Research publications

Introduction

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

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

Objective

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

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

 

Hybrid Yarn Structures and Related Composites: Development and Characterization

Development and Production of Hybrid Yarns Using Flyer Spinning Technology

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

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

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

Manufacturing of Recycled Carbon Fiber-Reinforced Composite

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

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

Selected Results and Discussion

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

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

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

Summary

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

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

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

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

Acknowledgements

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

 

References

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Einleitung

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

Zielsetzung

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

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

 

Hybridgarnstrukturen und Composites: Entwicklung und Charakterisierung

Entwicklung und Fertigung von Hybridgarnen mittels Flyerspinntechnologie

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

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

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

Fertigung von recycelten carbonfaserverstärkten Verbundplatten

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

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

 

Ergebnisse und Diskussion (Auswahl)

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

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

Zusammenfassung

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

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

 

Danksagung

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

 

Literaturangaben

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Einleitung und Problemstellung

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

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

Zielsetzung

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

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

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

Ergebnisse

Simulationsgestützte Strukturauslegung

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

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

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

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

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

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

Aktiv verformbare 3D-FKV-Integralbauteile

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

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

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

Zusammenfassung

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

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

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

Danksagung

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

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

 

Literaturverzeichnis

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

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

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

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

129.

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

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

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

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

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

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

Introduction

Smart textiles and wearables are no new topics in the field of textile research. Nevertheless, they have yet to reach the market breakthrough expected. Instead, the drastic increase in the market share is pushed into the future with each new study. Despite this breakthrough delay, there is no shortage of work in the academic field.

Much of the work is currently focusing on employing metal coated yarns for applications in which electrical signals are detected and transmitted. Although the electrical conductivity of these materials is in the range of typical metals, they are often negatively influenced from external factors such as moisture and friction. One approach to combat the wear is to employ a material in which the conductive component is integrated during production rather than subsequently applied as a coating. This can be done through the melt compounding of conductive particles into thermoplastic polymers, which are then extruded to filaments. These materials are inherently conductive but, when spun alone, are still subject to the influence of external moisture.

In order to solve both problems of wear and influence of moisture, bicomponent thermoplastic filaments have been developed at ITA. Additionally, these filaments open up opportunities for new filament sensors to be integrated not only in clothing but also lightweight composites and civil structures. The production, characterisation and outlook of these novel filaments is described below.

Production

Melt spinning is a method for the continuous filament production. Specifically, monofilament melt spinning is used for the manufacturing of products such as fishing line, tennis strings and 3D-printer filament. With the addition of a second extruder bicomponent filaments can also be produced. A schematic visualisation of the employed bicomponent monofilament machine is shown in Figure 1.

In order to generate an inherently conductive compound, conductive nanoparticles are mixed with a carrier thermoplastic material. In this work, a commercially available compound consisting of 4 wt.% carbon nanotubes (CNTs) and 96 wt.% thermoplastic polyurethane (TPU) from the company NanoCyl SA, Sambreville, Belgium is used. This compound is the core component of the filament. Two different sheath components are used: Polypropylene (PP) Moplen HP561R, LyondellBasel Industries Holding B.V., Rotterdam, The Netherlands and TPU 1185 from BASF Polyurethane, Lemsförde, Germany. The resulting filaments will be further referred to as PP/TPU and TPU/TPU. The production parameters for the filaments are shown in Table 1.

Table 1:            Production parameters for the monofilaments (see attached pdf)

Results and discussion

The cross-sections of the filaments are analysed using light microscopy. The samples are first embedded in epoxy and polished. The images of the filaments are shown in Figure 2. The variance of the final areas and diameters stem from the difference in the material density in the molten and solid state. In both filaments a clear distinction between the core and sheath components is visible.

Electrical analysis to determine the static and dynamic electrical resistance is done by cutting the filament cleanly to expose the core and then dipping the filament in silver paint. An electrical path from the core to the surface of the filament is generated and the filament can be contacted with standard clamps. This method is schematically shown in Figure 3. Unfortunately, due to the softness of the TPU in the sheath, this method is not suitable for the electrical contacting of the TPU/TPU filament. Therefore, only the results of the PP/TPU filament are presented.

For the first quantitative tests, electrical resistance is measured simultaneously while applying a tensile strain. The starting length of the filament to be deformed is 5 cm and a constant speed of 1 mm/min is applied. This roughly corresponds to a strain rate of 2 %/min. This slow speed is derived from the strain rates for testing of geoplastics. The total length of the sensor filament, including the length clamped in the tensile machine and length needed to attach the multimeter, is 20 cm. Five filament samples are tested in this set-up. The test set-up is shown schematically in Figure 4.

In conventional strain gauge technology, the electrical response of the sensor is given as the normalised change of the resistance using the equation below. Here Rε is the resistance at strain ε and R0 is the resistance at strain 0 %.

 

ΔR/R [-] = Rε [Ω] - R0 [Ω]R0 [Ω]

(1)

This same convention is initially used for the analysis of the sensor filaments. The resulting curves for the filament PP/TPU is shown in Figure 5, left. It can be seen that, although the general trend of the curves is similar, an exact calibration of the sensors is not yet possible. One assumption for the varying trends results from the variance in the R0 of the filaments, causing a difference in the scaling of the curves as shown is Eq. 1. The initial values R0 can be seen in Figure 6.

The sensor response is then calculated in regards only to the change in resistance, as opposed to the normalised change. This alternate equation can be seen below and the resulting diagram can be seen in Figure 5, right.

 

ΔR [Ω] = R [Ω] -R0 [Ω]

(2)

 

It can be seen that the response of the five tested filaments is in much more agreement when only the change in the resistance is considered. This result demonstrates the fact that the analysis of the novel sensor filaments may not be taken completely from conventional, current solutions and may have to be rethought entirely. Additionally, there seems to be a correlation between the noise of the measurements and the high R0, for example for repetitions 4 and 5. When these filaments are removed from the visual representation, a calibration of the sensor filament can be done with high precision until 7 %, which is generally larger than expected strains in structural applications (Figure 7).

Conclusion and Outlook

The results presented here show the extreme potential of polymer-based sensor filaments. Through the production parameters, the filaments can be tailored to match specific requirements of a variety of applications. These sensor filaments can revolutionise structural health monitoring in civil structures, lightweight components and many, yet to be discovered, applications. In order to realise this technological breakthrough, work still needs to be done in various aspects:

• Identification of more technical applications, for which the sensor filaments can be relevant
• Mechanical and electrical contacting of the filaments in a more robust manner, as well as contacting of the softer TPU/TPU filaments
• Variation of testing parameters in order to investigate the sensor response under different loading cases (cyclic, relaxation, creep, different strain rates, combination of loading)
• Testing of the sensor response after integration in to the substrate material
• Data analysis to understand the proper data visualisation for the novel material
• Improvements of the electrical circuit while testing to include four-point electrical measurements as well as the incorporation of a Wheatstone bridge

 

Acknowledgment

We would like to thank the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action (BMWK) for funding of the project ZIM Plug&Sense (KK5055907ZG0).

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) werden aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und Festigkeit sowie der geringen Dichte zunehmend in Leichtbauanwendungen eingesetzt, insbesondere in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Transport, Windenergie, Sport oder Bau. Der globale CFK Bedarf wird sich Prognosen zufolge bis 2024 auf 197.000 t/a erhöhen und damit im Vergleich zu 2011 fast verdreifachen. Das zeigt den dringenden Bedarf an Lösungen zur Wiederverwertung der hochwertigen CF (rCF) im Sinne der Circular Economy. Das ist nicht nur aufgrund strenger rechtlicher Bestimmungen, sondern auch aus ökologischen sowie ökonomischen Gründen eine Notwendigkeit. Zahlreiche Forschungsinstitute und Unternehmen entwickelten in den letzten Jahren Lösungen zur Wiederverwendung von rCF in den Bereichen Vliesstoffe, Spritzgießen oder als Hybridgarne. Diese Arbeiten umfassen allerdings mehrheitlich den Einsatz von rCF in Kombination mit thermoplastischen Fasern für thermoplastische Composites. Für den Bereich rCF basierter duroplastischer CFK wurden bisher vorwiegend rCF-Vliesstoffe aus 100% rCF entwickelt. Da die Fasern in den Vliesstoffen prinzipbedingt nur eine begrenzte Länge und eine geringe Orientierung aufweisen und zusätzlich prozessbedingt hohen Faserschädigung auftreten, sind damit bisher nur max. 30% der Verbundkennwerte von CFK-Bauteilen aus Carbonfilamentgarnen erreichbar.

Aktuell sind die im Bereich hochbelastbarer CFK verwendeten Matrixsysteme überwiegend duroplastisch. Derartige Bauteile weisen eine hohe Formstabilität und hohe Steifigkeiten sowie Festigkeiten auf und eignen sich aufgrund niedrigviskoser Matrixsysteme zur Umsetzung komplexer Bauteilgeometrien. Jedoch werden aufgrund der bisher für diese Bauteile nur ungenügend in rCF abbildbaren, notwendigen Eigenschaften vorrangig Primärcarbonfilamentgarne eingesetzt. Neben einer geringen Nachhaltigkeit verursacht das auch um mind. 200 % höhere Kosten. Die Herstellung primäres Carbonfilamentgarnes erfordert einen hohen Energiebedarf von ca. 230 MJ/kg mit einem CO2-Emissionsäquivalent von 20 kg CO2/kg CF. Hier ist eine deutliche Verbesserung der CO2-Bilanz notwendig, um einen wesentlichen Beitrag zu den anvisierten Klimaschutzzielen der BRD bzw. der EU leisten zu können. Aus diesem Grund ist der Fokus der Projektarbeit die Entwicklung neuartiger, nachhaltiger rCF-Heavy Tows aus recycelten Carbonfasern (rCF) und dazugehöriger Fertigungstechnologien zur Umsetzung kostengünstiger duroplastischer Composites mit hohem Leistungsvermögen.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21612 BR der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel.

Einleitung

Faserverstärkte Verbundstrukturen (Composites) werden gegenwärtig u. a. in den Bereichen des Maschinen-, Flugzeug- und Automobilbaus aufgrund der ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig höchstem Leichtbaupotenzial eingesetzt [1]. Auch im Bausektor finden Hochleistungstextilien, substituierend zur Stahlbewehrung, zunehmend Anwendung im Carbonbeton [2], aufgrund ihrer mechanischen sowie chemischen Eigenschaften und der daraus resultierenden ressourcenschonenden, filigranen Leichtbauweise. Die langzeitstabile Funktionsfähigkeit und Sicherheit von faserverstärkten Verbundstrukturen ist durch den häufigen Einsatz in sicherheitskritischen Komponenten und Strukturen dringend erforderlich. Ein vielversprechender praxisorientierter Lösungsansatz stellt hierbei die kontinuierliche Strukturüberwachung dar, um die (Rest-)Tragfähigkeit zu quantifizieren und um ggf. erforderliche Maßnahmen zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit einzuleiten.  
Eine besonders wirtschaftliche und strukturkompatible Lösung sind textilbasierte Sensoren, die während der Herstellung der textilen Verstärkungshalbzeuge integriert und zur Erfassung komplexer Lastfälle sowie Riss- und Delaminationsvorgänge auf Verbundebene eingesetzt werden. [3 – 6]

Textilbasierte Dehnungssensoren werden prinzipbedingt vorwiegend zur Überwachung in zugbeanspruchten Verbundstrukturen eingesetzt. Um zuverlässige Aussagen über strukturelle Veränderungen und kritische Überlastzustände auch in komplex überlagerten Beanspruchungsszenarien (bspw. Zug- und Druckbeanspruchungen) ableiten zu können, wurden im IGF-Projekt 21169 BR textilbasierte druckmessfähige Sensorsysteme zur kontinuierlichen In-situ-Strukturüberwachung für FKV entwickelt.

Zielsetzung und Lösungsweg

Das Ziel des IGF-Forschungsprojekts war die Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung textilbasierter druckmessfähiger Sensorsysteme und deren textiltechnische Integration im Multiaxialkettenwirken zur Herstellung sensorisch-funktionalisierter textiler Verstärkungshalbzeuge für den Einsatz in FKV. Das Anforderungsprofil an die textilen Sensoren wurde anhand eines Funktionsdemonstrators simulationsgestützt abgeleitet und gezielt darauf ausgelegt strukturelle Deformationen durch einwirkende Zug-, Biege- und vor allem Druckbeanspruchungen zu erfassen. Hierfür wurde der Ansatz verfolgt, die Drucksensitivität von textilen Sensoren durch die gezielte Einstellung und Aufrechterhaltung einer Vorspannung bzw. -dehnung zu erhöhen. Das Sensorverhalten wurde umfangreich in elektromechanischen Untersuchungen auf Faser- und Verbundebene analysiert und am Funktionsdemonstrator erprobt.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21169 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.

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Aktuelle faserverstärkte Kunststoffverbunde (Composites) werden entweder nach Steifigkeits- und Festigkeits- oder Impact- bzw. Crasheigenschaften ausgelegt. Komplexe, sich überlagernde Lastszenarien werden dabei nur sehr beschränkt berücksichtigt. Zwar gibt es erste realisierte Verbundbauteile, bspw. die B-Säule eines Automobils [1], bei denen Composites (bspw. Carbonfaserprepregs) zur Realisierung hoher gewichtsspezifischer Steifigkeiten und Festigkeiten mit metallischen Komponenten (bspw. Stahlbleche) zur Erreichung der notwendigen Schadenstoleranz kombiniert werden. Bei derartigen Konzepten erfolgt die Hybridisierung auf Makro- (Strukturebene) oder Mesoebene (Garnebene) und erfordert extrem aufwendige und kostenintensive Fertigungsprozesse [2–4]. Konzeptbedingt weisen diese Bauteilen zudem stark ausgeprägte interlaminare Grenzflächen auf, an denen durch komplexe Beanspruchungen hohe Scherspannungen entstehen, die dann zu frühzeitigen Delaminationen mit entsprechenden Strukturversagen führen [5–8]. Im Rahmen des hier vorgestellten Projekts wurden ein Konzept zur Überwindung der Nachteile und für den Einsatz bei zukünftigen Entwicklungen erarbeitet und umgesetzt. Der Ansatz besteht dabei darin, die Kombination der verschiedenen Komponenten durch Hybridisierung auf Mikroebene (innerhalb eines Garnes/Faserebene) zu gestalten und damit deren Eigenschaftspotentiale maximal auszuschöpfen. Durch den Einsatz recycelter Hochleistungsfasern ergeben sich zudem deutliche Vorteile hinsichtlich Nachhaltigkeit, Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit gegenüber konventionellen Composites.

Ziel des Projekts ist die Kreierung einer neuen auf Mikroebene hybridisierten dreikomponentigen Werkstoffklasse für thermoplastische Leichtbauanwendungen. Durch die gezielte Kombination der Verstärkungsfasern Carbon und Aramid sind über Variation der Verstärkungsfaseranteile und Faseraufmachung lastfallgerecht hohe Steifigkeiten und Festigkeiten mit hohen Crash- bzw. Impacteigenschaften kombinierbar. Abb. 1a zeigt schematisch die Eigenschaften von CF/AR Hybridcomposites nach dem Stand der Technik (Abb. 1a unten durch Ellipse hervorgehoben), aus zu entwickelnden Engineered Garnen (oben, Bereich innerhalb der gestrichelten Linien) und die theoretischen Materialpotentiale (oben, farbige Linien) jeweils in Abhängigkeit der Faservolumenanteile. Die systematische Untersuchung des Einflusses der materialspezifischen Faservolumenanteile für eine skalierbare Auslegung der Composites, erfolgte beispielhaft in fünf Stufen (CF/AR bzw. rCF/rAR: 50/0 %; 40/10 %; 25/25 %; 10/40 %; 0/50 %).

Die Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf drei wesentliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt war die Weiterentwicklung der Prozesstechnik, sodass die auf Engineered Garnen basierenden Composites aufgrund geringer Faserschädigungen, einer hohe Gleichmäßigkeit und hohen Faserorientierung hohe Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Der zweite Schwerpunkt war die erstmalige Umsetzung der homogenen Durchmischung von drei Fasermaterialien auf Mikroebene, sodass gleichzeitig Steifigkeiten, Festigkeiten und ebenfalls Impact- und Crasheigenschaften signifikant erhöht werden können. Der dritte Schwerpunkt lag in der Auslegung der Engineered Garne, um so herausragende, skalierbare Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen für verschiedenste Anforderungen gezielt einstellen zu können (Abb. 1a).

Die konkrete Umsetzung des angestrebten Ziels, Realisierung von CF/AR/PA6 bzw. rCF/rAR/PA6 Hybridgarnen zur Herstellung anforderungsgerechter thermoplastischer Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen, erfolgte unter Verwendung von zwei Materialkonzepten (Abb. 1b) auf Basis von zwei, in der Industrie etablierten Garnbildungstechnologien (Abb. 1a). Dabei wurden die komplexen Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Material-Garn-Verbundeigenschaften analysiert und für die KMU fundiertes Wissen für die Entwicklung, materialabhängige Auslegung der Engineered-Garne, die Ableitung der bestmöglichen Material- und Prozessparameter für konkrete Anwendungen sowie für die Steuerung der Fertigungsprozesse erarbeitet und in Form eines Verfahrensleitfadens aufbereitet. Die detaillierte Beschreibung der Entwicklungsarbeiten kann aus dem Abschlussbericht entnommen werden.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21004 BR/1 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.