Research publications

24.11.2022

Oberflächenprofilierte Carbongitter für Carbonbetonanwendungen

Knittings Composites Textile machinery Sustainability Technical Textiles

Abstract

Am ITM der TU Dresden wurden Verfahren entwickelt, die es ermöglichen, auf einer Multiaxial-Kettenwirkmaschine mit integrierter Tränkungs- und Aushärtemodul kontinuierlich oberflächenprofilierte Gitter in reproduzierbarer hoher Qualität für Carbonbetonanwendungen herzustellen. Im Lösungsansatz 1, der Profilierung durch Prägen der Verstärkungsfäden, kann der Schubfluss um mehr als 400 % gegenüber einem Glattgarn gesteigert werden. Die Skalierung und Steigerung der Produktivität dieser Technologie auf Industrieniveau wird Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten sein.

Report

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].

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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.

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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.

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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.

Authors: Zierold, Konrad; Hahn, Lars; Cherif, Chokri

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

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30.09.2022

CF/AR/thermoplastic hybrid yarns for requirement-based thermoplastic composites with outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations

Fibres Yarns Composites Textile machinery

Abstract

Within the framework of the IGF research project (21004 BR/1), material concepts based on two yarn formation technologies were realized at the ITM and CF/AR/PA6 and rCF/rAR/PA6 hybrid yarns for thermoplastic composites meeting requirements with outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations were produced.

Report

Introduction, problem definition and aim

Fiber-reinforced plastic composites are designed according to required stiffness and strength or impact and crash properties. Complex, overlapping load scenarios are only taken into account to a very limited extent. There are first practical approaches for realizing composite components, e.g. the B-pillar of an automobile [1]. In which composites (e.g., carbon fiber prepregs) are combined with metallic components (e.g. steel sheets) in order to achieve the necessary damage tolerance along with high weight-specific stiffness and strength. In such concepts, hybridization takes place at the macro (structural level) or meso (yarn level) level and requires extremely complex and cost-intensive manufacturing processes [2-4]. Furthermore, these components also have highly pronounced interlaminar interfaces, where complex stresses generate high shear stresses. As a result, premature structural failures occurs due to delamination [5-8]. In order to overcome these disadvantages and for use in future developments, a concept is developed and implemented in the project presented here. The approach provides the design of the combination of various fiber components by hybridization at the micro-level (within a yarn/fiber level), thus maximizing their property potentials. The use of recycled high-performance fibers also results in significant advantages over conventional composites in terms of sustainability, resource efficiency and cost-effectiveness.

The project aims to create a new three-component class of materials hybridized at the micro level for thermoplastic lightweight applications. By combining the reinforcing fibers such as carbon and aramid, it is possible to combine high stiffness and strength with high crash and impact properties by varying the reinforcing fiber proportions and fiber makeup in a way appropriate to the load case. Fig. 1a schematically shows the properties of state-of-the-art CF/AR hybrid composites (Fig. 1a bottom, highlighted by an ellipse) according to state of the art, from engineered yarns to be developed (top, area within the dashed lines) and the theoretical material potentials (top, colored lines), each depending on the fiber volume fractions. The systematic investigation of the influence of the material-specific fiber volume fractions for a scalable composites design was carried out in five stages (CF/AR or rCF/rAR: 50/0 %; 40/10 %; 25/25 %; 10/40 %; 0/50 %).

The development work focused on three main areas. The first focus was the further development of the process technology so that the composites based on engineered yarns exhibit high strength and stiffness due to low fiber damage, high uniformity and high fiber orientation. The second focus was the first-time implementation of the homogeneous blending of three fiber materials at the micro-level. The third focus was designing the engineered yarns so that outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations can be set explicitly for a wide range of requirements (Fig. 1a).

For the concrete realization of the desired goal, CF/AR/PA6 or rCF/rAR/PA6 hybrid yarns were developed using two material concepts (Fig. 1b) based on two yarn formation technologies (Fig. 1a) for the production of thermoplastic composites with outstanding, scalable stiffness, strength, crash and impact property combinations. The interrelationships between process parameters and material-yarn composite properties were analysed. A sound knowledge for the material-dependent design of the engineered yarns could be achieved. Furthermore, the best possible material and process parameters for specific applications was derived and a process guide was prepared for the control of the manufacturing processes for the SMEs. A detailed description of the development work can be taken from the final report.

Acknowledgement

The IGF project 21004 BR/1 of the Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e. V. is funded through the AiF within the program for supporting the „Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)“ from funds of the Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action on the basis of a decision by the German Bundestag.

Authors: Matthias Overberg, Anwar Abdkader, Chokri Cherif

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

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30.09.2022

CF/AR/Thermoplast Hybridgarne für anforderungsgerechte thermoplastische Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen

Fibres Yarns Composites Textile machinery

Abstract

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens (21004 BR/1) wurden am ITM Materialkonzepte auf Basis von zwei, in der Industrie etablierten Garnbildungstechnologien realisiert und damit CF/AR/PA 6- bzw. rCF/rAR/PA 6-Hybridgarne für anforderungsgerechte thermoplastische Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen hergestellt.

Report

Einleitung, Problemstellung und Zielsetzung

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

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

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

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

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21004 BR/1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Wir danken den genannten Institutionen für die Bereitstellung der finanziellen Mittel.

 

 

 

Authors: Matthias Overberg, Anwar Abdkader, Chokri Cherif

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

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

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29.09.2022

Servicekonzept für Scheren: Projektvorhaben InfiniCut

Textile machinery

Abstract

Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt auf der Entwicklung eines alternativen Servicekonzepts für Scheren. Die intelligente Verschleißvorraussage über Modelle und integrierte Mikrochips erlaubt in Zukunft den Verkauf von Schnittleistung anstelle von Scheren. Gleichzeitig wird die Lebensdauer der Scheren durch rechtzeitiges Schleifen erhöht.

Report

Ein zentraler Bestandteil bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserver-bundkunststoffen (FVK) stellt der Zuschnitt von textilen Halbzeugen aus teuren Hightech-Materialen wie Kohlenstoff-, Aramid-, und Glasfasern dar. Der manuelle Zuschnitt mit handgeführten Schneidwerkzeugen erfolgt sowohl bei kleinen Unternehmen als auch bei Konzernen wie zum Beispiel beim Zuschnitt von Textilien für Rotorblätter von Windkrafträdern.

Die hochabrasiven Verstärkungsfasern verursachen in Abhängigkeit der individuellen Textil- und Fasereigenschaften einen hohen Verschleiß der Werkzeuge. Dadurch steigt die Schnittkraft über die Einsatzzeit kontinuierlich an, während die Schnittqualität abnimmt. Die Erfassung des Verschleißes erfolgt aktuell primär durch das subjektive Gefühl des Bedieners, wie groß die Schnittkraft ist, die aufgebracht werden muss. In der Praxis werden die Werkzeuge folglich über ihren Verschleißpunkt hinaus betrieben. Bei einer rechtzeitigen Wartung müssen die Scheren wesentlich weniger intensiv nachbearbeitet werden, was zu erheblich längeren Lebenszeiten und auch zur Kostenreduktion beiträgt.

Ziel des laufenden Projekts InfiniCut ist die Ermöglichung von modernen Servicekonzepten, die dem Anwender kurz vor einem kritischen Verschleiß automatisch ein überholtes Werkzeug schickt. Dies ist aktuell nicht möglich, da der vorliegende Verschleiß über geeignete Größen, wie die Schnittkraft, kontinuierlich gemessen werden müsste.

Das Projekt InfiniCut erforscht eine andere, geeignetere Möglichkeit, die auf der modellbasierten Vorhersage des Verschleißes basiert. Hierfür werden für verschiedene Scheren und Materialkombinationen die Kraft-Weg Diagramme während der Schneidevorgänge über die Lebenszeit aufgezeichnet. Gleichzeitig wird optisch die Schnittqualität und der Schneidenverschleiß überwacht, bis diese an eine vom Hersteller definierte Grenze stoßen. Über die Erfassung der Anzahl durchgeführter Schnitte und der durchschnittlichen Schnittlänge kann der Verschleiß in Abhängigkeit des bearbeiteten Materials vorhergesagt und der optimale Wartungszeitpunkt eingehalten werden. Zur Umsetzung wird im laufenden Projekt von der Firma Miltronik Steuer- und Leistungselektronik GmbH & Co. KG ein schnittzählender Mikrochip entwickelt, der von der Firmal Robuso-Stahlwarenfabrik Buntenbach & Sohn GmbH in die Schere integriert wird. Die Modellentwicklung liegt beim Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University.

Das Forschungsvorhaben InfiniCut (KK5055917) wird am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), der Firma Miltronik Steuer- und Leistungselektronik GmbH & Co. KG. und der Firma Robuso-Stahlwarenfabrik Buntenbach & Sohn GmbH durchgeführt. Es wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) e. V. gefördert.

Authors: Santino Wist

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

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29.09.2022

Projekt CoopLaserJoining

Composites Textile machinery Recycling

Abstract

Der Fokus des Forschungsvorhabens liegt auf der Verbesserung der Multimaterialverbindungen von recyceltem Carbon mit Aluminium und der Entwicklung eines intelligenten Strahlschalters zur Betreibung von parallelgeschalteten Laserprozessen mit einer Laserquelle.

Report

Mit der Weiterentwicklung der Elektromobilität wird der Bedarf der Automobilindustrie an Leichtbaukomponenten immer deutlicher. Die Leichtbauteile werden benötigt, um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und damit die Reichweite zu erhöhen. Gleichzeitig steigt mit der jährlichen Wachstumsrate von 11% bei carbonfaserverstärkten (CFK) Verbundwerkstoffen die Sorge um die Entsorgung bzw. Wiederverwendung von Carbonfasermaterialien speziell aus der Automobilindustrie. Denn nach EU-Regelung müssen 85 Prozent des im Automobil verbauten Materials wiederverwendet werden und 95 Prozent recyclingfähig sein. Im Multimaterialbau stehen die Fügestellen im Fokus. Fügestellen sind kritische Bereiche für die mechanischen Eigenschaften des Konstrukts, behindern aber gleichermaßen die Materialtrennung am Lebensende und erschweren damit das Recycling.

Ziel des Vorhabens von CoopLaserJoining ist die Entwicklung modernster Laserbearbeitungs- und Fügetechnologien für rezyklierbare Carbonfaserverbundwerkstoffe für den Einsatz in Automobilkarosserieteilen. Zur Erhöhung der Produktivität der Laserbearbeitungsprozesse wird ein intelligenter Strahlschalter entwickelt, welcher die vorhandene Laserleistung auf zwei oder mehr Bearbeitungsköpfe aufteilt. So kann die Zykluszeit für die Lasermaterialbearbeitung in beiden Fügeprozessen mindestens halbiert werden und erhöht so Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit der Laserprozesse.
Hierbei konzentriert sich das Projektkonsortium auf die Einbringung von Krafteinleitungselementen mittels Ultrakurzpuls (UKP)-Laserbohren in Preforms zur Erhöhung der Haftfestigkeit und Verkürzung der Prozesskette. Außerdem erlauben lösbare Verbindungen eine Verbesserte Trennbarkeit der Materialien und schaffen somit die Voraussetzung zum einfachen Recycling der Materialien.

Das Vorhaben wird am Beispiel der Automobilindustrie für die kostenorientierte Massenproduktion durchgeführt. Ein Aluminium-Leichtbaurahmen wird mit verschiedenen CFK-Komponenten verstärkt. Die Dauerfestigkeit und Belastbarkeit der Bauteile wird im Wesentlichen durch die Fertigungstechnologie sowie die Technik des Verbindens der CFK-Bauteile mit dem Aluminium-rahmen bestimmt. Die Festigkeit der resultierenden Verbindungen wird durch Belastung bis zum Versagen bewertet. So ist es möglich, für unter-schiedliche Funktionsteile eine optimierte Fertigungs- und Fügetechnik zu identifizieren und den Fügeprozess an die spezifischen Anforderungen anzupassen.

Projektbeteiligte
Fraunhofer Institut für Lasertechnik, Amphos GmbH, Seoul National University of Science and Technology, Sungwoo Hitech CO., LTD.

Das Forschungsvorhaben CoopLaserJoining (01DR21026B) wird am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), dem Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) und der Firma Amphos GmbH durchgeführt. Es wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Fördermaßnahme IB-Asien gefördert.

Authors: Santino Wist

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

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29.09.2022

TapeCheckSim: Aktive Fehlervermeidung durch kontinuierliche, zerstörungsfreie Qualitätsanalyse von UD-Tapes für Tape-Legeprozesse

Fibres Composites Textile machinery

Abstract

(Faserverbundwerkstoffe): Das Projekt adressiert die Fehleranfälligkeit von Tape-Legeprozessen. Produktionsstillstand und Produktausschuss werden aktiv vermieden. Dies fördert die Attraktivität automatisierter und verschnittarmer Herstellungsprozesse von FVK.

Report

Defizite aktueller Qualitätssicherungssysteme für Tape-Legeprozesse
In den letzten Jahren wurden Online-Qualitätssicherungssysteme für Automated Tape Laying (ATL) bzw. Automated Fiber Placement (AFP) Prozesse im Rahmen akademischer und industrieller Forschungsprojekten entwickelt, um die Produktivität dieser Prozesse zu steigern. Diese Systeme erfassen während der automatischen Faserablage entstandene Fehler, wie beispielsweise Gassen, Überlappungen und Falten. Allerdings können Fehler erst erkannt werden, wenn diese bereits abgelegt wurden. Eine aktive Fehlervermeidung ist mit diesen Ansätzen nicht möglich.

Auf Basis der Online-Daten dieser Qualitätsüberwachungsystemen wurden „In-situ“-Simulationsansätze entwickelt, die die "as-built"-Eigenschaften eines abgelegten Bauteils simulieren. Damit wird eine Entscheidung ermöglicht, ob ein entstandener Fehler im abgelegten Laminat verbleiben kann oder entfernt werden sollte. Da die Daten während des Ablegeprozesses erfasst werden, stehen jedoch nur sehr kurze Simulationszeiten zur Verfügung, wodruch eine genaue Vorhersage der Bauteileigenschaften erschwert wird. Ein weitere Nachteil dieser Systeme ist, dass sie zwar Defekte im Laminat bzw. Preform, aber nur in sehr begrenztem Umfang Defekte im Eingangsmaterial (z. B. Abweichung des Faservolumenanteils, geometrische Toleranzen) erkennen können. Dies ist insbesondere für thermoplastische Prepreg-Tapes entscheidend. Diese weisen deutlich häufiger Materialfehler auf als etablierte und ausgereifte Epoxid-basierte Prepreg-Tapes. Im Gegensatz zu Epoxid-Prepreg-Tapes werden materialbedingte Defekte (z. B. Porosität) zudem bei der laser-basierten In-situ-Konsolidierung von thermoplastischen Tapes durch den Entfall einer nachgeschalteten Autoklavkonsolidierung nicht mehr kompensiert. Daher ist die Materialqualität von thermoplastischen Prepreg-Tapes von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Prozesstabilität und Laminatqualität zu erreichen.

Aktive Fehlervermeidung durch kontinuierliche, zerstörungsfreie Qualitätsanalyse von UD-Tapes
Ziel des TapeCheckSim-Projektes ist es, das Auftreten von materialbedingten Fehlern bei der automatisierten Faserablage von thermoplastischen Prepreg- und Trockenfaser-Tapes zu vermeiden. Dies wird durch eine vorgelagerte Qualitätsanalyse des Materials realisiert. Zu diesem Zweck entwickeln die SURAGUS GmbH (Dresden, Deutschland) und die Textechno H. Stein GmbH & Co. KG (Mönchengladbach) geeignete Sensorsysteme, die durch eine kontinuierlichen, zerstörungsfreien Prüfung eine 100 % Inspektion des Tape-Materials ermöglichen. Materialfehler werden dabei auf der Tape-Spule erkannt und lokalisiert. Diese Informationen bilden den „digitalen Zwilling“ einer jeden Tape-Spule. Die Zusammenhänge zwischen der Tape-Qualität und den daraus resultierenden mechanischen Verbundeigenschaften werden am Insitut für Texiltechnik Aachen (ITA) untersucht.

Die Bahnplanungssoftware des Tape-Legesystems liefert Informationen über die Ablegeposition eines Materialabschnittes im Bauteil. In der „pre-build“ Bauteilsimulation, die am ITA entwickelt wird, werden die Ablegepositionen und die Materialeigenschaften eines Tape-Abschnittes zu einem digitalen Zwilling des fehler-behafteten Bauteils verknüpft. Das Simulationsmodell ermöglicht damit eine Prognose, ob der induzierte Fehler im Bauteil zu einem kritischen Bauteilverhalten führen würde bevor der Tape-Legeprozess überhaupt gestartet wurde. In einem kritischen Fall wird der entsprechende Tape-Abschnitt durch das Tape-Legesystem ausgeschnitten und somit nicht abgelegt. Die neue Prozesskette wird auf den Anlagen der AFPT GmbH (Dörth, Deutschland) implementiert. Die Implementierung der notwendigen Infrastruktur für den Datenaustausch zwischen den einzelnen Teilsystemen und die Datenverarbeitung wird von der nebumind GmbH (Taufkirchen) durchgeführt.

Durch den Entfall von hohen Nebenzeiten für die Prüfung und Fehlerkorrektur, trägt die aktive Fehlervermeidung zu einer Produktivitätssteigerung von Tape-Legeprozessen bei. Durch die Vermeidung von hohen Sicherheitsaufschlägen kann der Materialeinsatz weiter optimiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Tape-Qualität und mechanischen Bauteileigenschaften vereinfachen die Materialauswahl und erhöhen die Zugänglichkeit der Tape-Legetechnologie für den Anwender.

Danksagung
Das Forschungsvorhaben wird im Rahmen des Technologietransfer-Programms Leichtbau (TTP LB) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) (Förderkennzeichen: 03LB5001E) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Authors: Philipp Quenzel, M.Sc.

ITA Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Deutschland

Qualitätsanalyse

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27.09.2022

Melt spinning of guitar strings made of Nylon 6 and measurement of their material properties

Fibres Textile machinery

Abstract

Monofilaments made of the polymer polyamide 6 (PA6) are produced using a laboratory sized melt tester and a drawing machine in a subsequent process. The influence of the production parameters spinneret hole diameter, draw down ratio and drawing temperature are investigated using a factorial design plan. To evaluate the melt spinning process, the spun filaments are compared to commercial nylon guitar strings.

Report

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.

Authors: Ortega, Jeanette Karen; Zhao, Jasmin; Storm, Annegret; Schüll, Elena; Gries, Thomas

ITA Institut für Textiltechnik of RWTH Aachen University, Otto-Blumenthal-Strasse 1, 52074 Aachen, Germany

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