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Einleitung

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

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

Zielsetzung und Lösungsweg

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

Ergebnisse

Entwicklung der gestrickten Drucksensoren

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

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

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

Herstellung der Sensoren

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

Validierung der Sensoren

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

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

Näherungssensor

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

Demonstrator

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

Zusammenfassung und Ausblick

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

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

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

Danksagung

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

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

Literatur

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

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

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

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

Einleitung und Problemstellung

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

Zielsetzung

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

Projektdurchführung und Ergebnisse

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

breit modifizierbar ist.

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

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

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

Zusammenfassung

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

Danksagung

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

Autor: Sven Hellmann

Kontakt: sven.hellmann@tu-dresden.de

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

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

Einleitung und Problemstellung

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

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

Zielsetzung

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

Ergebnisse

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zusammenfassung

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

Danksagung

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