Faserverbundtechnik Grundlagen & Anwendungen

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf Faserverbundtechnik Grundlagen & Anwendungen Industrial UV Forum, Nürtingen 4. Dezember 2014

2 Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) Europas grösste Textilforschungseinrichtung Institut für Textil- und Verfahrenstechnik 2 Institut für Textilchemie und Chemiefasern 3 Zentrum für Management Research 4 ITV Denkendorf Produktservice GmbH 2

3 Umwelt und Energie Heute Energieautarke Gebäude mit flexiblen Solarzellen und Thermalkollektoren (ca. 70% Effizienz) Source: Rivers & Tides Ausblick Bionische lufthaltende Textilien 10% Energieeinsparung Zukunft Textile Membranen für Brennstoffzellen 3

4 Gesundheit und Medizin Heute Medizinische Implantate Conductable fibers absorbable tube Ausblick Nervenregeneration Zukunft Biohybride Herzklappe 4

5 Kommunikation und Information Heute Ins T-Shirt integrierte Sensoren überwachen die Lebensfunktionen des Feuerwehrmanns Hubert H. Humphrey Metrodome in Minneapolis Source: geocaching Source: geocaching Ausblick Überwachung von Bauwerken durch integrierte Sensoren Source: Wikipedia Zukunft Selbstadaptive Bauwerke reagieren auf Veränderungen der Umweltbedingungen 5

6 Umwelt und Energie Heute Nebelfängertextilien in der Wüste Source hochistgut.blogspot.com Source: Langendorf Source: bio-pro.de Ausblick Verbesserte Kläranlagentechnik durch textile Werkstoffe als Träger für die Mikroorganismen Zukunft Energiearme, bionische Wasser-Transportsysteme Larcher, W.: Ökophysiologie der Pflanzen. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart,

7 Emotionalität und Funktionalität Source: R. Koorts Heute Flectofin, eine bionische gelenklose Verschattung Source: Facade of the thematic pavillion EXPO 2012 in Yeosu, KR Pressure 0.34 bar Ausblick Energie- und Gewichtseinsparungen durch textile Aktuatoren Hannover Exhibition 2013 / ITV / GST Source: Zukunft Gecko-Fuss inspirierte selbstklebende Textilien / Fixier- und Haltesysteme Source: Prof. Dr. Stanislav N. Gorb, University of Kiel 7

8 Faserverbund- und Textiltechnik Textiltechnik

9 Zunehmende Nutzung von Textilien in der Faserverbundtechnik A 380 [Airbus] BMW Project i3 [Quelle: motor-talk] Prepreg-Tape- Legen [Premium Aerotec] BMW Seitenwand Multiaxialgelege Hochdruck-RTM Vorteile Prepreg bessere in-plane Kennwerte geringere Kennwertstreuung Berechenbarkeit Autoklav Out-of autoklav [Premium Aerotec] Vorteile Textilien besseres Crashverhalten Schnellere, kostengünstigere Produktion, Serienfähigkeit [Quelle Dieffenbacher/ Krauss Maffei] 9

10 Aufbau der Faserverbundwerkstoffe Nutzung der Synergieeffekte bei der Kombination völlig verschiedenartiger Werkstoffe Hochleistungs-Verstärkungsfasern : Glas-, Carbon-, Aramid-, Naturfasern oder daraus hergestellte Textilien: Gewebe, Gestricke, Geflechte, Vliese, Gelege Bettungsmasse, Klebstoff Matrix : Duroplast: Polyester-Epoxidharze Thermoplast: PP, PA, PI, PEI,PEEK Metall: Al, Mg + unidirektional Bi/multidirektional + Pressen 10/28

11 Aufbau der Faserverbundwerkstoffe Durch anwendungsorientierte Wahl von......fasertyp (z.b. Glas-, Aramid-, Kohlenstoff, oder Naturfasern),...Matrixsystem...Duroplastische Harzmatrix: UPE, VE, Phenol, Epoxid, Polyimid;...Thermoplastische Matrix: Polypropylen Polyamid, PU, PEEK)...Flächengebildes (z.b. Gewebe, UD-Gelege, Gelegekomplexe oder Vliese)...Faserwinkels (unidirektional, bidirektional, multidirektional) wird ein maßgeschneiderter Werkstoff hergestellt hochfeste+hochsteife Fasern für die Kraftübertragung Formgebende Kunststoff-,Metall-, oder Keramik-Matrix für die Krafteinleitung in die Fasern Je mehr Fasern im Bauteil, umso höher sind die erzielbaren Festigkeiten und Steifigkeiten. Der Fasergehalt ist definiert mit dem Faservolumenanteil ϕ F

12 Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht Hohe Steifigkeit garantiert Beibehaltung des optimalen Flügelprofils, keine Durchbiegung, keine Verwindung keine Schwingungen maximaler Auftrieb Eurocopter Tiger: 50 Gewichts% FVW: Nutzlast (Scandic) (Glaser Dirks) 1.12

13 Hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht Glasfaser- Aramidfaser- Kohlenstoffaser- Edelverstärkter verstärkter verstärkter Stahl Kunststoff Kunststoff Kunststoff Dichte 2,60 g/cm³ 1,38 g/cm³ 1,52 g/cm³ 7,8 g/cm³ Zugmodul 45 kn/mm² 76 kn/mm² 132 kn/mm² 210 kn/mm² (querschn.bez) (=MPa) Zugmodul = 19N/tex = 55N/tex = 92N/tex = 30N/tex (gewichtsbez.) Roboterarm (Bilsing) + Hohe Steifigkeit bei niedrigem Gewicht: + besseres Beschleunigungsverhalten + bessere Wiederholgenauigkeit + Reduzierung der Massenträgheit um 50 % 1.13

14 Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht Hochgeschwindigkeitszentrifuge *hohe Drehzahlen (z.b. Uranisotopentrennung) *besseres Beschleunigungsverhalten, da Reduzierung der Massenträgheit um 50 % Glasfaser- Aramidfaser- Kohlenstoffaser- Edelverstärkter verstärkter verstärkter Stahl Kunststoff Kunststoff Kunststoff Dichte 2,60 g/cm³ 1,38 g/cm³ 1,52 g/cm³ 7,8 g/cm³ Zugfest N/mm² 1380 N/mm² 1500 N/mm² 2800N/mm² (querschn.bez) (=MPa) Zugfest. = 0,53 N/tex = 1 N/tex = 0,98 N/tex = 0,3 N/tex (gewichtsbez.)

15 Gewichts- und Kostenreduzierung durch weiterentwickelte textile Prozesse Gewichtsreduzierung durch textiles Preforming bzw. lastangepasste Verlegung der Faser im textilen Prozess, Integration von Versteifungen, Verstärkung von Kraftflusseinleitungspunkte Sticktechnik Taylored Fibre Placement [Quelle IPF Dresden] [Quelle IFB Stuttgart] Partielle Verstärkung [Dornier] integrale Webtechniken Grundgewebe Multiaxialtechnik

16 Weitere Potentiale der Textilien: Funktionsintegration Forschungscampus Universität Stuttgart ARENA2036: Leichtbau durch Funktionsintegration Integration von smarten Funktionen nicht nur ins Bauteil sondern direkt ins Textil - System-Monitoring, Zustandsüberwachung - Passive/aktive Vibrationsdämpfung, Formadaption & Lärmreduzierung (Piezos) - Beleuchtung, Kommunikation - Energy harvesting: Wärme, Photovoltaic, Piezofasern, Thermoelektr.Generatoren Integration der smarten Funktionen in die Faser - Neue Faserentwicklungen z.b. Bi-Komponenten-Fasern Harzsysteme mit Zusatzfunktionen - Sensorfunktionen, elektrische Leitung über CNT s, elektr. Anschluss übers Textil Lernen von den natürlichen Vorbildern mit optimierter Topologie z.b. Prof. Mattheck, KIT: Soft Kill Option ( komplexe Fachwerkkonstruktionen ) 16

17 System Monitoring als Schlüssel zur Gewichtsreduktion ITKE Friedberg Brücke mit pultrudierten Profilen Ziel: Entwicklung neuer / kosten-günstiger ( textiler) Monitoring-Technologien, Sensoren direkt in das Textil integriert [Quelle ITKE Stuttgart] System-Monitoring mit Glasfasern und Dehnmessstreifen [Groz-Beckert] [Quelle ITKE Stuttgart] Projekt Sensor- Pultrusion (Röchling, Saertex, BAM, Fiberware ITKE, ITV) [Quelle BAM] 17

18 Pultrusionsverfahren (Duroplast) Pultrusionsverfahren zur Kostengünstige Herstellung längsgestreckter Profilen Faserverbundbauteile von der Faser bis zum fertigen Bauteil auf nur einer Anlage: günstiges Verfahren Duro-/Thermoplastmatrices, großserientauglich Textile Strukturen: - Wirrvlies-Matten, - Multiaxialgelege, - Gewebe, Geflechte Verstärkungsfasern: - Glas - Carbon Matrix vernetzt [Krempe] Harzmatrix-Tränkbad: - Polyester, - Vinylester, - Epoxy usw. 18

19 Thermoplastische FVK: DLFT oder Spritzguss mit Endlosfaser- oder Textileinlegern Spritzgießen Hohe Produktivität und Wirtschaftlichkeit I.A. keine Nacharbeit der Teile notwenig eher geringere mech. Eigenschaften [Krauss-Maffei] Fiberform (Kraus Maffei): Kombination von Spritzgießen (glasfaser-verstärkten Polyamid) mit dem Thermo-Umformen von vorgewärmten Organoblechen (plattenförmige Textil/Thermoplast-matrix-Halbzeuge) in einem Arbeitsschritt Höhere mech. Eigenschaften durch endloslange Fasern (Gewebe, Gelege, Matte, Pultrusionsprofile). ITV: Herstellung von Endlosfaser- Einlegern mittels Pultrusion [Röchling] 19

20 Herstellung von endlosfaserverstärkten Spritzgussteilen aus Laminaten und Tapes (Organobleche) Thermoplastisches Laminat Überspritzmasse Quelle 20/28

21 Zukünftiger hoher Bedarf nach gekrümmten & nachgeformten Faserverbundprofilen Profile mit Duro-/Thermoplastmatrix Crash Profile DLR für Fahrzeugkonzepte Stuttgart [Airbus / CTC Stade] ITV Flecht-Pultrusion Mikrowellengenerator [Fiberline Composites] ITV/KIT/SGL Carbon Mikrowellenpultrusion - energiesparend - nachverformbar [Gaugler&Lutz] [Audi] Spritzguss-Einleger für semistrukturelle Bauteile 21

22 Projekt T-Pult: Prozess- und Bauteilsimulation CT-Daten-Gewinnung Mappen der CT-Daten auf das LS-DYNA Modell Simulation Prozess und Bauteil ITV-µ-CT [Quelle: Volume Graphics, Dynamore] 22

23 Projekt Verzweigungen Übertragung bionischer Bauweisen und Faserverläufe in die Technik: geflochtene Verzweigungen: Projektpartner Plant Biomimetics Group Uni Freiburg, Botanischer Garten u. ILK Dresden, ITV [Quelle: ILK Dresden]

24 Leichtbau-Roboterarm: Vergleich: PlanktonTech DLR Rotex Arm [Quelle Harwood and Gersonde] Ergebnis: PlanktonTech-Roboterarm erzielt höhere gewichtsbezogene Steifigkeit wie der DLR Roboterarm [Quelle DLR Stuttgart] DLR-Rotex Roboterarm Zukunft: SmartStiff: Geschäumte, druckbeaufschlagte Kerne in Verbindung mit Flecht- und Plankton-Strukturen 24

25 Projekt Druckschäume, Turgorschäume Projektpartner: Fa. Bionic Composites/Hydroflex & ITV [Quelle Neitzel] Konventionell geschichtet aufgebautes Maschinenbett in hochsteifer Faserverbundbauweise FVK-Maschinenbett mit Schaumkern: 20% Gewichtsreduktion gegenüber monolithischer Bauweise Surfboard Hydroflex Supercharger Schaumkern druckbeaufschlagbar 25