Research publications

1 Einleitung

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

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

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

2 Stand der Forschung und Technik

2.1 Reparaturansätze für FKV

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

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

2.2 Mehrlagenstrick-Technik zur Fertigung dreidimensionaler textiler Verstärkungsstrukturen

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

2.3 Modellierung von textilen Verstärkungsstrukturen

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

3 Material und Methoden

3.1 Material

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

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

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

 

3.3 Verfahrensentwicklung zum sequentiellen 3D-Matrixabbau an gekrümmten Strukturen

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

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

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

4 Ergebnisse und Diskusison

Simulation

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

Untersuchungen zum 3D-Matrixabbau

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

Untersuchungen der gestrickten 3D-Textilpatches

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

5 Entwicklung und Umsetzung einer robotergestützten, automatisierten Reparaturprozesskette

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

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

 

6 Tragfähigkeitsnachweis der Reparaturlösung

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

7 Schlussfolgerungen

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

 

Danksagung

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

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Einleitung, 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: 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: 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: 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: 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: 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.

 

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

Im 21. Jh. wächst die hohe Bereitschaft der Gesellschaft, ökologische, ressourcen- und umweltschonend hergestellte Produkte zu verwenden, stets weiter. Hierbei hat die Textil- und Faserbranche die Chance, durch biobasierte Produkte auf Grundlage von nachwachsenden Rohstoffen, wie Chitin bzw. Chitosan, Entwicklungen voranzutreiben, um dem gesellschaftlichen, nationalen sowie internationalen Bedarf an biobasierten Produkten gerecht zu werden.

Das Biopolymer Chitin und sein Derivat Chitosan sind bereits vielseitig genutzte Rohstoffe in der (Bio-)Medizin und Pharmazie, die jedoch kaum als reines textiles Produkt verfügbar sind. Chitin ist mit 1,5·105 t/a das zweithäufigste natürlich vorkommende Biopolymer nach Cellulose [1]. Die halbkristalline Struktur und das stabile Netzwerk aus molekularen Bindungen limitieren jedoch die Löslichkeit von Chitin stark, weshalb vornehmlich das Chitinderivat Chitosan in der Forschung und Materialentwicklung untersucht wird. Die Materialklasse des Chitosans weist hervorragende biologische und antibakterielle Eigenschaften sowie Zellbesiedelbarkeit und Biodegradabilität auf [2, 3]. In den letzten Jahren wurden zwar beträchtliche Forschungsanstrengungen unternommen, um effiziente Chitosanprodukte zu entwickeln, dennoch ist die Verfügbarkeit reiner, langzeitstabiler Chitosanmultifilamentgarne aktuell stark eingeschränkt [4]. Ebenso wird ein robuster, adaptierbarer Prozess zur Erzeugung dieser leistungsstarken Garne dringend benötigt, da heutige Chitosanfilamentgarne hinsichtlich mechanischer Eigenschaften stark limitiert sind. Aufgrund der natürlichen Herkunft und der damit verbundenen Variabilität von Rohmaterialeigenschaften, wie bspw. Deacetylierungsgrad (DA), Molekulargewicht (MW), etc., bestehen nach wie vor große Herausforderungen, Chitosanmultifilamentgarne mittels der bisher entwickelten säure- und alkalidominierten Herstellungsprozesse zu erzeugen.

Das Ziel des IGF Projektes 21168 BR „Chion“ bestand deshalb darin, Multifilamentgarne aus 100 % Chitosan mit hohem Leistungs- und Funktionsvermögen auf Basis eines robusten Lösungsmittelnassspinnverfahrens mit ionischen Lösungsmitteln in reproduzierbarer Qualität und mit einstellbaren Eigenschaften zu erzeugen.

Erzielte Ergebnisse

Durch die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten (ionic liquids, IL) werden erstmalig kostengünstigere Chitosane mit geringeren Mw bzw. niedrigen DA < 90 % dem Lösungsmittelnassspinnprozess zugänglich gemacht. Ein hoher Anteil an Acetamidgruppen bei Chitosan mit geringem DA führt zu einer Steigerung der intermolekularen Wechselwirkungen, wodurch ein erhöhtes Leistungsvermögen bis zu 28 cN/tex, sowie eine gute textiltechnische Verarbeitung der mittels IL hergestellter Chitosanmultifilamentgarne resultieren. Die komplexe Erforschung der Chitosan-IL-Systeme mit verschiedenen Chitosanqualitäten, MW sowie DA 60 – 90 % mit imidazolhaltigen IL erfolgte zunächst unter vereinfachten Randbedingungen für Monofilamente. Aus den Ergebnissen wurden wichtige Prozessparameter und aussichtsreiche Chitosan-IL-Kombinationen abgeleitet und der entwickelte Prozess auf den Multifilamentmaßstab übertragen. Eine strukturmechanische Einstellung der Eigenschaften der Chitosanmultifilamente war ein grundlegender Gegenstand der Forschungsarbeiten. Jeder Entwicklungsschritt wurde dabei von systematischen Material- und Prozesscharakterisierungen sowie Analysen begleitet. Systematische Untersuchungen erfolgten zur Löslichkeit von Chitosan in IL, Viskositätsstudien, Fasermorphologie sowie -geometrie, chemischen und physikalischen Materialeigenschaften, Kristallinität- und Degradationsverhalten sowie zum Einfluss einer zielgerichteten Verstreckung während des Spinnprozesses auf strukturmechanische Einstellung der textil-physikalischen Eigenschaften. Durch die Integration säure- und temperaturempfindlicher Modellwirkstoffe in die Spinnlösung wurde die Funktionalisierbarkeit der erzeugten Chitosanfilamentgarne nachgewiesen sowie die Bioaktivität und deren Beständigkeit im Koagulationsbad und am Garn erforscht. Im Ergebnis der gezielten Abstimmung der molekularen Eigenschaften des Chitosans und der erarbeiteten Spinnprozessparameter steht somit ein robuster, übertragbarer Lösungsmittelnassspinnprozess zur Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne im Technikumsmaßstab zur Verfügung. Zum Abschluss wurde die textile Verarbeitbarkeit der erzeugten Chitosanmultifilamentgarne in Strick-, Web- und Flechtprozessen untersucht und nachgewiesen.

Untersuchung des Lösungsvermögens von Chitosan in IL sowie Spinnlösungherstellung

Der erste Schritt der Forschungsarbeiten umfasste die Untersuchung und Bewertung des Lösungsvermögens ionischer Flüssigkeiten (IL) für Chitosan. Mittels systematischer Versuchsdurchführung wurden 19 kommerziell verfügbaren Materialien unterschiedlicher Qualitäten (z.B. medizinisches Chitosan, industrielles Chitosan, etc.), Provenienzen (z.B. Shrimps, Krabben, pilzbasiertes Chitosan), DA (60 – 90 %) sowie MW charakterisiert und deren Löslichkeit in aussichtsreichen imidazolhaltigen IL grundlegend analysiert und ausgewertet. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass besonders kurzkettige IL in Kombination mit Acetat-Anionen ein hervorragendes Lösungsvermögen für alle untersuchten Chitosane aufweisen (vgl. Abbildung 1), woraus eine Ableitung aussichtsreicher Chitosan-IL-Kombinationen für weitere Prozessentwicklungsschritte folgte.

Die Herstellung der Chitosan-IL-Spinnlösungen erfolgte mittels thermischer Unterstützung in Feststoffkonzentrationen bis zu 8 Gew.-% und wurde von rheologischen Untersuchungen in Abhängigkeit von den Parametern Temperatur und Scherrate begleitet und bewertet. Zur Untersuchung der Stabilität, Prozessierbarkeit sowie Spinnbarkeit der hergestellten homogenen Chitosan-IL-Lösungen wurden diese im Labormaßstab zu Monofilamenten verarbeitet. Umfangreiche Analysen umfassten dabei besonders Untersuchungen der Fadenbildung in Abhängigkeit von verwendeten Rohmaterialien sowie Prozessparametern, wie Feststoffgehalt, Temperatur und Verweilzeit im Koagulationsmedium, sowie des Diffusionsverhaltens und der resultierenden Fasereigenschaften. Die erarbeiteten Grundlagen bildeten dabei eine Basis für die Prozessentwicklung der Multifilamentgarnerspinnung aus IL. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass sich alle untersuchten Chitosan-IL-Kombinationen zu reinen Chitosanfasern verarbeiten lassen, und dienen somit als Nachweis, dass IL ein geeignetes und aussichtsreiches Lösungsmittel zur Herstellung von Chitosanmultifilamentgarnen darstellen.

Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne

Im nächsten Schritt der Forschungsarbeiten fand die erfolgreiche Übertragung der im Labor erarbeiteten Grundlagen auf einen Lösungsmittelnassspinnprozess im Technikumsmaßstab statt. Die Erspinnung der Chitosanmultifilamentgarne erfolgte dabei an der Lösungsmittelnassspinnanlage (Fourné Maschinenbau GmbH) des ITM. Die Pilot-Spinnanlage ist speziell für FuE-Prozessentwicklungen ausgelegt und ermöglicht u. a. Versuche mit 2 – 60 Liter Spinnlösung.

Für die Spinnversuche wurde die Chitosan-IL-Spinnlösung zunächst filtriert und unter bestimmten temperatur- und druckbedingten Konditionen entgast. Die Multifilamenterspinnung erfolgte mittels unterschiedlicher Spinndüsengeometrien, u.a. 78 Löcher à 90 μm (90 µm/78f) bzw. 24 Löcher à 160 μm (160 µm/12f). Die präparierte, temperierte Spinnlösung wurde in ein Koagulationsbad mit deionisiertem Wasser als Medium extrudiert. Die resultierenden Multifilamentgarne weisen Garnfeinheiten von ca. 50–65 tex sowie Filamentdurchmesser von ca. 30–50 µm in Abhängigkeit von der Düsengeometrie auf. Um maßgeschneiderte Funktionalitäten, wie hohe mechanische Festigkeiten und Kristallinitäten sowie verbesserte Molekülorientierung, zu erzielen, wurde der Einfluss des Faserverzugs während des Spinnprozesses systematisch untersucht und mittels gezielter Versuchsplanung effektive Verzugsparameter ausgearbeitet. Die prozessbegleitenden systematischen Untersuchungen umfassten dabei die Charakterisierung der mechanischen und textil-physikalischen Eigenschaften der mittels IL ersponnenen Garne sowie den Vergleich der erzielten Kennwerte mit konventionell hergestellten Chitosangarnen auf Essigsäurebasis (AcOH). Der DA des Rohmaterials spielt dabei eine besonders große Rolle: Ein hoher Anteil an Acetamidgruppen bei Chitosan mit geringem DA (< 90 %) führt zu einer Steigerung der intermolekularen Wechselwirkungen, woraus verbesserte mechanische Eigenschften resultieren. Die erzielten Ergebnisse weisen eine hohe Funktionalität sowie deutlich verbesserte Festigkeiten der mittels IL ersponnenen Chitosanmultifilamentgarne im Vergleich zu den konventionellen Chitosangarnen (DA 90 %) aus AcOH auf (vgl. Abbildung 3, rechts). Mittels erarbeiteten Verzugsparametern lassen sich zudem maßgeschneiderte textil-physikalische Eigenschaften, wie Elastizität oder Festigkeiten, je nach gestellten Anforderungen einstellen.

Textiltechnische Umsetzung der Chitosanmultifilamentgarne

Im letzten Schritt der Projektbearbeitung folgte die erfolgreiche textiltechnische Verarbeitung der Chitosanmultifilamentgarne aus IL zu Strick- und Webmustern sowie Geflechten (vgl. Abbildung 4). Die technische Verarbeitung von konventionellen Chitosangarnen auf Textilmaschinen stellte aufgrund unzureichender mechanischer Festigkeit und Knotenreisskräften bisher immer eine Herausforderung dar. Eine störungsfreie Verarbeitung in Web-, Strick- oder Flechtprozessen ohne eine spezielle Garnvorbehandlung bzw. Maschinenanpassungen konnte bisher für konventionelle Chitosanmultifilamentgarne nicht umgesetzt werden. Die mittels IL hergestelltes Chitosanmultifilamentgarne bieten dagegen die notwendige mechanische Stabilität sowie Flexibilität, um in konventionellen textilen Prozessen auf industrieüblichen Textilmaschinen zu Strick-, Web- oder Flechtstrukturen verarbeitet zu werden. Durch eine zusätzliche Garnfunktionalisierung, wie bspw. Schlichteauftrag, wird die Verarbeitbarkeit des Materials sowie die Qualität des Fertigproduktes noch zusätzlich verbessert.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21168 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.

Die vollständige Veröffentlichung steht zum Download zur Verfügung.

Abstract

Die volle Substanzfestigkeit des Hochleistungsmaterials Carbon kann im Betonverbund immer noch nicht ausgenutzt werden kann. Das liegt in der geringen Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Carbonfaden und Betonmatrix begründet. Hier setzte das erfolgreich abgeschlossene Forschungsprojekt IGF 21153 BR des ITM an. Der Fokus lag auf der Entwicklung und Umsetzung von Verfahren zur Integration von Formschlusselementen im Herstellungsprozess von textilen Bewehrungen zur Steigerung der Verbundfestigkeit zwischen Bewehrung und Beton. Es wurde nachgewiesen, dass der dadurch erreichte zusätzliche Formschluss auf Basis einer Oberflächenprofilierung, ähnlich dem gerippten Bewehrungsstahl, den Schubfluss vervierfacht, die erforderliche Überlappungslänge folglich viertelt und damit den Materialeinsatz erheblich reduziert. Zwei Vorzugsvarianten wurden herausgearbeitet, für deren erfolgreiche Umsetzung die Entwicklung von Inline-Temperatur- und Feuchtigkeitsmesssystem erforderlich war.

Ausgangssituation und Problemstellung

Beton ist weltweit der wichtigste und am häufigsten eingesetzte Baustoff und wird in nahezu allen Anwendungsbereichen in Kombination mit einer Bewehrung zur Aufnahme der Zugkräfte eingesetzt [1]. Durch die Kombination von Beton mit einem Bewehrungsmaterial wie Stahl, können Bauwerke errichtet werden, die höchsten Beanspruchungen standhalten können. Da Stahl jedoch ein korrosionsanfälliges Material ist, muss eine signifikante Deckschicht stark basischen Betons aufgewendet werden, um einen Verlust der Tragleistung durch Korrosion der Bewehrung zu verlangsamen [2]. Zur Abtragung der im Bauwerk wirkenden Drucklasten ist die Dicke der Deckschicht nicht erforderlich. Daher erfolgte in den letzten beiden Dekaden die Entwicklung und sukzessive Praxiseinführung von Textilbewehrungen, die aus hochleistungsfähigen Multifilamentgarnen aus Carbon oder alkaliresistentem Glas bestehen, die mit textilen Verfahren zu mehraxialen Gitterstrukturen verarbeitet und, um den inneren und äußeren Verbund sicherzustellen, getränkt werden [3–5]. Derartige Textilbewehrungen können bei einer Betonersparnis von bis zu 70 % (durch dünnwandige Bauweise) die gleichen Kräfte übertragen wie konventionelle Stahlbewehrungen. Textilbewehrungen sind korrosionsunempfindlich und ermöglichen eine sehr effiziente, betonsparende und dauerhafte Armierung von Betonbauwerken bzw. ‑bauteilen in den vielfältigsten Anwendungsgebieten [6, 7].

....

Technische Entwicklung und Umsetzung

Zur Lösung der beschriebenen Problemstellung wurden Verfahren zur prozessintegrierten Profilierung der Textilbewehrung entwickelt. Hierfür wurden zwei Lösungskonzepte entwickelt, erprobt und evaluiert, die durch unterschiedliche Prinzipien (Prägen und Profilwirkfaden) gezielt Profilierungen ausbilden und die zudem in die textile Fertigung integrierbar sind.

Zur Steigerung der Warenqualität und um den Trocknungs- und Aushärteprozess gezielt hinsichtlich der erreichbaren Zugfestigkeit mit geringer Streuung steuern zu können, wurde eine Inline-Temperaturüberwachung auf Basis taktiler, mitlaufender Temperatursensoren entwickelt. Die Überwachung der Gelegefeuchtigkeit erfolgte mit der NIR-Sensorik (Near Infrared). Die Streuung der Zugfestigkeit der Textilbewehrung in der Warenausgangskontrolle konnte aufgrund der Prozessüberwachung halbiert werden. Es konnte zudem gezeigt werden, dass bestimmte Parameter des Multiaxial-Kettenwirkprozesses einen moderaten Einfluss auf die Eigenschaften der Bewehrung und deren Verbund zum Beton haben, z. B. die Stichlänge und die Bindungsart.

...

Materialcharakterisierung und Ergebnisse

Im Anschluss an die konstruktive Entwicklung und Umsetzung der Lösungskonzepte zur prozessintegrierten Herstellung eines profilierten Multiaxialgitters erfolgte sowohl die Fertigung von textilen Musterstrukturen als auch von Betonverbundprüfkörpern. Zur Charakterisierung der Musterstrukturen wurde das Auszugverhalten der profilierten Multiaxialgitter untersucht. Die für die Fertigung der Bewehrungsstrukturen gewählten Material- und Prozessparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Während der Musterfertigung wurde zudem die Oberflächentemperatur mittels eines eigens dafür entwickelten mitlaufenden kontaktbasierten Temperaturmesssystems sowie die Feuchtigkeit der Musterstrukturen mittels Nah-Infrarotsensorik überwacht und die Temperatur in der Trocknungs- und Aushärtestrecke entsprechend angepasst.

...

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21153 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.

Die vollständige Veröffentlichung steht zum Download zur Verfügung.

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

In Deutschland führt sowohl der demografische Wandel der Gesellschaft als auch Verletzungen infolge von Traumata zu einem hohen Anteil von Personen mit behandlungsbedürftigen Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems oder Verletzungen an Gefäßen und inneren Organen. Zur Behandlung von Verletzungen an inneren Organen, Gefäßen oder Nerven sind meist komplexe Eingriffe (Anastomosen) erforderlich, bei denen aufwändige Fixierungen und Nahtführungen erforderlich sind. Diese komplizierten und aufwändigen Prozeduren sind häufig mit langen Eingriffszeiten verbunden, die wiederum direkt mit erhöhten Komplikationsraten korrelieren [1‑3]. Zur Überbrückung solcher Defekte werden zunehmend tubuläre Kunststoffimplantate entwickelt, die jedoch kein Einwachsen von Gewebezellen ermöglichen und damit dem Konzept der regenerativen Medizin entgegenstehen, das die Wiederherstellung von Körpergeweben und ‑zellen anstrebt. Darüber hinaus kommt es bei der Auffüllung der Defekte häufig zu Störungen der Regeneration durch die nicht an die Biomechanik angepassten strukturmechanischen Eigenschaften. Ferner verhindern die fehlende Interkonnektivität der Porenräume der Ersatzstrukturen das Einwachsen von Zellen, das Zellwachstum, die Nährstoffversorgung und den Abtransport der Stoffwechselprodukte.

Im Rahmen des in vitro Tissue Engineerings werden neben statischen Zellkultursystemen auch dynami­sche Systeme entwickelt. Diese basieren beispielsweise auf kontinuierlichen oder pulsierenden Flüssigkeitsströmungen oder auf einer zyklischen Dehnung des eingespannten Zellträgersystems bzw. der Unterlage [4]. Eine Nachbildung der natürlichen mechanischen Wachstumsstimuli ist mit solchen Bio­reaktorsystemen jedoch nicht möglich, da sich insbesondere in größeren Strukturen eine lokal erhöhte Strömungsgeschwindigkeit entlang der größten Durchgangsporen bzw. lediglich eine Überströmung des gesamten Zellträgersystems einstellt und in mechanisch stimulierten Systemen unerwünschte Spannungsspitzen und undefinierte Verzerrungen im Bereich der Klemmen und Auflagen auftreten.

Da der native Aufbau der vier wichtigsten Gewebetypen (Binde- und Stützgewebe, Nerven-, Muskel- und Epithelgewebe) aus denen Organe, wie Knochen, Blutgefäße, Muskeln, Sehnen und Bänder, gebildet sind, aus faserartigen Konstrukten besteht, lassen sich diese mit textilen Strukturen besonders gut biomimetisch nachbilden. Mithilfe vorbedachter Faseranordnungen können dreidimensionale, kom­plexe Geometrien mit interkonnektierenden Porenräumen aufgebaut werden, an der sich Zellen in ihrer Wachstumsrichtung orientieren können [5]. Deshalb sind faserbasierte High‑Tech Strukturen zur Überwindung der Limitationen aktuell verfügbarer Implantate besonders prädestiniert.

Daher wurden im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens TexMedActor (21022 BR/1) neuartige Textilstrukturen mit materialintrinsischem Formänderungsvermögen für die regenerative Medizin mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungsfeldern, insbesondere der Anastomose, entwickelt. Das verfolgte Konzept sieht hierbei die textiltechnologische Realisierung von Strukturen mit einem Formgedächtniseffekt vor. Die Textilien sollen gezielt vorbestimmte Geometrien annehmen können, um sich an Defekte interaktiv anzupassen und um komplexe Eingriffe zum Überbrücken bzw. zum Stützen von Defekten an inneren Organen wie Gefäßen und Nerven zu vereinfachen. Ein weiterer Wirkmechanismus soll darüber hinaus die elektromechanische Stimulation mit dem Ziel der aktiven, gezielten Anregung des Zellwachstums ermöglichen. Somit soll die Regeneration beschleunigt bzw. überhaupt erst ermöglicht werden, da die erforderlichen Stimuli zur gewebe- und zellangepassten Wachstumsanregung insbesondere bei schwach bzw. nicht durchbluteten Körpergeweben, wie Knorpeln, Sehnen, Bändern, oder bei Wundheilungsstörungen oder chronischen Wunden fehlen. Es sollen weiterhin neuartige Bioreaktoren mittels intrinsischen Eigenschaften der textilen Strukturen entwickelt werden, die den Wirkmechanismus zur elektromechanischen Stimulation nutzen, um selbst in hochkomplexen und großskaligen Zellträgerstrukturen die Zellen an jeder Stelle gleichmäßig zu stimulieren. Die mechanischen Reize gehen hierbei vom Material selbst aus. Diese materialintrinsische Stimulation stellt eine neue Methode für die optimale Zellkultivierung dar, sodass die Zellen auf den textilen Zellträgerstrukturen unter Verzicht auf extern angelegte Flüssigkeitsströmungen oder mechanische Verformungen stimuliert werden können. Damit sollen zwei anerkannte medizintechnische Probleme behoben werden: 1) Komplizierte, aufwändige und mit minimalinvasiven Verfahren schwer oder nicht zu realisierende Operationen an innenliegenden Organen, Gefäßen oder Nerven sowie 2) fehlende gewebe- und zellangepassten Stimuli zur Anregung des Wachstums seitens der bisher verwendeten Ersatzstrukturen und ‑materialien sowie derzeit verfügbarer dynamischer Zellkultursysteme.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21022 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. Darüber hinaus möchten wir den Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses für ihre Unterstützung während der Projektbearbeitung danken.