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Abstract
Ressourcenschonend Bauen und dennoch ein hohes Leistungspotential ausschöpfen, ist das überhaupt möglich? Am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden wurden im Rahmen des Forschungsprojektes IGF 21375 BR verbundgerecht profilierte Textilbetonbewehrungen sowie die dazugehörigen Fertigungstechnologien entwickelt, die genau dies ermöglichen. Auf Basis der Flecht- und Tränkumformtechnik wurden neuartig profilierte Bewehrungsgarne simulationsgestützt entwickelt, die analog zu gerippten Stahlbewehrungen einen sehr hohen Verbund mit der Betonmatrix aufweisen und das hohe Leistungspotential der Carbonfasern hinsichtlich der zugmechanischen Eigenschaften ausnutzen. Damit kann die notwendige Verbundlänge für eine vollständige Kraftübertragung zwischen Textilbewehrung und Beton auf wenige Zentimeter reduziert, und somit bis zu 80 % der bauteilabhängigen Überdimensionierung der Textilbewehrung eingespart werden. Die Weiterentwicklung der Multiaxial-Kettenwirktechnik zur anforderungsgerechten und faserschonenden Verarbeitung der profilierten, konsolidierten Garne zu gitterförmigen Bewehrungsstrukturen ermöglicht die Fertigung von profilierten Textilbetonbewehrungen mit höchsten Verbundeigenschaften für den Einsatz in Carbonbeton-Bauteilen mit maximaler Material- und Ressourceneffizienz.

Ausgangssituation und Problemstellung
Bekannterweise ist der Klimawandel die größte Herausforderung des 21. Jahrhunderts, welcher nur durch eine konsequente Einsparung von Ressourcen und CO2-Emmision erfolgreich bewältigt werden kann. Da die Baubranche mit einem Anteil von ca. 38 % der weltweiten CO2-Emission, insbesondere aufgrund des enormen Zementverbrauchs, einen erheblichen Beitrag zur bisherigen Klimaerwärmung hat [1], ist ein Wandel zu mehr Energie- und Ressourceneffizienz sowie einem wachsenden Nachhaltigkeitsbewusstsein zwingend erforderlich. Im Zuge dessen etabliert sich insbesondere der ressourceneffiziente Carbonbeton, bestehend aus einer korrosionsbeständigen Textilbewehrung in Kombination mit einer deutlich reduzierten Betondeckung, im Bauwesen als überzeugende Alternative zum konventionellen Stahlbeton zunehmend [2,3].  

Aufgrund der hohen Tragfähigkeiten der textilen Bewehrung bei kleineren notwendigen Betonquerschnitten kommt jedoch dem Verbund zwischen Textil und Beton eine außerordentlich große Bedeutung zu. Bisher lag der Fokus der F&E auf der Entwicklung von Tränkungsmitteln und zugehöriger Tränkungssysteme zur Verbesserung des stoffschlüssigen Haftverbundes mit der Betonmatrix [4]. Damit lassen sich jedoch nur geringe Kräfte mit einem Schubfluss von etwa 5-40 N/mm übertragen, eine effiziente Ausnutzung der textilen Bewehrung ist nicht möglich. Signifikante Verbesserungen zur Übertragung der Verbundkräfte versprechen Lösungen mit einer Profilierung der Garnoberfläche [5]. Daher wurden im Rahmen des IGF-Forschungsprojektes 21375 am ITM der TU Dresden neuartige Technologie zur kontinuierlichen und reproduzierbaren Herstellung profilierter textiler Hochleistungsgarne und deren Weiterverarbeitung zu Bewehrungsstrukturen entwickelt. Diese neuartigen, profilierten Bewehrungen zeichnen sich dadurch aus, dass diese im Betonverbund deutlich höhere Kräfte übertragen können [6,7]. Zur Generierung einer Profilierung auf Garnebene wurden Lösungen auf Basis der Flechttechnik und mittels tränkumformtechnischer Verfahren simulationsgestützt entwickelt und umgesetzt. Die Prämissen waren eine unnachgiebige Profilgebung mit garnaxial symmetrischem Aufbau, damit eine gleichmäßige und hohe Lastübertragung gewährleistet ist. Die Herstellung gitterartiger Bewehrungsstrukturen, bestehend aus den profilierten Bewehrungsgarnen, erfolgte durch die Weiterentwicklung der Multiaxial-Kettenwirktechnik. Diese wurde entsprechend der notwendigen Anpassungsmaßnahmen zur schädigungsarmen und anforderungsgerechten Weiterverarbeitung der profilierten Bewehrungsgarne zu Gitterstrukturen hinsichtlich der bestehenden Teilprozesse (Garnzuführung, Schusslegung, Maschenbildung, Tränkung und Aufwicklung) modular weiterentwickelt.

Entwicklung der neuartig profilierten Bewehrungsgarne
Für die anforderungsgerechte Entwicklung von profilierten Bewehrungsgarnen für Betonanwendungen erfolgte eine simulationsgestützte Garnentwicklung auf Basis der Flecht- und Tränkumformtechnik. Die wesentliche Herausforderung bestand insbesondere darin, profilierte Garne mit minimaler Strukturdehnung zu realisieren, sodass beim Versagen der Betonmatrix bei ca. 0,2 % Dehnung eine initiale Kraftübertragung der Textilbewehrung ermöglicht wird und die Rissbreiten minimiert werden [3]. Hierzu wurde eine neuartige Flechtstruktur mit einem Varioflechter entwickelt. Darüber hinaus wurde der Flechtprozess derart weiterentwickelt, dass eine ondulationsarme Vorstabilisierung der Flechtgarnstruktur während des Flechtprozesses ermöglicht wird und dennoch eine textile Weiterverarbeitbarkeit gewährleistet ist. Im Ergebnis wurden neuartige Varioflechtgarne sowie konventionelle Packungsflechtgarne bestehend aus Carbonfasern mit nahezu eliminierter Strukturdehnung, minimaler Faserschädigung und anforderungsgerechter Vorstabilisierung der Garnstruktur realisiert (siehe Tabelle 1).

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Leistungspotential der neuartigen profilierten Bewehrungsgarne
Die neuentwickelten profilierten Bewehrungsgarne zeichnen sich durch nahezu unveränderte zugmechanische Eigenschaften, jedoch bis zu 500 % höhere Verbundeigenschaften im Vergleich zu Carbonrovings ohne Profilierung bzw. aus Referenztextilien extrahierten Rovings aus (siehe Abbildung 1). Zudem weisen sie keine erkenntliche Strukturdehnung auf, sodass eine initiale Kraftübertragung ohne zusätzliche Rissöffnung nach dem Versagen der Betonmatrix möglich ist. Jedoch konnte eine Verbundsteigerung um über 500 % von ca. 20 N/mm der Carbonrovings ohne Profil auf über 100 N/mm der profilierten Bewehrungsgarne erzielt werden, womit eine signifikante Steigerung der Materialeffizienz einhergeht (siehe Abbildung 1). Hierbei zeichnen sich insbesondere die Varioflechtgarne durch sehr hohe Verbundsteifigkeiten aus, die für eine initiale Kraftübertragung von besonderem Interesse sind. Die Packungsflechtgarne sowie die Profilgarne mit Tetraeder-Geometrie haben annähernd gleiche Verbundeigenschaften. Die Verbundsteifigkeit ist im Vergleich zu den Varioflechtgarnen etwas geringer, jedoch ist deren Fertigung produktiver.

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Weiterentwicklung des Flächenbildungsprozesses
Zur Verarbeitung der neuartig profilierten Bewehrungsgarne zu einer gitterförmigen Bewehrungsstruktur wurde eine am ITM vorhandene Biaxial-Kettenwirkmaschine des Typs Malimo 14022 sowie die entsprechenden Teilprozesse (Garnzuführung, Schusslegung, Maschenbildung, Tränkung und Aufwicklung) angepasst und weiterentwickelt, sodass einerseits die vorstabilisierten Flechtgarne sowie die konsolidierten tetraederförmigen Profilgarne weiterverarbeitbar sind. Hierzu wurde insbesondere der Schusslegungsprozess dahingegen modifiziert, dass ein neuartiger Schussfadenführer für die Schusslegung der vorstabilisierten Flechtgarne entwickelt wurde. Die biegesteifen Profilgarne können nicht mit dem konventionellen Schusslegungsverfahren verarbeitet werden, sodass ein neuartiges Stabablagesystem bestehend aus eine Schussstab-Magazin-Speicher und einer Welle mit Profilwalzen entwickelt wurde (siehe Abbildung 2). Die vorkonfektionierten Schussstäbe wurden über das Stabablagesystem vereinzelt in eine mit neuen Halteelemente modifizierte Transportkette eingelegt.

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Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21375 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.

Der Markt für nachhaltige Faserverbundlösungen ist besonders interessant für kleine und mittelständische Firmen, weil die Sensibilität für das ökologische Bewusstsein und der Wunsch nach nachhaltigen und zugleich hochwertigen Lösungen in Europa und insbesondere in Deutschland im internationalen Vergleich stark ausgeprägt ist. Gleichzeitig sind Naturfaserkunststoffe derzeit noch ein Nischenmarkt und der sich von Produkten abhebt, die ausschließlich über den günstigsten Preis verkauft werden. Folglich unterliegt dieser Markt weniger der Konkurrenz- und dem Preiswettbewerb aus Niedriglohnländern, beziehungsweise Großunternehmen, die über entsprechend große Stückzahlen, Skaleneffekte realisieren.

Ziel des Projekts ist die Nutzbarmachung von naturfaserverstärktem Kunst-stoff (NFK) mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften für Strukturbauteile am Beispiel eines Federbeins für ein Ultraleichtflugzeug. Hierdurch soll eine ökologische Alternative zu konventionellem Leichtbaumaterial, wie Aluminium und Verbundwerkstoffen auf Basis von Glas- und Carbonfasern, bereitgestellt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, gliedert sich das Projekt in die Teilschritte: Computergestützte Auslegung des Strukturbauteils mittels FEA-Methoden, lastfalloptimierte Fertigung des Bauteils und Validierung im Feldtest. Dies erfolgt exemplarisch anhand eines Federbeins für ein Leichtbauflugzeug der Firma Viethen.

Der im Projekt gewählter Ansatz hat ein Ziel, eine kosten- und zeiteffiziente Methode für die Entwicklung von hochbeanspruchten Leichtbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit Verstärkung aus nachwachsenden Rohstoffen zu zeigen. Der Ansatz soll die Anreize für weitere Wirtschaftszweige geben, nachwachsende Rohstoffe durch abschätzbare Eigenschaften und Kostenstruktur in deren Produkten öfters zu verwenden. Darüber hinaus kann diese Projektmethode für bereits vorhandene Werkstoffkombinationen mit Verstärkung aus Glas- sowie Kohlenstofffasern angewendet werden und zu Effizienzsteigerung und Ressourcenschonung beitragen.

Projektpartner
CompDesE, Firma Viethen

Das Forschungsvorhaben NFK-Federbein (UW-01-054B) wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), der Firma Viethen und der Firma CompDesE GmbH durchgeführt. Es wurde von der Landesregierung Nordrhein-Westfalen im Sonderprogramm Umweltwirtschaft im Rahmen der Corona-Hilfe gefördert.

Systeme mit künstlicher Intelligenz (KI) werden in der Robotik mittlerweile vermehrt eingesetzt und dort beispielsweise für Bewegungs- und Handhabungsaufgaben verwendet, die mit reinen regelungstechnischen Systemen nicht mit ausreichender Genauigkeit ausgeführt werden können. Die Vorteile einer Ansteuerung von Industrierobotern durch KI-Systeme liegen beispielsweise in einer höheren Wiederholgenauigkeit und in der automatischen Anpassung an veränderte Umgebungsparameter, die nicht im Regelmodell berücksichtigt sind. Für kontinuierliche Produktionsprozesse hingegen hat der Einzug von KI-Systemen für die Optimierung der Produktionsparameter bislang nicht stattgefunden.

Einen kontinuierlichen Produktionsprozess mit hoher Anzahl an Einflussfaktoren, die zu einer hohen Komplexität des Gesamtsystems führen, stellt z.B. der Prozess zur Spreizung von Hochmodulfasergarnen für die Tape-Herstellung im Faserverbundsektor dar. Aufgrund derzeitiger Limitierungen innerhalb des Spreizprozesses treten bei gespreizten Hochmodulfasergarnen insbesondere Inhomogenitäten (bspw. Breiten- und Dickenverteilung) und Faserfehlorientierungen auf. Die vorhandenen Inhomogenitäten erschweren die Verarbeitbarkeit in den nachfolgenden Verarbeitungsprozessen.

Ziel des IGF-Projektes „intelli.line“ ist es, künstliche Intelligenz (KI) zur Regulierung der Produktionsparameter im Spreizprozess einzusetzen. Hierfür wird ein gängiges für das Faserspreizen angewendetes Verfahren – das Spreizen mittels Spreizstangen – gezielt weiterentwickelt. Durch die Integration zusätzlicher Sensorik für die Erfassung von Einflussfaktoren (bspw. Kameras, Temperatur-, Luftfeuchtigkeit-, Vibration-, Kraft-Sensor) wird innerhalb von umfangreichen Testläufen eine Datenbasis erzeugt, auf deren Grundlage ein selbstlernendes KI-System antrainiert wird (Reinforcement Learning). Dieses intelligente System wird als übergeordnete Kaskade in den bestehenden Regelkreis integriert und versetzt diesen in die Lage, sich auf wechselnde Materialien als auch verschiedener Chargen eines Materials zu adaptieren. Über einen rein adaptiven Regler hinaus kann das selbstlernende System dabei die Produktionsparameter an bisher (für das System) unbekannte Materialien anpassen. Auf diese Weise können die Zeiten für die Anlageninbetriebnahme und für den Materialwechsel reduziert werden. Zudem wird durch eine kontinuierliche Optimierung die Produktionsqualität erhöht und der Produktionsausschuss reduziert, was zu einer Senkung der Produktionskosten führt. Die gewonnenen Erkenntnisse können im Anschluss an das Projekt auf weitere Anwendungsbereiche übertragen werden.

Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF-Nr. 22237 N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e.V. aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Introduction
Synthetic fibers have become increasingly important in recent years. One reason for this is that they are versatile and can fulfill different requirements and functionalities. Among other things, their functionality spectrum is influenced by the manufacturing process, for example melt spinning. One everyday application example for synthetic fibers is guitar strings.

Classical guitar strings are monofilaments made of nylon, which is the trade name of polyamide. They are usually designed to be used with guitars which have a scale length of 0.65 m. Of the six typical guitar string, the first and highest string is the high E string. It is usually tuned to a pitch of 330 Hz and has a diameter around 0.7 mm. Many acoustical properties of guitar strings can be linked to mechanical properties of the string, which are measured in this work.

The aim of this paper is to evaluate the melt spinning process of monofilaments of polyamide 6 and to compare them to commercial monofilaments. Therefore, the influence of different production parameters on the quality of monofilaments will be investigated. The considered production parameters are spinneret hole diameter, drawing temperature and draw down ratio (Ddr). Different kinds of mechanical and thermal properties, for example tensile strength, relaxation behavior, degree of crystallinity and melt temperature, are measured and compared for different filament types.