigkeit thermoplastischer Bauteile um mindestens 50 % und kann unerwünschte Delaminationen verhindern.

Report

Einleitung und Problemstellung

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

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

Zielsetzung

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

Ergebnisse

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zusammenfassung

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

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21372 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Weiterhin danken wir den Firmen des projektbegleitenden Ausschusses für die fachliche Unterstützung sowie allen weiteren Partnern, die in der Forschungsarbeit zu diesem Themenkreis unterstützten. Der Schlussbericht ist über den Gesamtverband der deutschen Textil- und Modeindustrie e. V., Berlin beziehbar. Weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) erhältlich.

Authors: Sven Hellman

Contact:

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

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

Schale/Rippen-Bauteile thermoplastisch Mehrlagenflachstricktechnik Mehrlagengestrick Faser-Kunststoff-Verbunde Hybridgarne

Downloads:

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

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

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Entwicklung endkonturgerechter Multiaxialgelege mit lokal einstellbarer, bauteilgerechter Verstärkungskettfadendichte

Knittings Textile machinery Technical Textiles

Abstract

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

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

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

Report

Ausgangssituation und Problemstellung

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

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

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

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

Technische Entwicklung und Umsetzung

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

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

Selektives Trennen

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

Vorbringen der Kettfäden

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

Anfügen der Kettfadenenden

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

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

Materialcharakterisierung und Ergebnisse

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

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

Zusammenfassung

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

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

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

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21968 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Schlussbericht und weiterführende Informationen sind am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden erhältlich.

Authors: Konrad Zierold André Seidel Lars Hahn Chokri Cherif

Contact:

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

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

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

Downloads:

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

more close Print
03.01.2024

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

Innovative Verfahren für das Recycling von textilen Bodenbelägen

Nonwovens Recycling Circular economy Technical Textiles Interior Textiles

Abstract

Im Rahmen des Projekts ist das Ziel, Chemiefasern thermochemisch zu recyceln und eine stoffliche Nutzung zu erzielen, anhand von Bodenbelägen als Beispiel. Zu diesem Zweck wird ein materialspezifischer pyrolytischer Prozess entwickelt, um die Bestandteile der Bodenbeläge zu depolymerisieren. Die gewonnenen Öle aus der Pyrolyse werden gereinigt, um Monomere zu gewinnen, die anschließend polymerisiert werden. Zum Schluss werden Filamente ausgesponnen und zu einem Nadelvliesbodenbelag verarbeitet.

Report

Einleitung:

Es wird geschätzt, dass weltweit weniger als 3 % des Materials, das zur Herstellung von Kleidung verwendet wird, zu neuen Kleidungsstücken recycelt wird. Derzeit werden in der EU-Sammelquoten für Textilabfälle auf 25 % geschätzt; aber zwischen den Mitgliedstaaten bestehen große Unterschiede. Die überarbeitete Abfallrahmenrichtlinie ((EU) 2018/851) verpflichtet die Mitgliedstaaten, bis zum 1. Januar 2025 separate Sammelsysteme für Textilabfälle einzurichten. Die Richtlinie (Artikel 11 Absatz 6) fordert auch die Kommission auf, bis Dezember 2024 die Definition von Zielen für die Wiederverwendung und das Recycling von Textilabfällen zu prüfen. Um ambitionierte Ziele für die Wiederverwendung und das Recycling von Textilien zu erreichen und ein effektives Recycling in industriellen Maßstäben zu ermöglichen, müssen sich Unternehmen in der gesamten Wertschöpfungskette, von der Faserproduktion bis zum Recycling von Textilien vorbereiten und insbesondere bei der Lösung bestehender Engpässe unterstützt werden.[1]

Textile Bodenbeläge sind ein solches Textilprodukt und werden üblicherweise aus synthetischen Fasern und Garnen, z.B. Polyamiden (PA), Polyethylenterephthalat (PET) und Polypropylen (PP) durch Weben, Tuften oder Nadeln gefertigt. Dazu werden verschiedene Komponenten kombiniert und zu Verbundstoffen verarbeitet. Thermomechanische Recyclingverfahren wie das “Regranulieren” sind für diese textilen Bodenbeläge aufgrund der Verbundstruktur nicht anwendbar. Textile Bodenbeläge werden bisher verbrannt (energetische Verwertung). Die trägt zu weiteren CO2-Emissionen und vernichtet den Werkstoff. Zusätzlich ist die deutsche Wirtschaft von einer schärfer werdenden Knappheit fossiler Rohstoffträger und Materialien wie Erdöl und Kunststoffe betroffen. Der Wechsel zu erneuerbaren und kreislauffähigen Kohlenstoffquellen auf Basis von CO2 oder Biomasse sowie Recycling bietet die Möglichkeit, die Versorgungssicherheit aufrecht zu erhalten und gleichzeitig die Umwelt zu schonen.

Problemlösung:

Ziel des Projektes ist es, polymerhaltige textile Bodenbeläge pyrolytisch zu depolymerisieren, Produktöle der Pyrolyse zu reinigen und wieder die gewonnenen Monomere zu Kunststofffasern und textilen Bodenbelägen zu verarbeiten, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Es wird erstmalig ein Prozess für das thermo-chemische Recycling textiler Bodenbeläge mit derzeitigem Design und den Qualitäten aus Abfällen bei der beim TEER entwickelt. Dazu werden abfallstämmige textile Bodenbeläge aus Produktion sowie aus zurückgebauten Gebäuden beprobt und laboranalytisch charakterisiert. Im Anschluss werden die Materialien im halb-technischen Maßstab mittels Pyrolyse thermochemisch zersetzt. Bei der thermischen Fragmentierung des Materials entstehen Kohlenwasserstoffe, welche bei Raumtemperatur zu einem ölartigen Produkt kondensiert werden können. Aus diesen Produktölen können u. a. Caprolactam, das Monomer für PA6 sowie weitere Grundchemikalien gewonnen werden.

Durch eine Anlage im Entwicklungsmaßstab, die von der NAUE GmbH konstruiert und gefertigt wird, werden die Pyrolyseöle aufgereinigt und hochwertige, fraktionierte Vorprodukte für die Polymersynthese gewonnen. Anschließend, werden am ITA aus den identifizierten chemischen Verbindungen und Vorprodukten thermoplastische Polymere synthetisiert und daraus Filamente für die Stapelfaserherstellung ausgesponnen.

Die Stapelfasern werden schließlich zu einem Nadelvliesbodenbelag bei der FINDEISEN GmbH weiterverarbeitet und ein Demonstrator aus anteilig recycelten textilen Bodenbelägen hergestellt, um den Stoffkreislauf zu schließen.

Literatur:

[1]         Europäische Kommission, Generaldirektion Binnenmarkt, Industrie, Unternehmer-tum und KMU, Duhoux, T., Maes, E., Hirschnitz-Garbers, M., et al., Study on the technical, regulatory, economic and environmental effectiveness of textile fibres re-cycling : final report, Publications Office, 2021, URL: https://data.eu-ropa.eu/doi/10.2873/828412

Authors: Laura Barbet, Stefan Schonauer, Ingo F. C. Naue, Ralf Winter, Fabian Römer

Contact:

Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA), Otto-Blumenthal-Str. 1, 52074 Aachen

Textile Bodenbeläge Chemiefasern Pyrolyse PA6

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, TU Dresden
28.11.2023

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Entwicklung einer neuartigen Spinntechnologie zur Realisierung skalierbarer nano-, submikro- und mikrostrukturierter Faseroberflächen für technische und medizinische Anwendungen

Fibres Yarns Technical Textiles Medicine

Abstract

Das Hauptziel des IGF Projektes 21411 BR war die gezielte und reproduzierbare Oberflächenstrukturierung von Fasern während der Herstellung von Multifilamentgarnen. Dazu erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Bikomponentengarnen aus einem Grundpolymer und einer wasserlöslichen, strukturbildenden PVOH-Mantelkomponente. Durch das Herauslösen der Mantelkomponente in einem weiteren Prozessschritt werden dann nano-, submikro- und mikrostrukturierte Oberflächen erzeugt. Durch diese Verfahrensentwicklung sind nun erstmalig oberflächenstrukturierte Fasern herstellbar, die mit konventionellen Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung bisher nicht möglich waren. Der dazu notwendige Spinnprozess inkl. grundlegende Prozessparameter wurden im Projekt im Technikumsmaßstab erarbeitet. Die Nutzbarkeit der Ergebnisse wurde durch die erfolgreiche Erspinnung von Multifilamentgarnen mit strukturierten Faseroberflächen auf einer Pilot-Biko-Schmelzspinnanlage gezeigt. Die textiltechnische Verarbeitbarkeit der erzeugten Biko-Multifilamentgarnen erfolgte mit der erfolgreichen Umsetzung textiltechnischer Demonstratoren in Webversuchen.

Report

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung
Die kontinuierliche Entwicklung innovativer Technologien im Bereich der chemischen Faserproduktion ist entscheidend für die Fortentwicklung der gesamten Textilwirtschaft. Die gegenwärtige Fokussierung auf technische Textilien und medizintechnische Textilprodukte eröffnet vielversprechende Perspektiven für die deutsche Textil- und Faserindustrie. Diese aufstrebenden Märkte umfassen innovative Anwendungen, wie textiles Bauen, einschließlich komplex strukturierter architektonischer Membranen oder die Biomedizin mit Produkten, wie textile Implantate und Gewebsregenerationslösungen.

Ein neuartiger und vielversprechender Lösungsansatz ist die zielgerichtete Oberflächenstrukturierung der Fasern bereits während der Faserherstellung, um zum einen die Faseroberfläche zu erhöhen und zum anderen eine formschlüssige Anbindung der Matrix an die Faser zu erreichen. Diese Strukturierung auf der Einzelfilamentebene zeichnet sich durch regelmäßig oder stochastisch verteilte Nano- und Mikrostrukturen aus, darunter fibrillenartige Formationen. Dies führt zu einer definierten Oberflächenmorphologie und -topografie mit Kavitäten (Vertiefungen) und einer Oberflächenrauheit.

Für eine umfassende Nutzbarkeit dieser bisher unbekannten oberflächenstrukturierte Filamente, wurden im IGF Projektes 21411 BR „Nano, submikro- und mikrostrukturierte Fasern“ verschiedene Materialsysteme untersucht: das am Markt in großen Mengen verfügbare technische Polyester (PET - aromatischer Polyester), das im medizinischen Bereich häufig verwendete Polylactid Acid (PLA - aliphatischer Polyester) und ein High Density-Polyethylen (HDPE – Polyolefin). Basis für die Herstellung der strukturierten Fasern war eine Verfahrensentwicklung des Bikomponenten (Biko)-Schmelzspinnens. Kernpunkt dieser Entwicklung ist der temporäre Einsatz von wasserlöslichem Polyvinylalkohol (PVOH) als strukturformende Mantelkomponente im Fadenbildungsprozess. Eine anschließende Entfernung der strukturformenden Mantelkomponente entweder auf Garnebene oder auf Textilebene erzeugt dann die strukturierten Faseroberflächen im nano- (bis 0,1 μm), submikro- (0,1 ̶ 1 μm) und mikroskaligen (1 ̶ 2 μm) Bereich. Jeder dazu notwendige Entwicklungsschritt wurde von methodischen Material- und Prozesscharakterisierungen sowie gängigen physikalischen und chemischen Analysen begleitet, z.B. Untersuchungen der thermischen Eigenschaften des PVOH, der rheologischen Eigenschaften der Blend/PVOH-Mischungen sowie des Löslichkeitsverhaltens des PVOH aus dem Mantel der Biko-Fasern.

Erzielte Ergebnisse
Untersuchung der Schmelzspinnbarkeit von Polymer-PVOH-blends
Besondere Kernaufgaben der gesamten Verfahrensentwicklung war die Identifizierung prozesstechnisch geeigneter Materialpaarungen zur Herstellung von Blend-Formulierungen für die Vorlage im Schmelzspinnprozess. Die Ableitung von Vorzugsformulierungen für das Schmelzspinnen erfolgte im Projekt anhand der physikalischen und rheologischen Eigenschaften der jeweiligen Polymer-PVOH-Blend-Formulierungen. Zur Darstellung der Schmelzspinnbarkeit wurden weiterhin die thermische Stabilität und das Degradationsverhalten verschiedener wasserlöslicher PVOH sowie der Compoundpolymere (PET, PLA bzw. PE) mittels thermogravimetrischer Analyse (TGA) bestimmt. Die ausgewählten Compoundpolymere zeigen eine Zersetzung unter Schutzgasatmosphäre erst bei Temperaturen von weit über 300 °C, wobei es eine zentrale Abbaustufe gibt (VGL: Abbildung 1, links). Die untersuchten PVOH-Typen weisen dagegen verschiedene Abbaustufen und Zersetzungsbereiche mit ersten auftretenden Abbaureaktionen ab 100 °C auf (vgl. Abbildung 1, links). Die Kristallisations- und Schmelztemperaturen sowie das Fenster der Verarbeitungstemperaturen wurden mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) bestimmt. Besonderes Augenmerk bei der rheologischen Charakterisierung der PVOH-Materialien war die Identifikation zum jeweiligen Compoundpolymer sowie zu prozesstypischen Anforderungen (z.B. Extrusionsverhalten, Spinndüsendynamik) passender Viskositäten.

Abbildung 1

Abbildung 1: Ergebnisse der TGA Untersuchungen - Massenänderung in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit unter Schutzgasatmosphäre (N2)

 

Erspinnung der nano-, submikro- und mikrostrukturierter Fasern
Die Erspinnung der grundlegend untersuchten Polymer (PET, PLA und PE-PVOH)-Blends zu Biko-Multifilamentgarnen erfolgte mittels der am ITM vorhandenen Biko-Schmelzspinnanlage. Die dafür notwendigen experimentellen Arbeiten zur Herstellung von Biko-Fasern durch Evaluierung verschiedener Spinnprozessparameter wurde systematisch umgesetzt, um ein tiefgründiges Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen Garneigenschaften und Prozessparametern aufzubauen. Bei der Erspinnung wurden die Anordnungen Kern-Mantel- bzw. orange pie-Geometrie untersucht (Abbildung 2). Die prozessbegleitenden systematischen Untersuchungen umfassten die Charakterisierung der mechanischen und textil-physikalischen Eigenschaften. Aus den analytischen Untersuchungen und der Spinnprozessentwicklung wurde ein Spinnkonzept für die Erspinnung der Biko-Präkursorfasern für neuartige nano-, submikro- und mikroskalige strukturierte Fasermaterialien erstellt.

 

Abbildung 2

Abbildung 2: Ausgewählte Düsengeometrien a) core-shell aus PET und PET/PVOH, b) orange-pie aus PET und PET/PVOH, c) core-shell aus PLA und PLA/PVOH, b) orange-pie aus PLA und PLA/PVOH

 

Verfahrensentwicklung zum Herauslösen der strukturbildenden Stützkomponente (PVOH)
Zur Erzeugung der Oberflächenstrukturierung erfolgte die Entwicklung eines industrienahen Verfahrens zum Herauslösen der strukturbildenden Stützkomponente (PVOH) aus dem Fasermantel. Erforscht wurde das Herauslösen der Stützkomponenten aus den Biko-Fasern nach dem Verstrecken bzw. nach der textilen Flächenbildung. Ein kontinuierliches Lösen des PVOH im Spinnprozess war aufgrund des Unterschieds zwischen Fadenlaufgeschwindigkeit (≥ 100 m/min) notwendiger Lösezeit von PVOH (≥ 180 s, vgl. Abbildung 1) nicht umsetzbar.

Abbildung 3

Abbildung 3: Löseeigenschaften der PVOH-Typen in Wasser unter Raumtemperatur und leichter Strömung

 

Besondere Aufmerksamkeit galt der Ermittlung relevanter Prozessparameter, wie Lösezeit und -temperatur, sowie der Auswahl des Lösungsmittels auf das Löseverhalten von PVOH, was in in zwei Entwicklungsstufen erfolgte: 1. Stufe - diskontinuierliches Herauslösen im Labormaßstab und 2. Stufe diskontinuierliche Löseversuche in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess. Die Bewertung der Oberflächenstrukturierung erfolgte anhand von Lichtmikroskopie- und Rasterelektronenmikroskopie-(REM)Aufnahmen (Abbildung 4). Das entwickelte Verfahren zum gezielten Herauslösen von PVOH aus einem Multifilamentgarn ermöglichte die Erzeugung einer strukturierten Oberfläche. Die Optimierung der Prozessparameter sowie die praktische Umsetzbarkeit in einem kontinuierlichen Produktionsprozess sind die entscheidenden nächsten Schritte für die industrielle Anwendbarkeit dieser vielversprechenden Technologie.

Abbildung 4

Abbildung 4: REM-Aufnahmen  Einzelfilamenten der Biko-Filamentgarne: (links) vor dem Herauslösen des PVOH aus der Mantelkomponente, (rechts) nach dem Herauslösen des PVOH aus der Mantelkomponente

 

Textiltechnische Verarbeitung der nano-, submikro- und mikrostrukturierten Fasern
Die Beurteilung des Webverhaltens der ersponnenen Biko-Fasern erfolgte mittels Webversuchen auf einer Spulenschützen-Bandwebmaschine SL 150 (MAGEBA TEXTILMASCHINEN GMBH & CO. KG). Dabei wurde ein Standard-Polyestergarn als Kettfaden (16 Fäden/cm/Lage) eingesetzt. Das Biko-Garn wurde mittels eines Spulenschützen in Schussrichtung (7 Fäden/cm/Lage) eingebracht (vgl. Abbildung 5, links). Erfolgreich umgesetzt wurde in einem störungsfreien Webprozess ein zweilagiges, schlauchförmiges Gewebe mit Köperbindung in der oberen und Atlasbindung in der unteren Lage. Die Flächengebilde wurden mikroskopisch auf Filamentbrüche oder Fadenschädigung untersucht.

Abbildung 5

Abbildung 5: Textiltechnische Verarbeitung der Biko-Garne im Webprozess auf einer Spulenschützen-Bandwebmaschine (links); Zweilagiges, schlauchförmiges Gewebe aus Biko-Garn im Schussfaden und einem Polyestergarn in Kettfadenrichtung (rechts)

 

Zusammenfassung
Das Hauptziel des IGF Projektes 21411 BR war die gezielte und reproduzierbare Oberflächenstrukturierung von Fasern während der Herstellung von Multifilamentgarnen. Dazu erfolgte die Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Bikomponentengarnen aus einem Grundpolymer und einer wasserlöslichen, strukturbildenden PVOH-Mantelkomponente. Durch das Herauslösen der Mantelkomponente in einem weiteren Prozessschritt werden dann nano-, submikro- und mikrostrukturierte Oberflächen erzeugt. Durch diese Verfahrensentwicklung sind nun erstmalig oberflächenstrukturierte Fasern herstellbar, die mit konventionellen Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung bisher nicht möglich waren. Der dazu notwendige Spinnprozess inkl. grundlegende Prozessparameter wurden im Projekt im Technikumsmaßstab erarbeitet. Die Nutzbarkeit der Ergebnisse wurde durch die erfolgreiche Erspinnung von Multifilamentgarnen mit strukturierten Faseroberflächen auf einer Pilot-Biko-Schmelzspinnanlage gezeigt. Die textiltechnische Verarbeitbarkeit der erzeugten Biko-Multifilamentgarnen erfolgte mit der erfolgreichen Umsetzung textiltechnischer Demonstratoren in Webversuchen.

 

Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21411 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel. Darüber hinaus möchten wir den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses für ihre Unterstützung während der Projektbearbeitung danken.

 

Authors: Frankenbach, Leopold Alexander Lukoschek, Stephanie Kruppke, Iris Cherif, Chokri

Contact:

Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik, TU Dresden

multifilament yarns Oberflächenstruktur

Downloads:

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

more close Print
31.10.2023

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

Vernetzung von elektrogesponnenen Chitosan-Nanofasern mit Genipin für medizinische Anwendungen und Tissue Engineering

Fibres Nonwovens

Abstract

In dieser Studie haben wir ein Verfahren zur Herstellung von Chitosan-Nanofaservliesen vorgestellt. Außerdem wurde gezeigt, dass Genipin eine vielversprechende Alternative für das zytotoxische Glutaraldehyd zur Vernetzung von Chitosan ist. Obwohl die Filtration einen großen Einfluss auf die Viskosität der Lösung hat, gibt es keinen signifikanten Einfluss auf den Faserdurchmesser, aber auf die Struktur der Nanofasern in der Ausprägung von Kräuselung im Vergleich zu glatten Fasern. Der Einfluss dieser gekräuselten Fasern (nach der Filtration) auf die Zellproliferation und das Zellverhalten muss in zukünftigen Studien untersucht werden.

Die Waschversuche zeigen die Fähigkeit von Genipin, Chitosan erfolgreich zu vernetzen. Die Auswirkung der Quellung auf die mechanischen Eigenschaften der Membran muss für die weitere Verwendung ebenfalls noch untersucht werden. Schließlich wird die Leistung dieser vernetzten Nanofaservliese in In-vitro-Zelllebensfähigkeitstests und Proliferationstests in weiteren Studien geprüft.

Report

Abstract

In dieser Studie wird Genipin zur Vernetzung von Nanofasern verwendet, die aus einer Lösung von Chitosan und Polyethylenoxid (PEO) (Verhältnis 7:3) in 70 %-iger Essigsäure elektrogesponnen wurden. Genipin ist eine chemische Verbindung, die aus den Früchten der gardenis jasminoides ellis isoliert wird und mit freien Aminogruppen reagiert. Außerdem ist es 5.000 bis 10.000 Mal weniger zytotoxisch als Glutaraldehyd, der bisher am häufigsten verwendete Vernetzer für Chitosan. [SHH+99] Untersucht werden die Fasermorphologie, die mechanische Festigkeit, das Ergebnis der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und die Löslichkeit in einer wässrigen Lösung mittels gravimetrischer Messungen.

Es wurden erfolgreich Nanofasern hergestellt und dann teilweise mit Genipin vernetzt und die Vernetzung war erfolgreich. Ohne Vernetzung lösten sich die Fasern in wässriger Lösung auf, während vernetzte Fasern stabil gequollen sind. Nicht vernetzte Fasern haben einen Faserdurchmesser von 573 ± 81 nm, vernetzte 560 ± 96 nm. Nach dem Quellen betragen die Faserdurchmesser 901 ± 105 nm.

1. Einleitung

Mit einer hohen spezifischen Oberfläche, einer hohen Porosität und einer ähnlichen Größe wie die extrazelluläre Matrix (ECM) im menschlichen Körper haben elektrogesponnene Nanofasern vorteilhafte Eigenschaften für medizinische Anwendungen und Tissue Engineering [KC17]. Chitosan ist ein natürliches Biopolymer mit guter Biokompatibilität und biologischer Abbaubarkeit und weist ebenfalls Ähnlichkeiten mit der ECM auf. Nanofasern aus Chitosan wurden in der Vergangenheit bereits elektrogesponnen, welche in wässrigen Lösungen schlechte Eigenschaften (mechanische Festigkeit, Anfälligkeit für enzymatischen Abbau, Auflösen) zeigen. Die Vernetzung führt zur Kopplung von funktionellen Gruppen im Chitosan und damit zu einer Stabilisierung des Polymers, wodurch die oben genannten Einschränkungen in wässrigen Lösungen verringert werden. Der am häufigsten verwendete Vernetzer für Chitosan ist Glutaraldehyd, der eine sehr hohe Zytotoxizität aufweist und brüchige und schwächere Fasern erzeugt. [SHH+99] Ein weniger zytotoxischer Vernetzer ist Genipin, das bereits zur Vernetzung von Kollagen und Gelatine für medizinische Anwendungen verwendet wird. Genipin reagiert mit den freien Aminogruppen des Chitosans und erhöht die Stabilität in flüssigen Medien. [MFS+14]

Chitosan als natürliches Polymer unterliegt Schwankungen in der Materialqualität und im Molekulargewicht. Lösungen von Chitosan enthalten unlösliche Teile und Partikel, die einen Einfluss auf den Spinnprozess oder die gesponnene Nanofaser haben können. Daher wird in der vorliegenden Arbeit die Lösung filtriert und der Einfluss des Filtrationsprozesses auf den Spinnprozess, die Fasermorphologie und die mechanischen Eigenschaften bewertet. Außerdem wird der Einfluss von Genipin auf die Fasermorphologie und den Vernetzungserfolg untersucht.

2. Materialien und Methoden

Die Chitosan/PEO-Nanofasermembranen werden im Elektrospinnverfahren mit einer Anlage vom Typ Fluidnatek LE500 (Bioinicia SL, Valencia, Spanien) hergestellt. Für das Elektrospinnen und die Herstellung der Nanofasermembranen werden Chitosan (Molekulargewicht 100 - 300 kDa, Acros Organics, Geel, Belgien), Polyethylenoxid (900 kDa, Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Taufkirchen, Deutschland), Essigsäure (99,9 %), phosphatgepufferte Salzlösung (PBS), Ethanol (≥ 99,8 %, vergällt, alle Carl Roth GmbH + Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) und Genipin (Enzo Life Sciences GmbH, Lörrach, Deutschland) verwendet. Alle Chemikalien werden wie geliefert und ohne weitere Aufreinigung verwendet.

Die Fasern werden aus einer Lösung mit einer Massenkonzentration von 1,2 Gew.-% Chitosan und 2,8 Gew.-% PEO in 70 %-iger Essigsäure gesponnen. Chitosan und PEO werden getrennt voneinander unter ständigem Rühren 12 Stunden lang in dem genannten Lösungsmittel gelöst. Die Lösungen werden im genannten Verhältnis gemischt und 2 Stunden lang unter ständigem Rühren homogenisiert. Zur Vernetzung von Chitosan nach dem Spinnprozess wird der Lösung vor dem Spinnen Genipin zugesetzt. Es wird ein Verhältnis von Chitosan zu Genipin von 100:1 verwendet, und das Genipin wird separat in Ethanol unter ständigem Rühren 2 Stunden lang gelöst und dann zur Chitosan/PEO-Lösung hinzugefügt. Zur Filtration der Lösung werden Einwegspritzenfilter (Chromafil Xtra GF/ PTFE-45/25, Macherey-Nagel, Düren, Deutschland) verwendet.

Zur Vorbereitung des Spinnvorgangs wird die Spinnlösung in eine 5 mL Spritze (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland) gefüllt, die an eine einzelne Spinndüse angeschlossen ist. Die Polymerlösung wird mittels Spritzenpumpe mit einer Flussrate von 1 mL/h durch eine Hohlnadel mit einem Durchmesser von 0,4 mm (B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland) extrudiert. Bei einer Spannung von +20 kV und -1 kV wird die Polymerlösung zu Fasern verstreckt und auf einer rotierenden Welle (Ø = 30 mm, Breite = 300 mm) mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 100 U/min gesammelt. Der Spinnprozess wird bei 23 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 30 % r.F. durchgeführt.

Das Waschverfahren zur Untersuchung der Löslichkeit in einer wässrigen Lösung besteht aus drei Schritten. Es werden jeweils 4 Proben von mit Genipin vernetzten und nicht vernetzten Vliesstoffen mit einer Größe von 20 mm x 20 mm verwendet. Die Proben werden vor und nach jedem Schritt gewogen. Zunächst werden die Proben 20 Minuten lang in Ethanol gewaschen. Dann werden sie in einem Vakuumtrockenschrank (VT 6025, Thermo Scientific TM, Waltham, Deutschland) 24 Stunden lang bei 40 °C getrocknet. Anschließend werden die Proben separat in 15 ml PBS-Lösung (9,55 g PBS/l dest. Wasser) für 24 h eingelegt und anschließend bei Raumtemperatur für 72 h getrocknet.

2.1 Viskosimetrie

Die Polymerlösungen, die im Elektrospinnverfahren verwendet werden sollen, werden auf ihre Viskosität hin untersucht. Im Allgemeinen verhalten sich Polymerlösungen als nicht-newtonsche Flüssigkeiten, d.h. die Viskosität ist abhängig von der Scherrate, bei der sie gemessen wird. Die Messungen der Viskosität werden mit einem RheolabQC (CC27, Anton Paar, Graz, Österreich) durchgeführt. Die Viskosität (mPa∙s) wird bei Scherraten zwischen 50 und 1500 1/s an 200 Einzelpunkten im Abstand von 1,2 Sekunden gemessen. Anschließend werden die Ergebnisse in einem Diagramm aufgetragen, das den Trend der Viskosität in Abhängigkeit von der Scherrate darstellt.

2.2 Lichtmikroskopie

Die Durchmesser der Nanofasern werden mit dem Lichtmikroskop gemessen (Software: Leica Application Suite, Version 3.8.0, Mikroskop: DM4000 M, Leica, Wetzlar, Deutschland).

​​​​​​​2.3 Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie

Das Vorhandensein von Chitosan nach dem Elektrospinnen und Waschen der Proben wird mit einem Nicolet iS 10 FTIR-Spektrometer und der Software OMNIC Specta (beide Thermo Scientific TM, Waltham, Deutschland) untersucht. Der Transmissionsmodus wurde im Bereich von 600 bis 4000 cm-1 verwendet.

​​​​​​​2.4 Statistische Analyse

Die Daten von mindestens drei Exemplaren werden als Mittelwert und Standardabweichung angegeben. Jeder Versuch wurde zwei- oder dreimal wiederholt. Die statistische Analyse erfolgte durch einen Zwei-Wege-ANOVA-Test mit SPSS für Windows Version 11.5. Ein p < 0,05 wird als statistisch signifikant angesehen.

3. Ergebnisse

Lösungs- und Scaffold-Eigenschaften

Vier verschiedene Vliese wurden durch Elektrospinnen hergestellt. Die Konzentrationen und Verhältnisse der Polymerlösungen und der geeigneten Lösungsmittel sind das Ergebnis vorangegangener Experimente mit faktoriellem Design. Konzentrationen von Essigsäure zwischen 5 und 90 %, Gesamtpolymerkonzentrationen von 2, 3 und 4 Gew.-% und Polymerverhältnisse von Chitosan zu PEO von 7:3, 1:1 und 3:7 wurden hinsichtlich Löslichkeit und Verarbeitbarkeit bewertet. Experimente mit niedrigen Polymerkonzentrationen oder höheren Chitosankonzentrationen führten zu einem nicht stabilen Spinnprozess oder zum Versprühen der Lösung. Im Hinblick auf die Prozessstabilität und die resultierende Fasermorphologie zeigten Polymerlösungen mit 4 Gew.-% und einem Chitosan/PEO-Verhältnis von 3:7 in 70 %-iger Essigsäure die besten Ergebnisse und wurden daher für diese Studie ausgewählt.

 

Abbildung 1:             Viskosität von Chitosan/PEO-Lösungen mit einer Polymerkonzentration von 4 Gew.-% und einem Verhältnis von 7:3 im filtrierten (grau) und ungefilterten (schwarz) Zustand. Nach der Filtration sinkt die Viskosität aufgrund des Ausschlusses von Teilchen mit höherem Molekulargewicht.

Die Viskosität der endgültigen Lösung unterschied sich deutlich zwischen dem gefilterten und dem ungefilterten Zustand. Bei der ungefilterten Lösung ist die Viskosität im Bereich zwischen einer Scherrate von 50 und 1500 1/s deutlich höher (siehe Abbildung 1). Bei einer Scherrate von 100 1/s hat die ungefilterte Lösung eine Viskosität von 1087 ± 13 mPas und die gefilterte Lösung 635 ± 23 mPas. Bei 1500 1/s sinken die Werte auf 385 ± 34 mPas bzw. 285 ± 5 mPas.

Die Faserdurchmesser der aus ungefilterten Lösungen hergestellten Nanofasern betragen 573 ± 81 nm und die der Nanofasern aus gefilterten Lösungen 441 ± 132 nm. Der Unterschied zwischen den beiden Gruppen ist nicht signifikant, zeigt aber einen Trend. Abbildung 2 zeigt einen Unterschied in der Faserstruktur. Fasern aus ungefilterten Lösungen zeigen gerade Fasern, während Fasern aus ungefilterten Lösungen gekräuselte Merkmale aufweisen.

 

Abbildung 2:         Lichtmikroskopische Aufnahmen von elektrogesponnenen Chitosan/PEO-Nanofasern aus ungefilterter (links) und gefilterter (rechts) Lösung.

FTIR wurde verwendet, um das Vorhandensein von Chitosan in den Nanofaservliesen nach dem Elektrospinnen und Veränderungen in der Struktur nach dem Filtrationsprozess zu zeigen. In Abbildung 3 zeigt die Kurve des Chitosanpulvers (gepunktet) charakteristische Banden von Chitosan in einem Wellenzahlbereich von 3100 bis 3400 cm-1. Diese sind auf N-H- und O-H-Streckschwingungen und intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen der Polysaccharidmoleküle zurückzuführen. Die Peaks bei 1583 und 1649 cm-1 zeigen NH2 (Amid II) bzw. C=O-NHR (Amid I) an. Der Peak im Wellenlängenbereich von 2800 bis 3000 cm-1 wird der CH2-Streckung zugeordnet. [CMH+08; RVM+11]

Die Kurven „ungefiltert“ und „gefiltert“ zeigen die Messungen der elektrogesponnenen Proben. Die Kurvenformen der gefilterten und ungefilterten Proben zeigen keine signifikanten Unterschiede in den Peaks. Demnach hat die Filtration der Chitosanlösung keinen Einfluss auf die chemischen Strukturen. Die charakteristischen Peaks von Chitosan sind in den Kurven der elektrogesponnenen Proben zu finden. Die Intensität der CH2-Streckung bei 2861 cm-1 nimmt mit dem Zusatz von PEO zu. In ähnlicher Weise werden Peakverschiebungen im Vergleich zu Chitosan beobachtet. Die Schwingungsbanden bei 1583, 1649 und 3348 cm-1 sind zu 1562, 1663 und 3353 cm-1 verschoben. Diese Peakverschiebungen sind auf die Abnahme der intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen von Chitosan und die Bildung neuer Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Chitosan und PEO-Molekülen zurückzuführen [CMH+08]. Die FTIR-Ergebnisse zeigen, dass Chitosan in den elektrogesponnenen Vliesen vorhanden ist und dass es während der Filtration nicht entfernt oder beschädigt wird.

 

Abbildung 3:         FTIR-Ergebnisse für das reine Chitosan-Pulver und Chitosan/PEO-Nanofaservliese aus gefilterten und ungefilterten Spinnlösungen. Alle Kurven zeigen typische Peaks für Chitosan zwischen 3100 und 3400 cm-1. Leichte Verschiebung der Kurven für Fasern aufgrund des Einflusses von PEO auf Wasserstoffbrückenbindungen.

Löslichkeit in wässriger Lösung

Membranen ohne Genipin wurden während des Waschvorgangs vollständig aufgelöst. Sie konnten daher nicht weiter untersucht werden. Mit Genipin vernetzte Proben weisen nach dem Waschvorgang eine Farbänderung auf. Die Farbe ändert sich von einem hellen Weiß zu einem grün-blauen Farbton, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Dies ist auf die Chitosanderivate zurückzuführen, die durch die Reaktion von Genipin mit den Aminogruppen von Chitosan gebildet werden [MSS00].

 

Abbildung 4:         A) Chitosan/PEO-Nanofaser-Vliesstoff mit eingearbeitetem Genipin vor dem Waschvorgang, hellweiße Farbe. B) Chitosan/PEO-Nanofaservlies mit eingearbeitetem Genipin nach dem Waschvorgang, blau-grüne Verfärbung und leichte Verformung der Membran aufgrund der bei der Reaktion mit Genipin gebildeten Chitosanderivate.

Außerdem zeigen die Proben mit Genipin nach 24 Stunden in PBS und anschließender Trocknung eine Zunahme des Gewichts und des Faserdurchmessers, wie in Abbildung 5 dargestellt. Bei ungefilterten Proben beträgt die Gewichtsveränderung +33,9 ± 5,2 % und bei gefilterten Proben +46,2 ± 7,1 %.

 

Abbildung 5:         Links: Faserdurchmesser vor und nach dem Waschvorgang; Rechts: Massenänderung aufgrund der Quellung der Nanofasern

Der Faserdurchmesser im gequollenen Zustand beträgt bei ungefilterten Proben 901 ± 105 nm, was einer Zunahme von 60,9 ± 4,3 % entspricht. Bei gefilterten Proben beträgt der gequollene Durchmesser 705 ± 102 nm, was einer Zunahme von 52,2 ± 0,6 % entspricht.

 

Literaturliste

[CMH+08]          Chen, Zonggang; Mo, Xiumei; He, Chuanglong; Wang, Hongsheng
                            Intermolecular interactions in electrospun collagen–chitosan complex nanofibers
                            Carbohydrate Polymers. Bd. 72 (2008) H. 3, S. 410–418

[KC17]                 Kishan, Alysha P.; Cosgriff-Hernandez, Elizabeth M.
Recent advancements in electrospinning design for tissue engineering applications: A review Journal of biomedical materials research. Part A. Bd. 105 (2017) H. 10, S. 2892–2905

[MFS+14]           Mirzaei, Esmaeil; Faridi-Majidi, Reza; Shokrgozar, Mohammad Ali; Asghari Paskiabi, Farnoush

Genipin cross-linked electrospun chitosan-based nanofibrous mat as tissue engineering scaffold Nanomedicine Journal. Bd. 1 (2014) H. 3, S. 137–146

[MSS00]             Mi, Fwu-Long; Sung, Hsing-Wen; Shyu, Shin-Shing
Synthesis and characterization of a novel chitosan-based network prepared using naturally occurring crosslinker Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. Bd. 38 (2000) H. 15, S. 2804–2814

[RVM+11]          Rakkapao, Natthida; Vao-soongnern, Visit; Masubuchi, Yuichi; Watanabe, Hiroshi
Miscibility of chitosan/poly(ethylene oxide) blends and effect of doping alkali and alkali earth metal ions on chitosan/PEO interaction
Polymer. Bd. 52 (2011) H. 12, S. 2618–2627

[SHH+99]           Sung, H. W.; Huang, R. N.; Huang, L. L.; Tsai, C. C.
In vitro evaluation of cytotoxicity of a naturally occurring cross-linking reagent for biological tissue fixation
Journal of biomaterials science. Polymer edition. Bd. 10 (1999) H. 1, S. 63–78

Authors: Schneiders, Thomas Vogel, Lisa Marie Gries, Thomas

Contact:

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Straße 1, 52074 Aachen

Nanofasern Elektrospinning Chitosan Tissue Engineering

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
30.10.2023

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

PA 6 und PVDF Nanofasern für industrielle Filteranwendungen

Fibres Nonwovens

Abstract

Mittels Elektrospinning konnten herkömmliche Filtervliese mit Nanofasern beschichtet und damit Mehrlagenverbünde hergestellt werden. Die Nanofasern haben einen signifikanten Einfluss auf due Luftdurchlässigkeit und die mittlere Durchflussporengröße der Proben, wobei die Höhe des Effekts von der Schichtdicke der Nanofasern und deren Durchmessern abhängt. Die Schichtdicke kann sehr einfach über die Veränderung der Beschichtungszeit angepasst werden. Eine Anpassung der Faserdurchmesser ist dagegen komplizierter und muss in einer Multiparameterstudie untersucht werden. Dazu werden beispielsweise die Parameter angelegte Hochspannung, Polymerkonzentration und damit auch Viskosität und Leitfähigkeit der Lösung, Abstand von Düse zu Kollektor und die Durchflussrate variiert und der Einfluss auf die Zielgrößen untersucht. Die hier ausgewerteten Zielgrößen Luftdurchlässigkeit und mittlere Durchflussporengröße können nur als Maßstab für die Filtereigenschaften verwendet werden, in weiteren Untersuchungen sollten aber die spezifische Filtereffizienz bei definierten Partikeldurchmessern, sowie der Rückreinigungsgrad nach einem Jet-Impuls ausgewertet werden. Die vorliegende Arbeit ist ein erster Schritt in Richtung industrieller Nanofaserfilteranwendungen und ermöglicht weitere Untersuchungen in diesem Feld.

Report

Abstract

Industrielle Staubfilteranlagen weisen häufig das Problem auf sehr schnell zu Verstopfen und aufgrund von Tiefenpenetration der Partikel in den textilen Filter nur schwer rückgereinigt werden zu können. Dies führt in der Anwendung zu einem hohen Druckverlust, einem hohen Energieverbrauch und geringen Standzeiten. Nanofasern bieten aufgrund der geringen Faserdurchmesser eine hohe spezifische Oberfläche und bei gleichem Materialverbrauch damit kleinere Porengrößen in Vliesstrukturen. Außerdem wird der Filtermechanismus von Tiefenfiltration zu Oberflächenfiltration verschoben wodurch die Rückreinigung vereinfacht wird. Daher werden in dieser Arbeit herkömmliche Filtervliesstoffe im Elektrospinning-Verfahren mit Nanofasern beschichtet. Polyamid 6 und Polyvinylidenfluorid werden zu Fasern mit Durchmessern zwischen 0,62 ± 0,13 µm und 1,00 ± 0,16 µm hergestellt. Außerdem kann eine Verringerung der mittleren Porengröße und Luftdurchlässigkeit der beschichteten Substrate und damit eine Eignung für den Einsatz in industriellen Filteranlagen gezeigt werden.

  1. Einleitung

Luftfiltersysteme werden in allen Industriezweigen eingesetzt, um die Qualität der zugeführten Luft zu kontrollieren oder die Verschmutzung der Umwelt durch Abluft zu verhindern. So nutzen beispielsweise Unternehmen des produzierenden und verarbeitenden Gewerbes, wie Gießereien, der Keramikverarbeitung oder der Reifenherstellung, Luftfilter, um die Luft zu entstauben, aber auch Branchen wie die Lebensmittelindustrie, in denen eine besonders hohe Produktqualität und -reinheit (gemäß der Wirksamkeitsklassifizierung nach ISO 16890) gefordert ist. Grobe Stäube und Verunreinigungen in der Luft und kleinste Partikel wie Feinstaub oder auch Mikroorganismen und Mikroben werden aus der Ab- oder Zuluft herausgefiltert. [SKD+10; KSN12]

In Verbrennungs- und Industrieanlagen entfernen Entstaubungsanlagen Partikel mit einer Korngröße zwischen 0,1 und 1000 µm aus der Abluft der Prozesse, bevor diese in die Umwelt abgegeben wird. In diesen Anlagen werden Filter in Schlauchform mit einer Mikrofasermembran aus reiner Zellulose oder einem Mischpapier aus Zellulose und Polyester verwendet. Mit Hilfe von Druckluft werden die Partikel in den Filter gepresst und aus der Luft gefiltert. (Siehe Abbildung 1) [SKD+10; KSN12]

 

Abbildung 1:         a) Schlauchfilter auf Stützkorb für Entstaubungsanlagen; b) Schematischer Querschnitt durch einen Schlauchfilter während der Filtration (links) und der Abreinigung (rechts); c) Schlauchfilter eingebaut in eine schematische Entstaubungsanlage. Das Abgas wird angesaugt, durch den Filterschlauch gefiltert und die gefilterten Partikel werden nach der Abreinigung über den Schacht am Boden entsorgt. [Tss22; Wik22]

Bei Filtern dieser Art erfolgt die Filtration über die gesamte Tiefe des Vlieses, und die Partikel werden innerhalb des Vlieses zurückgehalten (siehe Abbildung 2 links). Diese Wirkungsweise wird als Tiefenpenetration bezeichnet und weist bei Staubabscheider-anwendungen einige Defizite auf: [SKD+10; KSN12; AGZ+18; GH04]

  • Niedriger Anfangswirkungsgrad: Neue, saubere Filter haben niedrige Wirkungsgrade und erreichen den Zielwirkungsgrad erst, wenn der Filter bereits weitgehend verstopft ist.
  • Hoher Druckabfall und Energieverbrauch: Da die Filter mit zunehmender Tiefe verstopfen, wird mehr Energie benötigt, um die zu reinigende Luft durch den Filter zu bewegen. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch über die Lebensdauer.
  • Keine vollständige Reinigung: Die in der Tiefe der Membran eingeschlossenen Partikel können auch durch Druckluftabreinigung nicht vollständig entfernt werden. Die Filter bleiben nach der Abreinigung weitgehend verstopft (über die Erhöhung des Zielwirkungsgrades hinaus, vgl. Punkt 1).
  • Kurze Standzeit: Aufgrund der unzureichenden Abreinigung solcher Filter müssen sie bei zu hohem Druckverlust frühzeitig ausgetauscht werden.

Filter, die auf Oberflächenfiltration basieren, können diese Defizite beheben. Die Partikel werden aufgrund kleinerer Poren bereits an der Oberfläche des Filters abgeschieden, und es bildet sich kein Filterkuchen in der Tiefe des Materials (siehe Abbildung 2 rechts). Solche Materialien haben bereits zu Beginn einen hohen Filterwirkungsgrad und zeigen im Laufe der Zeit kaum einen Anstieg des Druckabfalls. Da sich die Partikel nur an der Oberfläche ablagern, lassen sich diese Filter zudem leicht und fast vollständig mit Druckluft abreinigen. Dies führt zu einer verlängerten Filterstandzeit bei erhöhter Filtereffizienz und geringerem Energieverbrauch. Filter, die auf dem Phänomen der Oberflächenfiltration basieren, haben deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Filtern, die über die Tiefenwirkung funktionieren. Daher werden in dieser Arbeit Nanofasern aus den Materialien Polyamid 6 (PA 6) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) mittels Elektrospinning hergestellt und auf ein herkömmliches Filtervlies aufgetragen und der Effekt auf Luftdurchlässigkeit und Porengröße untersucht, um dann in nachfolgenden Schritten die Filtereffizienz und den Filtermodus auswerten zu können. [AGZ+18; ZHW+17; SKD+10]

 

Abbildung 2:         Vergleich der Tiefenbelastung eines Mikrofaserfilters und der Oberflächenfiltration eines Nanofaserfilters [GH04]

  1. Materialien und Methoden

Für das Elektrospinning werden die ausgewählten Polymere mit Lösungsmitteln in Lösung gebracht und diese dann anschließend in Nanofaservliese versponnen und als Beschichtung direkt auf Filtervliesen als Substrat abgelegt. Anschließend werden die Proben mittels Rasterelektronenmikroskop (REM), Porometer und einer Luftdruchlässigkeitsprüfung untersucht.

    1. Materialien

Für die Herstellung von Nanofasern werden PA 6 von Sigma Aldrich Corporation (St. Louis, USA) und PVDF von Solvay AG (Brüssel, Belgien) als Polymere verwendet. Bei den Substraten werden ein Polypropylen-Vliesstoff (PP) mit 50 g/m² von der P. Glatzeder GmbH (Detmold, Deutschland) und ein Polyester-Vliesstoff (PES) von LEO's Nachfolger GmbH (Unterensingen, Deutschland) verwendet. Als Lösungsmittel für PA 6 wird Ameisensäure und für PVDF Dimethylacetamid (DMAc) und Aceton (alle drei Lösungsmittel von Carl Roth GmbH + Co. KG, Karlsruhe, Deutschland) genutzt.

    1. Elektrospinning und Spinnvorbereitung

Die Polymere werden 12 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 40°C getrocknet. Für PA 6 wird eine Polymerkonzentration von 24 Gew.-% und für PVDF eine Polymerkonzentration von 13 Gew.-% mit einer Mischung aus DMAc/Aceton von 1:1 verwendet. Die Lösungen werden mittels Magnetrührer homogenisiert. Die Nanofasern werden mit einer Elektrospinnanlage vom Typ Fluidnatek LE-500 (Bioinicia, Sevilla, Spanien) hergestellt und mit einem rotierenden Trommelkollektor auf die Substrate aufgetragen (siehe Abbildung 3). 

Die Spinnparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Spinnzeit wird an die Polymer-konzentration und die Flussrate der Polymerlösung angepasst, um die gleiche Polymermasse für PA 6 und PVDF auf den Substraten zu erreichen.

 

Abbildung 3:         Elektrospinnanlage Fluidnatek LE-500 mit einem rotierenden Trommelkollektor zur Beschichtung von Substraten. [Sch23]

Tabelle 1:             Elektrospinnparameter für PA 6 und PVDF zur Beschichtung von Filtersubstraten aus PES und PP

    1. Untersuchungsmethoden

Die Morphologie der Nanofasern wie Faserdurchmesser oder Gleichmäßigkeit wird mit einem Rasterelektronenmikroskop bewertet. Dazu wird ein REM des Typs FlexSEM 1000II und das TM3030 Plus Tischmikroskop (beide K. K. Hitachi Seisakuscho, Chiyoda, Japan) verwendet. Die Datenauswertung erfolgt mit der Software Leica Application Suite 3.8 (Leica Microsystems GmbH, Wetzlar, Deutschland). Für die Faserdurchmesser werden mindestens drei Messungen auf drei verschiedenen Bildern pro Probe durchgeführt (n = 10 Messpunkte pro Vliesstoff).

 

Abbildung 4:         a) TOPAS Pore Size Meter PSM 165 zur Messung der Porengrößenverteilung; b) FX 3300 LabAir zur Messung der Luftdurchlässigkeit von textilen Strukturen.

Als Parameter für die Bewertung der Filtrationseffizienz werden die Porengrößenverteilung und die Luftdurchlässigkeit untersucht. Die Porengrößenverteilung ermöglicht die Bewertung von Filtrationsmechanismen wie Sieb- und Abfangeffekten sowie die Veränderung durch die Nanofaserbeschichtung. Der Luftstrom über einen steigenden Druck wird im trockenen und nassen Zustand gemessen und daraus die Porengrößenverteilung berechnet. Für diese Messungen wird ein TOPAS Pore Size Meter PSM 165 der Topas GmbH (Dresden, Deutschland) verwendet. Die Luftdurchlässigkeit ist ein Maß, das den Druckabfall über eine Membran annähert. Die nicht beschichteten Proben werden als Referenz verwendet, um die Einflüsse der Nanofaserbeschichtung zu evaluieren. Ein FX 3300 LabAir von TEXTEST Instruments AG (Schwerzenbach, Schweiz) wird für die Luftdurchlässigkeitstests verwendet. Die beiden Versuchsaufbauten sind in Abbildung 4 dargestellt.

  1. Resultate

Das Elektrospinnen ergibt für PA 6 auf PES-Substraten einen Faserdurchmesser von 0,76 ± 0,24 µm und für PA 6 auf PP-Substraten 0,62 ± 0,13 µm. Für PVDF auf PES-Substraten beträgt der gemessene Faserdurchmesser 1,00 ± 0,16 µm und auf PP-Substraten 0,91 ±0,19 µm. Die Faserdurchmesser sind bei PA 6 etwas kleiner als bei PVDF, der Einfluss des Substrats auf die Faserdurchmesser ist dagegen nicht signifikant.

Abbildung 5:         Faserdurchmesser der Fasern aus dem Elektrospinning

Die Luftdurchlässigkeit und die mittlere Porengröße wurden anschließend mit den Substratmaterialien als Referenz getestet. Beide Materialien zeigen eine deutliche Abnahme der Luftdurchlässigkeit bei konstantem Druck, wobei die PA6-Fasern eine stärkere Abnahme aufweisen als PVDF. Dieser Trend lässt sich auch an der Porengröße der Schichten ablesen. PVDF verringert die Porengröße bei PP nur geringfügig oder sogar nicht signifikant, während PA6 die Porengröße deutlich verringert. Dies zeigt, dass bereits dünne Faserschichten einen Einfluss auf die Luftdurchlässigkeit und die Porengröße haben.

Abbildung 6:         Luftdurchlässigkeit der einzelnen Substrate und der mit Nanofasern beschichteten Substrate im Vergleich

Die Luftdurchlässigkeit und die mittlere Durchflussporengröße werden für einlagige Substrate und Substrate mit Nanofaserbeschichtungen gemessen. Die Ergebnisse für die Luftdurchlässigkeit sind in Abbildung 10.11 dargestellt. Die Luftdurchlässigkeit für PES-Substrate ist mit 4262,5 ± 414,17 mm*s-1 höher als für PP mit 2411,25 ± 155,97 mm*s-1. Die PA 6-Beschichtung senkt die Luftdurchlässigkeit deutlich auf 129,4 ± 32,55 mm*s-1 bzw. 152,13 ± 37,32 mm*s-1. Bei PES verringert die PVDF-Beschichtung die Luftdurchlässigkeit deutlich auf 2385,0 ± 145,99 mm*s-1 und bei PP auf 1775,0 ± 70,1 mm*s-1.

Die Ergebnisse der Messung der mittleren Durchflussporengröße sind in Abbildung 10.12 dargestellt. Bei PES sinkt die mittlere Durchflussporengröße deutlich von 82,03 ± 12,08 µm auf 23,24 ± 12,84 µm bei einer PA 6-Beschichtung bzw. 57,97 ± 8,21 µm bei einer PVDF-Beschichtung. Bei PP ist die mittlere Durchflussporengröße als Einzelschicht mit 61,18 ± 3,36 µm kleiner als bei PES. Nanofaserbeschichtungen haben keinen signifikanten Einfluss auf die mittlere Fließporengröße von PP-Substraten.

Abbildung 7:         Mittlere Durchflussporengröße der einzelnen Substrate und der mit Nanofasern beschichteten Substrate im Vergleich

 

Literaturliste

[AGZ+18]        Akampumuza, Obed; Gao, Hanchao; Zhang, Hongnan; Wu, Dequn; Qin, Xiao‐Hong

                        Raising Nanofiber Output: The Progress, Mechanisms, Challenges, and Reasons for the Pursuit

                        Macromolecular Materials and Engineering. Bd. 303 (2018) H. 1, S. AA1.5

 [GH04]           Gail, Lothar; Hortig, Hans-Peter

                        Luftfiltration.

In Gail, Lothar; Hortig, Hans-Peter:

Reinraumtechnik. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. - Berlin, Heidelberg, s.l.: Springer Berlin Heidelberg, 2004

[KSN]              Klein, Gunnar‐Marcel; Schrooten, Theo; Neuhaus, Tim

                        Reduction of Energy Demand for Industrial Dedusting Plants

                        Chemie Ingenieur Technik. Bd. 84 (2012) H. 7, S. 1121–1129

[Sch23]           Schneiders, Thomas

                        Evaluation and Method Development to Improve the Adhesion of Electrospun Fibres on Metals for Use in Medical Applications.

1. Auflage. - Düren: Shaker, 2023

[SKD+10]        Schrooten, Theo; Kögel, A.; Daniel, T.; Klein, Gunnar‐Marcel

                        Industrial dedusting with bag filters

                        Global Guide of the Filtration and Separation Industry (2010) D 11665 F, S. 156–160

[Tss22]            ts-systemfilter gmbh: SchlauchfilterAhorn-Berolzheim, 2022, https://www.ts-systemfilter.de/produkte/filterelemente/schlauchfilter.html

[Wik22]           Wikipedia (Hrsg.): SchlauchfilterSan Francisco, 2022, https://de.wikipedia.org/wiki/Schlauchfilter

[ZHW+17]       Zhu, Miaomiao; Han, Jingquan; Wang, Fang; Shao, Wei; Xiong, Ranhua; Zhang, Qilu; Pan, Hui; Yang, Yong; Samal, Sangram Keshari; Zhang, Feng; Huang, Chaobo

                        Electrospun Nanofibers Membranes for Effective Air Filtration

                        Macromolecular Materials and Engineering. Bd. 302 (2017) H. 1, S. 1600353

 

 

 

Authors: Schneiders, Thomas Beek, Leonie Nguyen, Thi Hai Anh Gries, Thomas

Contact:

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Straße 1, 52074 Aachen

Nanofasern Industriefilter PA 6 PVDF Filter Elektrospinning PVDF7

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print
27.10.2023

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik ITM

Leichtigkeit durch Hohlkörper-Platten: Entwicklung leichter Carbonbetonfertigteile auf Basis textiler 3D-Netzgitterträger

Knittings Composites Textile machinery Sustainability Technical Textiles

Abstract

In branchenübergreifender Kooperation wurde am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) und dem Institut für Massivbau (IMB) der TU Dresden leichte Carbonbetonfertigteile für materialeffiziente Decken- und Wandelemente auf Basis einer neuartigen 3D-Netzgitterträgerstruktur entwickelt.

Im Bauwesen sind Fertigteile eine etablierte Lösung für die Unterstützung eines schnellen Bauforschritts von Decken- und Wandelementen. Jedoch stoßen konventionelle Elemente aus Stahlbeton aufgrund ihres massiven Aufbaus und der Korrosionsanfälligkeit des Bewehrungsstahls immer öfter an ihre Einsatzgrenzen. Daher sollen perspektivisch auch im Filigranfertigteilbau textile Bewehrungen für Gitterträger eingesetzt werden, die zusätzliche Hohlräume, bspw. zur Führung von Medien, etc. ermöglichen.

Report

Carbon statt Stahl

Tragendes Element der neuen Fertigteilgeneration sind textile Gitterträger, deren Netzstruktur auf überlagernden, diagonal versetzenden Carbonrovings basiert. Der lastgerechte und korrosionsresistente textile Netzgitterträger ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Betondeckung und der damit verbundenen CO2-Emmission und eröffnet innovative Design- und Funktionalisierungsmöglichkeiten durch die Integration von großvolumigen Hohlräumen. (Abbildung 1)

Carbonfaserbasierter 3D-Netzgitterträger

Das ITM der TU Dresden hat die textile Fertigungstechnologie auf Grundlage mehrerer Kettfadenversatzsysteme in Kombination mit einem nachgelagerten Umformprozess für die Herstellung der 3D-Netzgittertäger entwickelt. Hierbei erfolgt die Fertigung der netzartigen 2D-Textilstruktur auf Basis der weiterentwickelten Kettfadenversatztechnologie der Multiaxial-Kettenwirktechnik. Die Umformung und Strukturfixierung erfolgt auf Basis zweier entwickelter technologischer Ansätze als Nass- und Warmumformung durch die modulare Erweiterung konventioneller Beschichtungsanlagen. (Abbildung 2)

Leichtbau-Hohlkörperdecke aus Carbonbeton

Das im Bereich Carbonbeton renommierte IMB der TU Dresden führte eine numerisch gestützte baustatische Auslegung sowie die bautechnische Erprobung der Verstärkungsstruktur mit einer anschließenden simulationsgestützen Topologieoptimierung der 3D-Netzgitterträger aus. Hierzu wurden modifizierte Biegezugversuche nach RILEM RC5 sowie Auszugversuche an umgelenkt einbetonierten Garnen zur Ermittlung der Zug- und Verbundeigenschaften durchgeführt. Die Ergebnisse hierzu sind in Abbildung 3 auszugsweise dargestellt.

Weiterführend wurden neue Designmöglichkeiten, bspw. die Integration von Hohlräumen, Dämmungen und Leitungsschächten in Deckenelementen entwickelt und erprobt. Ergebnis ist eine innovative Produktfamilie für die Anwendung in Sandwichstrukturen, Doppelwänden und im allgemeinen „Filigran“-Fertigteilbau. Hierbei können komplexe geometrische Formen durch neuartige Schalungsmethoden umgesetzt werden.

Um das Potenzial eines leichten, mit 3D-Netzgitterträger bewehrten Hohlkörperplattensystems aufzuzeigen wurde eine umfassende vergleichende Analyse von Plattensystemen mit identischem Querschnitt durchgeführt (siehe Abbildung 5, pdf-Version). Die drei untersuchten Plattensysteme für Decken waren die stahlbewehrte Vollplatte (SVP), die stahlbewehrte Hohlplatte (SHP) und die mit Netzgitterträgern bewehrte Hohlplatte (NHP).

Die vergleichende analytische Untersuchung zeigt, dass aufgrund der höheren Leistungsfähigkeit der mit Netzgitterträgern bewehrten Hohlplatte signifikante Material- und Masseeinsparungen hinsichtlich Beton und Bewehrung in Form von großvolumigen Hohlräumen (36 %) möglich ist. Ein Vergleich der drei unterschiedlichen Plattenarten verdeutlicht eindrucksvoll am Beispiel einer 7,2 m x 1,0 m x 0,155 m großen Deckenplatte (L x B x H), dass bei gleichbleibender Belastung mit einer Nutzlast von 1,5 kN/m² die mit Netzgitterträgern bewehrte Hohlplatte (NHP) 36 % leichter als die stahlbewehrte Vollplatte (SVP) und 27,6 % leichter als die stahlbewehrte Hohlplatte (SHP) ausgeführt werden kann. Dies liegt darin begründet, dass aufgrund der korrosionsresistenten Netzgitterträger-Bewehrung die Betondeckung deutlich reduziert und somit der Hohlraumanteil im Vergleich zur stahlbewehrten Hohlplatte von 11 % auf 36 % gesteigert werden kann. Daraus resultiert eine signifikante Betoneinsparung der mit Netzgitterträgern bewehrten Hohlplatte von 28 % im Vergleich zu Hohlplatten mit korrosionsanfälliger Stahlbewehrung.

Die enorme Material- und Masseeinsparung von Beton und Bewehrung durch Integration von Hohlräumen (ca. 36 %) und Verwendung leichter Carbonbewehrungen der mit Netzgitterträgern bewehrten Hohlplatte im Vergleich zu konventionellen Plattensystemen für Deckenanwendungen bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit zeigt das hohe wirtschaftliche und ökologische Potential der textilbewehrten Filigran-Fertigteile für die Bauindustrie auf.

Als Ergebnis des Forschungsprojektes wurde die Carbonbetontechnologie auf das enorm große Marktsegment der Filigranfertigteile übertragen und neue Lösungen für das ressourcenschonende Bauen der Zukunft bereitgestellt.

Das IGF-Vorhaben 21556 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Authors: Penzel, P.; Ur Rehman, N.; Hahn, L.; Michler, H.; Cherif, C.; Curbach, M.

Contact:

Technische Universität Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) und Institut für Massivbau (IMB)

Dipl.-Ing. Paul Penzel, M. Sc. Nazaib Ur Rehman, Wiss. Mitarbeiter

+49 351 463-422 45 // +49 351 463-404 73

http://tu-dresden.de/mw/itm // https://tu-dresden.de/bu/bauingenieurwesen/imb

Carbonbeton Kettfadenversatz Netzgitterträger 3D-Netzgitterträger carbonfaserbasiert Leichtigkeit

Downloads:

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

more close Print
10.10.2023

ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

BEWERTUNG VON PRODUKTIONSTECHNOLOGIEN FÜR SMART TEXTILES MIT DEM POTENZIAL EINER MATERIALTRENNUNGN FÜR RECYCLING

Recycling Smart Textiles

Abstract

In dieser Untersuchung wird der aktuelle Stand der Technik und Forschung der Produktionstechnologien von Smart Textiles unter Berücksichtigung des Recycling-Aspekts dargestellt. Es wird ein Überblick zu den Produktionstechnologien von Smart Textiles gegeben, und anhand der gefundenen Ergebnisse wird ein geeigneter Herstellungsprozess vorgeschlagen.

Die Ergebnisse zeigen, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, Smart Textile herzustellen. Das 3D-Druckverfahren stellt eine vielversprechende Möglichkeit für eine effiziente und ressourcenschonende Produktion mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten dar. Bisher wird das 3D-Druckverfahren größtenteils zur Erzeugung von Verbindungen zwischen elektronischen Komponenten und dem Aufdrucken von Halterungen untersucht. Damit das Potenzial dieser Technologie vollständig ausgeschöpft werden kann, ist weitere Forschung zur Herstellung von Sensoren und anderen elektronischen Geräten, sowie die Untersuchung der Waschbarkeit der Textilien notwendig. Abschließend wird ein Prozessablauf vorgeschlagen, um Smart Textiles nachhaltig herzustellen unter Berücksichtigung des Aspektes von Recycling.

In zukünftigen Untersuchungen sollten spezifische leitfähige oder abbaubare Materialien sowie ihre elektrischen Eigenschaften in Kombination mit dem 3D-Druckverfahren weiter untersucht werden. Zudem ist es wichtig, umfassende Analysen zum gesamten Herstellungsprozess von der Faser bis zum Smart Textiles durchzuführen. Hinsichtlich des 3D-Druckverfahrens fehlt es aktuell an Forschung bezüglich des großflächigen Bedruckens von Smart Textiles.

Report

Abstract

In den vergangenen Jahren haben Weiterentwicklungen in Bereichen der leitfähigen Materialien und Fasern sowie immer kleiner werdender Elektronik deutliche Fortschritte gemacht und die Entwicklung von Smart Textiles vorangetrieben. Dem Durchbruch auf dem Massenmarkt stehen allerdings noch einige Herausforderungen bevor. Die derzeit eingesetzten Produktionstechnologien für Smart Textilien erzielen keine skalierbaren und marktfähigen Produkte. Daher werden sie bisher nur in begrenzten Stückzahlen gefertigt und sind als Prototypen oder Demonstrationsprodukte erhältlich. Diese sind in der Regel mit vielen manuellen Fertigungsschritten behaftet und führen zu hohen Herstellungskosten. Auch die Entsorgung und Recyclingfähigkeit von Smart Textiles stellen eine große Herausforderung dar. Das Ziel dieses Forschungsansatzes ist es, ein Produktionsverfahren zu ermitteln, welches sowohl die Recyclingfähigkeit von Smart Textiles und seinen Komponenten berücksichtigt als auch den erwünschten Anforderungen und Belastungen eines Smart Textiles gerecht wird. [Ing19]

Einleitung

Smart Textiles, auch bekannt als intelligente Textilien, vereinen Textilien und Elektronik und schaffen multifunktionale Textilien. Ihre Fähigkeit, mit ihrer Umgebung und ihren Benutzern interagieren zu können, hat das Potenzial, unseren Alltag sowie verschiedene Industriezweige zu revolutionieren. Smart Textiles werden in Bereichen wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen, dem Sportsektor oder der Medizin eingesetzt und können beispielsweise die Überwachung von Vitalparametern übernehmen. Durch die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung der Welt spielen Smart Textiles eine immer größere Rolle.

Allerdings ist die Herstellung vom Smart Textiles ein komplexer Prozess, der verschiedene Technologien und Materialien erfordert. Häufig eingesetzte Verfahren, wie beispielsweise das Löten, sind nicht sehr nachhaltig und können aufgrund der hohen Temperaturen während der Bearbeitung zur Beschädigung der Textilsubstrate führen. [AS17]

Methode

Anhand einer strukturierten Literaturrecherche (Abbildung 1) werden Datenbanken durchsucht, Ergebnisse gesichtet und anschließen bewertet. Anschließend werden vergangene Forschungsarbeiten zusammengefasst und ein Überblick geschaffen. Die Suche wird in drei Phasen eingeteilt: Planung der Suche, Durchführung der Suche und Dokumentation. Damit wird eine umfassende und erfolgreiche Suche sichergestellt. Um möglichst viele und relevante Quellen zu erfassen, werden mehrere Datenbanken abgedeckt und eine Vorwärts- und Rückwärtsrecherche durchgeführt. Abschließend werden die Ergebnisse hinsichtlich Zukunftspotential, Wirtschaftlichkeit und Automatisierbarkeit bewertet.

 

s. Abbildung 1: Ablauf systematischer Literaturrecherche. Quelle: [BSN+19; XW19]

Ergebnisse

Auswertung bestehender Produktionsverfahren

Folgende Produktionsprozesse für Smart Textiles wurden in die Analyse mit einbezogen.

  • Direktes Löten
  • Roboterunterstütztes Ultraschalllöten
  • Nd: YAG-Laserlöten
  • Ultraschallplastikschweißen
  • 3D-Druckverfahren
  • Flüssiger Metalldruck
  • Dampfbeschichten
  • Nanobeschichten
  • Siebdruckverfahren
  • Transfersiebdruckverfahren
  • Integration faserbasierter Elektronik
  • Nahtlose Integration

Einige Produktionsverfahren für Smart Textiles haben sich bereits in anderen Industriezweigen bewährt und zeigen sich als effiziente Option für die Herstellung Smart Textiles.

Das „direkte Lötverfahren“, „roboterunterstützte Ultraschallöten“, „Transfersiebdruck- bzw. Siebdruckverfahren“, „Nanobeschichtungsverfahren“ und das „Ultraschallplastikschweißen“ sind bereits etablierte Verfahren. Sie sind in der Lage große Produktionsmengen effizient zu verarbeiten oder in Rolle-zu-Rolle Produktionen integriert zu werden. Zudem bieten die Verfahren „direktes Löten“ und „Siebdruckverfahren“ kurze Prozesszeiten und geringe Kosten.

Verfahren wie das „Nd: YAG-Laserlöten“, die „Integration faserbasierter Elektronik“, „Dampfbeschichtungsverfahren“ und „flüssig Metall-Druckverfahren“ sind wiederum weniger gut geeignet, um große Mengen herzustellen. Obwohl sie vielversprechende Ansätze darstellen, erfordern sie aktuell noch weitere Forschung und technologische Fortschritte. Bei den Verfahren „roboterunterstütztes Ultraschalllöten“ und der „faserbasierte Integration“ ist außerdem mit hohen Anschaffungs- und Materialkosten zu rechnen.

Nachhaltigkeit

In Bezug auf Nachhaltigkeit stellt der Einsatz von Silber in Verfahren wie dem „direkten Löten“ und dem „roboterunterstützten Ultraschallöten“ Bedenken dar. Silber ist eine begrenzte Ressource und braucht für seine Gewinnung einen hohen Energie- und Wasserverbrauch. Zudem kann die Wiederverwendung von Silber sehr anspruchsvoll werden und spezielle Verfahren erfordern, die ebenfalls mit sehr hohem Energieverbrauch und Kosten verbunden werden. Auch besteht die Gefahr, dass während des Lötens die Textilsubstrate beschädigt werden, wodurch zusätzlicher Abfall entsteht. Ebenfalls stellt das Trennen von Lot und Textil eine Herausforderung dar, wodurch Reparaturen oder der Austausch kaputter Komponenten, ohne Beschädigung des Textils, sehr schwer durchführbar sind.

Analoges Verhalten gilt für die Verfahren „roboterunterstütztes Ultraschallöten“, „Nd: YAG-Laserlöten“ und dem „Siebdruckverfahren“, die ebenfalls silberhaltige Lote und Lösungen verwenden. Auch nahtlose „Integrationsverfahren für faserbasierte Elektronik“ erweisen sich nicht als sehr nachhaltige Verfahren, obwohl sie stark im Fokus der Forschung stehen. Es sind aufwendige Verfahren, die aus mehreren Prozessschritten bestehen, beginnend mit der Herstellung der faserbasierten Elektronikgarne, über die Einarbeitung ins Gewebe bis hin zur Erstellung leitfähigen Verbindung. [MHG20; HHY19]

Im Gegensatz dazu zeigen das „Dampfbeschichtungsverfahren“ und das „Nanobeschichtungsverfahren“ nachhaltigere Merkmale, da sie umweltfreundliche und organische Gemische verwenden. Ebenfalls zeichnet sich das „3D-Druckverfahren“ durch seinen genauen Materialverbrauch als ressourcenschonendes Verfahren aus, mit der Abfall vermieden und Ressourceneffizienz gesteigert wird. [AZC+18; FHB+16] Im Vergleich zu den anderen Fertigungsverfahren verwendet das „3D-Druckverfahren“ weniger Rohmaterial, Wasser, Energie und Chemikalien. Defekte Komponenten können leicht ausgetauscht und repariert werden. Darüber hinaus können recyclebare Materialien sowie verschiedenen Materialkombinationen eingesetzt werden, um verschieden Eigenschaften zu erreichten.

Das „3D-Druckverfahren“ ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und individueller Strukturen, die aufgeschmolzen und erneut für den Druck wiederverwendet werden können. Es kann sowohl zum Verbinden von Komponenten eingesetzt werden als auch zur Erstellung von Halterungen für SMD-Komponenten oder zur Einkapselung der Elektronik. Im Vergleich zu den anderen Verfahren kann auch mit deutlich weniger Anschaffungs- und Materialkosten gerechnet werden. Laufende Textilherstellungsprozesse müssen bei ihrer Integration nicht unterbrochen werden, sondern können als Add-On-Verfahren nach der Textilherstellung in die Prozesskette integriert werden. Zudem können durch die Auswahl der Filamente, Belastbarkeit und Flexibilität entsprechend kundenspezifische Anforderungen ausgesucht werden. Auch können einzelnen Komponenten problemlos entfernt und recycelt werden, was mit unlöslichen Verbindungen wie dem „direkten Lötverfahren“ oder der „faserbasierten Integration“ nicht möglich ist. Durch den Einsatz von Kunststoffmaterialien wird zudem auf begrenzte Ressourcen verzichtet und mit alternativen Materialien wie biobasierte Kunststoffe besteht die Möglichkeit den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren. [Gon23; GGY+22; KGK22]

Recycling

Aktuell fehlen konkrete Recyclingverfahren, wie es sie für die Textil- oder Elektronikindustrie gibt. Allerdings gibt es zwei Ansätze zum Recyclen von Smart Textiles Komponenten.

Es besteht zum einen die Möglichkeit, recycelte SMD-Komponenten aus anderen Einsatzbereichen in Smart Textiles einzusetzen. Hierbei sollen die zu recycelten SMD-Komponenten mittels eines UV-härtenden, nicht leitenden Acrylklebstoff auf das elektrisch leitfähige Textilband angebracht und ausgehärtet werden. Folgende Schritte werden bei diesem Ansatz durchlaufen:

  • Sammeln der Produkte am Ende ihrer Lebensdauer.
  • Entfernen der Textilbänder.
  • Band auf Oberfläche mit Aceton für 20 Minuten mit Komponenten nach oben platzieren.
  • Band aus Aceton nehmen und Komponenten manuell mit Pinzette oder automatisch mit industriellem Roboterarm entnehmen.
  • Umweltfreundliche Entsorgung von gebrauchten Band- und Kleberückständen.
  • Visuelle und funktionelle Kontrolle der entfernten Komponenten und in drei Gruppen einsortieren: Perfekt Komponenten, Komponenten mit geringfügigen mechanischen Schäden ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion und beschädigte Komponenten.
  • Reinigung der Komponenten und Rückstände mit Isopropylalkohol.
  • Herstellung neuer Proben mit den neuen Bändern und gebrauchten Komponenten.
  • Funktionstest der neuen Proben und einsortieren in zwei Qualitätskategorien: perfekt, und zweite Qualität. [HBN+23]

Zum anderen besteht die Möglichkeit, das Textilsubstart des Smart Textiles zu recyclen und wieder zu verwendeten. Dafür müssen die Webstühle angepasst werden, sodass eine vollständige Entwirrung des Garns am Ende seiner Lebenszeit möglich wird und diese gewaschen und wiederverwendet werden kann. Diese Methode kann erweitert werden, indem ein Smart Textile aus verschiedenen unabhängigen Modulen zusammengesetzt wird, die individuell aufgelöst und verändert werden können. Dies ermöglicht eine hohe Anpassbarkeit an individuelle Bedürfnisse sowie eine einfache Austauschbarkeit defekter Komponenten, ohne das gesamte Produkt wegwerfen zu müssen [WD20]

Bewertung der Produktionsprozesse

Auf Basis der Auswertung der Produktionsverfahren und der diskutierten Nachhaltigkeits- sowie Recycling-Aspekte werden die Verfahren anhand einer Skala von 1 bis 3 bewertet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Bewertung der Produktionsverfahren
Verfahren Skalierbarkeit Nachhaltigkeit Wirtschaftslichkeit
Direktes Löten 3 1 2
Roboterunterstütztes Ultraschalllöten 3 1 2
ND: Yag-Laserlöten 1 1 2
Ultraschallplastikschweißen 2 2 2
3D-Druckverfahren 2 3 2
Flüssiger Metalldruck 1 1 1
Dampfbeschichten 2 2 2
Nanobeschichten 2 2 2
Siebdruckverfahren 3 1 2
Transfersiebdruckverfahren 1 1 2
Integration faserbasierter Elektronik 3 1 1
Nahtlose Integration 1 1 1


s. Abbildung 2: Prozessablauf mit 3D-Drucker


Das Textilsubstrat wird entwirrt und zu weiteren Produkte verarbeitet.

Dieser Prozessablauf kann einen ersten Ansatz einer Kreislaufwirtschaft darstellen, um Smart Textiles nachhaltig zu produziert.

 

Diskussion

Im Rahmen dieser Untersuchung wird deutlich, dass es Produktionsverfahren gibt, die das Potenzial der Skalierbarkeit besitzen. Obwohl die faserbasierte Integration von Elektronikkomponenten stark im Fokus der Forschung steht, ist es kein nachhaltiges und ressourcenschonendes Verfahren. Das 3D-Druckverfahren stellt dagegen eine attraktive Alternative dar, da es den Recycling-Aspekt mitberücksichtigt. Zudem ist erkennbar, dass es aktuell an Recyclingverfahren für Smart Textiles fehlt, wie es sie in der Textil- oder Elektronikindustrie gibt und Recyclingansätze nur begrenzt vorhanden sind.

Literaturverzeichnis

[AS17] Amft, O.; Schneegass, S. (Hrsg.):
Smart Textiles.
1st ed. 2017. - Cham: Springer International Publishing; Imprint: Springer, 2017

[AZC+18]        Andrew, T. L.; Zhang, L.; Cheng, N.; Baima, M.; Kim, J. J.; Allison, L.; Hoxie, S.:
Melding Vapor-Phase Organic Chemistry and Textile Manufacturing To Produce Wearable Electronics
ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH. 51 (2018) 4, S. 850–859

[BSN+19]        Blümle, A.; Sow, Dorothea; Nothacker, Monika; Schaefer, Corinna; Motschall, E.; Boeker, Martin; Lang, Britta; Kopp, Ina; Meerpohl, Jörg J.:
Manual systematische Recherche für Evidenzsynthesen und Leitlinien, 2019

[FHB+16]        Feng, J.; Hontanon, E.; Blanes, M.; Meyer, J.; Guo, X.; Santos, L.; Paltrinieri, L.; Ramlawi, N.; Smet, L. C. P. M. de; Nirschl, H.; Kruis, F. E.; Schmidt-Ott, A.; Biskos, G.:
Scalable and Environmentally Benign Process for Smart Textile Nanofinishing
ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 8 (2016) 23, S. 14756–14765

[GGY+22]       Gong, W.; Guo, Y.; Yang, W.; Wu, Z.; Xing, R.; Liu, J.; Wei, W.; Zhou, J.; Guo, Y.; Li, K.; Hou, C.; Li, Y.; Zhang, Q.; Dickey, M. D.; Wang, H.:
Scalable and Reconfigurable Green Electronic Textiles with Personalized Comfort Management
ACS Nano. 16 (2022) 8, S. 12635–12644

[Gon23]           Goncu-Berk, G.:
3D Printing of Conductive Flexible Filaments for E-Textile Applications
IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1266 (2023) 1, S. 12001

[HBN+23]        Hirman, M.; Benešová, A.; Navrátil, J.; Steiner, F.; Tupa, J.:
New Recycling Procedure of SMD Components for Reuse in E-Textiles in Accordance to the Green Deal Policy, 2023

[HHY19]          Hong, H.; Hu, J.; Yan, X.:
UV Curable Conductive Ink for the Fabrication of Textile-Based Conductive Circuits and Wearable UHF RFID Tags
ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES. 11 (2019) 30, S. 27318–27326

[Ing19] Inga Gehrke, Volker Lutz, David Schmelzeisen, Vadim Tenner and Thomas Gries:
Smart Textiles Production: MDPI, 2019

[KGK22]          Kang, D. J.; Gonzaléz-García, L.; Kraus, T.:
Soft electronics by inkjet printing metal inks on porous substrates
Flexible and Printed Electronics. 7 (2022) 3, S. 33001

[MHG20]         Micus, S.; Haupt, M.; Gresser, G. T.:
Soldering Electronics to Smart Textiles by Pulsed Nd:YAG Laser
Materials (Basel, Switzerland). 13 (2020) 11

[WD20]            Wu, S.; Devendorf, L.:
Unfabricate: Designing Smart Textiles for Disassembly
Bernhaupt, R.:
Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, Honolulu HI USA, 25 04 2020 30 04 2020
New York,NY,United States: Association for Computing Machinery, 2020, S. 1–14

[XW19]            Xiao, Y.; Watson, M.:
Guidance on Conducting a Systematic Literature Review
Journal of Planning Education and Research. 39 (2019

Authors: Robin Oberlé1 Autor, Büsra Unay1 Co-Autor

Contact:

1 RWTH Aachen – Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (Germany)

Arbeitsgruppenleiter: Robert Boich – Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen Univer-sity (Germany)

Produktion

Downloads:

More entries from ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

more close Print