Forschungsbericht. Projekt InnoRegio INNtex

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1 Forschungsbericht Projekt InnoRegio INNtex Zum Thema: Entwicklung und Realisierung von Herstellungstechnologien für belastungsgerechte Strukturgelege und deren Anwendung in Bauteilen der Verkehrstechnik Förderkennzeichen: 03/1811B Verbundprojekt Projektlaufzeit: bis Ausführende Stelle: Technische Universität Chemnitz Kompetenzzentrum Strukturleichtbau Reichenhainer Str Chemnitz Prof. Dr.-Ing. habil. E. Köhler Chemnitz, den

2 FKZ 03/1811B Inhaltsverzeichniss Inhaltsverzeichnis Verzeichnis der Kurz- und Formelzeichen 6 Indizes... 8 Sonstige Zeichen Einleitung 9 2 Leichtbau und technische Textilien Begriffsabgrenzung Leichtbau Werkstoffe für den Leichtbau Potenziale für Leichtbaulösungen Bedeutung Technischer Textilien im Leichtbau Hautpanwendungsgebiete für Textilien im Leichtbau Luft- und Raumfahrt Fahrzeugbau Maschinen- und Anlagenbau Bauwesen Sport- und Freizeitindustrie Faserverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe mit Kunststoffmatrix Bauteilauslegung, Werkstoffmodelle und Kennwerte Kenntnisstand der physikalischen Strukturphänomene beim Versagen Textile Flächenbildungsverfahren für die Herstellung technischer Textilien und deren Einsatz in Faserver-bundkunststoffen Mehrdimensionale textile Strukturen Gelegekonstruktion Halbzeugentwicklung Möglichkeiten der Herstellung neuartiger Verstärkungsstrukturen für Bauteile der Verkehrstechnik Maschinentechnik, Arbeitsprinzip Seite 2

3 FKZ 03/1811B Inhaltsverzeichniss Rechts/ Links- Triaxial- Nähwirkmaschine Grobe Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine Theoretische Betrachtungen zu herstellbaren Mustervarianten Mögliche Mustervarianten von der Rechts/Links- Triaxial- Nähwirkmaschine Mögliche Mustervarianten von der groben Rechts/ Rechts- Kettenwirkmaschine Fazit Grundkonzeption Bereitstellung des Ausgangsmaterials Erzeugung der Preform Handhabung und Transport der Preform Maschinentechnische Umsetzung Lieferung des Ausgangsmaterials Ablage der textilen Struktur Preformerzeugung und Fixierung Handhabung und Transport Prozessstufen Zuschnitt Vereinzeln Vorauswahl von Greifersystemen Versuchsdurchführung Versuchsaufbau und Erstergebnisse Magazinierung Fixierung des Lagenaufbaus Transport und Verkettung Steuerung Auslegungskriterien und Belastungsanalyse am Beispiel ausgewählter Bauteile Beispiel Bus- Staufachtür Lastfälle Seite 3

4 FKZ 03/1811B Inhaltsverzeichniss 6.3 Statische Betrachtung der Türkinematik Der Versuchsstand Auswahl von Lastfällen Konstruktion des Versuchstands Versuche zur Struktursteifigkeitsanalyse Der Versuchsaufbau Lastfälle, Versuchen zugeordnet Versuche mit Druckkrafteinleitung Versuche mit Zugkrafteinleitung Versuchsauswertung Steifigkeitsanalyse mittels FE- Rechnung Modellvorbereitung Aufbau des FE- Modells Berechnung mit starrer Einspannung Berechnung mit elastischer Einspannung Ergebnisvergleich zwischen Messung und FE- Simulation Zusammenfassung Untersuchungen zum strukturellen Aufbau textiler Halbzeuge Aufgabenstellung Kennwerte zur Charakterisierung der Flächengebilde Beschreibung von Kennwerten Durchgeführte Untersuchungen Flächenmasse gesamt und Massenanteile der einzelnen Konstruktionselemente (Fadenlagen) Dicke Luftdurchlässigkeit Zugversuch Verformungsverhalten Auswertung der Ergebnisse Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis 115 Seite 4

5 FKZ 03/1811B Inhaltsverzeichniss 10 Tabellenverzeichnis Anlagenverzeichnis 119 Seite 5

6 FKZ 03/1811B Kurz- und Formelverzeichnis Verzeichnis der Kurz- und Formelzeichen Kürzel Einheit Bedeutung A m² Fläche B m Breite DERA defence evaluation and research agency E J Energie EG Effizienz der Gegenmaßnahme EP Epoxydharz FMEA Fehler-Möglichkeiten-Einfluss-Analyse G Gesamtwichtung K Kapillaritätsfaktor Nu Nusselt-Zahl PA Polyamid PA-GF Polyamid, glasfaserverstärkt PAN Polyacrylnitril PBT Polybutylentherephtalat PC Polycarbonat PE Polyethylen PE-HD Polyethylen hoher Dichte PEEK Polyetheretherketon PEI Polyetherimid PEN Polyethylennaphtalat PET Polyethylentherephtalat Pr Prandtl-Zahl POM Polyoxymethylen PP Polypropylen PPO Polyphenylenoxid PS Polysulfon PUR Polyurethan Q J Wärmemenge W Wärmestrom Q Re Reynolds-Zahl S Schwere des Versagens T K absolute Temperatur UD unidirektional UP ungesättigter Polyester V m³ Volumen V m³/s Volumenstrom W Wahrscheinlichkeit des Versagens Z W/(m²K 4 ) Stefan-Boltzmann-Konstante Seite 6

7 FKZ 03/1811B Kurz- und Formelverzeichnis Kürzel Einheit Bedeutung b Durchlassfaktor, shading coefficient d m Durchmesser g m²/s Erdbeschleunigung k W/(m²K) Wärmedurchgangskoeffizient l m Länge m kg Masse m. kg/s Massenstrom n Anzahl p Pa Druck r m Radius s m Wandstärke u m Umfang v m³/kg spezifische Volumen w m/s Strömungsgeschwindigkeit Γ Λ Emissionswert Änderung Widerstandsbeiwert der Strömung α W/(m²K) Wärmeübergangskoeffizient β Winkel ε mechanische Dehnung η Pa s dynamische Viskosität λ W/mK) Wärmeleitfähigkeit ν m²/s kinematische Viskosität ξ Strömungswiderstandsbeiwert von Einbauten ρ kg/m³ Dichte φ Anteil φ relative Feuchte σ N/mm² mechanische Spannung υ C Temperatur Seite 7

8 FKZ 03/1811B Kurz- und Formelverzeichnis Indizes Kürzel bezogen auf 0 Ausgangszustand A Bieg D F HF KM M V a ab_fluid char ges i j m schw str stra v y φ Antrieb Biegung Dekor Faser Hohlfaser Kühlmedium Matrixmaterial Volumen außen durch Fluid abgeführt charakteristische Größe gesamt innen Laufindex Masse schwarz Strömung Strahlung Verlust Y-Koordinate im kartesischen System Winkelkoordinate im Zylindersystem Sonstige Zeichen x x mittlerer Wert der Größe Ableitung nach der Zeit Seite 8

9 1 Einleitung 1 Einleitung Verkehr und Mobilität gehören in unserer Gesellschaft zu den wichtigsten Schlüsselthemen der Gegenwart und Zukunft. Um im Bereich von Spitzentechnologien auch im heute weltweit stattfindenden Wettbewerb mithalten zu können ist die Bearbeitung von Innovationsfeldern eine entscheidende Voraussetzung. Dazu zählt im Besonderen auch die Verkehrstechnik. Mobilität ist aus unserer modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Das Verkehrswachstum wächst nach wie vor unaufhaltsam und scheinbar unbegrenzt auch in wirtschaftlich schwierigen Zeiten. Aus diesem Antrieb heraus entwickeln sich die Mobilitätsbedürfnisse ständig weiter. Unter Beachtung der Entwicklungen auf den Gebieten der Fahrwege, Leittechnik, Antriebssysteme, Kommunikationstechnik und telematischen Systeme, hat sich die Fahrzeugindustrie als Innovationsmotor neuer Technologien und Produkte hervorgetan. Dabei ist festzustellen, dass Faserverbundwerkstoffe den Weg für viele innovative Technologien erst freigemacht haben. Die Bearbeitung von Innovationsfeldern setzt Humankapital, Infrastruktur, Wissenschaft und Forschung, Wissenstransfer und ein qualifiziertes Ausbildungssystem voraus. Die Forderung nach Leichtbaulösungen gewinnt in den verschiedenen Branchen immer mehr an Bedeutung. Besonders dort, wo aufgrund von Massereduzierung, Energieeinsparung, Gewichtskraftverringerung oder Geschwindigkeitserhöhung bei bewegten Massen erzielt werden kann, werden immer neue Einsatzgebiete erschlossen. So ist es nicht verwunderlich, dass sich gerade die TUC und herausragende Industriepartner der Region wie die Firma Lätzsch GmbH auf der Basis eines Verbundprojektes mit der Themenstellung Entwicklung von Herstellungstechnologien für belastungsgerechte Strukturgelege und deren Anwendung in Bauteilen der Verkehrstechnik befasst. Dieses Thema wurde im Rahmen des InnoRegio- Programms als Forschungsthema 10/2002 begonnen und 12/2005 zum Abschluss gebracht. Als Themenschwerpunkt in der Entwicklungstätigkeit wurden Massenverkehrsmittel wie Reisebusse und Schienenfahrzeuge im Besonderen betrachtet. Darüber hinaus wurde auch auf Einsatzgebiete für andere Bereiche der Verkehrstechnik hingewiesen. So lässt zum Beispiel ein geringes Eigengewicht, bei gleicher Personenkapazität und gleichen Fahrleistungen, einen leistungsschwächeren Antrieb mit geringerem Verbrauch zu. Diese Möglichkeit wird nur im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Werkstoffe, leistungsfähiger mathematischer Modelle, der Rechentechnik im Allgemeinen und neuen konstruktiven Ansätze im Fahrzeugbau eröffnet. Nicht allein die Gewichtsersparnis, sondern auch die bessere Anpassung der Konstruktion an die Anforderungen des Bauteils und Realisierung multifunktionaler Bauteilkonzepte sind Vorzüge moderner Leichtbauprinzipien. Diese beinhalten eine Reduzierung der Bauteileanzahl und damit der Gesamtmasse. Das bedingt jedoch auch, dass die Funktionen der eliminierten Bauteile von den verbleibenden mit erfüllt werden. Strukturkonzepte unter Einsatz von Glas- und Kohlenstofffasern haben während der Themenbearbeitung hochinteressante Einsatzfelder ergeben. So haben die in der Baugruppe verbleibenden Bauteile mehrere, multiple Aufgaben. Das Spektrum der Veränderlichkeit ist dabei recht breit gefächert und reicht von der Schwerpunktverlagerung bis zu Änderungen der Eigenfrequenz. Die Besonderheit dieser Anwendung liegt in dem Einsatz von Faserverbunden in bis dahin völlig unerschlossenen Anwendungsbereichen als Funktionsbauteile. Seite 9

10 2 Leichtbau und technische Textilien 2 Leichtbau und technische Textilien 2.1 Begriffsabgrenzung Leichtbau Die Forderung nach Leichtbaulösungen gewinnt in den verschiedensten Branchen immer mehr an Bedeutung. Besonders dort, wo aufgrund von Massenreduzierung Energiereinsparung, Gewichtskraftverringerung oder Geschwindigkeitserhöhung bei bewegten Massen erzielt werden kann, werden immer neue Einsatzgebiete erschlossen. Leichtbau ist charakterisiert durch: Verwendung leichter und hochfester Werkstoffe Realisierung fortschrittlicher, problemangepasster Strukturen Genaue Erfassung des Belastungs- und Beanspruchungszustandes Beanspruchungsoptimierte Dimensionierung /1/ Die vordringlichen Entwicklungsbemühungen gehen in drei unterschiedliche Zielrichtungen: Formleichtbau: Hier steht die Verbesserung des Funktionsverhaltens eines Produktes durch angepasste Dimensionierung von Bauelementen und optimale Ausnutzung des Werkstoffes im Vordergrund. Stoffleichtbau: Beim Stoffleichtbau zielen die Entwicklungsvorhaben auf die Verringerung der Produktmasse mittels Substitution schwerer Werkstoffe durch leichtere bei gleichzeitigem Beibehalten oder Steigerung der Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften. Strukturleichtbau: Von Strukturleichtbau spricht man, wenn eine leichtere Ausführung von Produkten unter Nutzung von neuen Strukturen erreicht werden kann. Oftmals kann eine optimale Produktgestaltung nur durch Kombination dieser Strategien erreicht werden /1/. 2.2 Werkstoffe für den Leichtbau In der modernen Industriegesellschaft dominieren metallische Werkstoffe nach wie vor, da für ihren Einsatz eine große Bandbreite an Erfahrungen zur Herstellung und Verarbeitung vorliegen. Der Werkstoff Stahl ist immer noch nicht nur mengenmäßig der bedeutendste Konstruktionswerkstoff. Stahlerzeugnisse zeichnen sich durch Umweltfreundlichkeit und ein attraktives Preis-Leistungsverhältnis aus. In Westeuropa liegt der jährliche Stahlverbrauch bei über 120 Mio. Tonnen Stahl ist der unverzichtbare Basiswerkstoff, dessen Entwicklungspotenzial noch lange nicht ausgeschöpft ist. So ist das Einsatzspektrum von Stahl durch neue Füge- und Umformtechniken erheblich erweitert worden. Als attraktive Leichtbaualternativen zu Stahl und Gusseisen präsentieren sich Aluminium, Magnesium und Titan, da sie im Ge- Seite 10

11 2 Leichtbau und technische Textilien gensatz zu Kunststoffen in einem weiten Temperaturspektrum einsetzbar und durch relativ einfache Techniken wieder verwertbar sind. Bei der Auswahl von Leichtbau-Werkstoffen stehen die spezifischen, d.h. gewichtsbezogenen Eigenschaften im Vordergrund. Hier weisen z.b. Faserverbundwerkstoffe, die trotz ihrer geringen Dichte eine hohe Steifigkeit und Festigkeit besitzen, deutlich höhere Werte als die traditionellen Werkstoffe auf /2/. Dichtevergleich von Leichtbaumaterialien Dichte [g/cm3] Stahl 7,80 Aluminium 2,70 Magnesium 1,79 Thermoplastische Kunststoffe < 1,0 bis 1,5 Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) 1,40 bis 2,0 Kunststoffschäume 0,05 bis 0,60 Eine weitere wichtige Werkstoffklasse unter den modernen Leichtbauwerkstoffen sind die Kunststoffschäume. Oftmals werden auch Kombinationen verschiedener Materialien eingesetzt, um deren unterschiedliche Eigenschaften auszunutzen. Derartige Sandwichmaterialien haben sich seit Jahren als Konstruktionswerkstoff in der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau etabliert. 2.3 Potenziale für Leichtbaulösungen Die Bedeutung des Leichtbaus und des diesbezüglichen Wissensstandes ist in den einzelnen Branchen sehr unterschiedlich. Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über den Anwendungsstand und das Potenzial für Leichtbaumaßnahmen in den wichtigsten Branchen. Potenzial von Leichtbaumaßnahmen nach Branchen /1/ Branche Anwendungsstand Potenzial für Leichtbaumaßnahmen Kostendruck Raumfahrt etabliert sehr groß mittel Luftfahrt etabliert sehr groß mittel - hoch Automobil teilweise etabliert sehr groß sehr hoch Schienenfahrzeuge wenig etabliert groß hoch Maschinenbau wenig etabliert groß bis sehr groß sehr hoch Anlagenbau teilweise etabliert mittel mittel hoch Bauwesen teilweise etabliert mittel sehr hoch Während in den Unternehmen der Luft- und Raumfahrt bereits umfangreiche Erfahrungen mit dem Einsatz von Leichbauteilen vorliegen, ist dies im Maschinenbau nicht der Fall. Dort wird dem Leichtbau noch zu selten eine hohe Priorität bei der Produktentwicklung beigemessen. Das Bewusstsein für den Einsatz alternativer Werkstoffe, wie Faserverbund- und anderer Leichtbaukunststoffe ist kaum vorhanden. Deren Einsatz beschränkt sich derzeit auf bestimmte Spezialanwendungen, eine Integration dieser Werkstoffe in die Produktpalette findet nicht statt. Es kann demnach in dieser Seite 11

12 2 Leichtbau und technische Textilien Branche ein sehr hohes ungenutztes Potenzial für Leichtbaumaßnahmen vermutet werden. Ähnliche Feststellungen sind auch für das Bauwesen zu treffen. Moderne Leichtbauwerkstoffe werden nur sehr zögerlich eingesetzt. Ursachen dafür sind im sehr hohen Kostendruck in dieser Branche, in der vorherrschenden konventionellen Einstellung sowie in komplizierten Zulassungsverfahren für neue Baustoffe zu sehen. In der Luft- und Raumfahrt erfordern bestimmte Funktionselemente und Bauweisen zwingend den Leichtbau, so dass insgesamt eine Bereitschaft zu erkennen ist, diese Vorteile durch Mehrkosten zu erkaufen. Da im Bereich der Strukturbauteile höchste Anforderungen an die Materialqualität gestellt werden, sind auch vergleichsweise kosten- und investitionsintensive Fertigungsverfahren in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet. Die vorhandenen hohen Potenziale für Leichtbauanwendungen ergeben sich in dieser Branche vor allem aus der Substitution der klassischen Aluminiumbauweise durch Leichtbaukunststoffe. Die Substitution in der Automobilbranche ist dadurch gekennzeichnet, dass Leichtbau zwar erwünscht ist, um trotz steigender Anzahl von Ausstattungskomponenten das Fahrzeuggewicht konstant zu halten bzw. zu verringern, die dadurch entstehenden Mehrkosten werden jedoch nur in äußerst geringem Maße toleriert, so dass klassische Leichtbauwerkstoffe favorisiert werden. Neben den höheren Material- und Fertigungskosten für textilverstärkte Bauteile bieten sich jedoch enorme Vorteile durch eine hochgradige Funktionsintegration. Aufgrund der hohen Stückzahlen sind vor allem automatisierte Verfahren gefragt, hohe Sicherheitsanforderungen erlauben nur den Einsatz von Hochleistungsmaterialien, so dass sich neue Leichtbauwerkstoffe wie Faserverbundkunststoffe aufgrund der hohen Material- und Fertigungskosten bisher nicht durchsetzen konnten. Neue Konzepte in der Automobilindustrie favorisieren eine Mischbauweise aus verschiedenen Werkstoffen. 2.4 Bedeutung Technischer Textilien im Leichtbau Die Definition des Begriffs Technische Textilien wird hauptsächlich durch das Anwendungsgebiet bestimmt. Die Grenzen zwischen den klassischen Kategorien (Bekleidung, Heim-/Haustextilien, Technische Textilien) verwischen jedoch zunehmend. So sind heute unter Technischen Textilien solche Produkte zu verstehen, die mehrheitlich unter dem Gesichtspunkt der Funktionalität konstruiert werden /3/. Es geht demnach um Textilien, die bestimmte Eigenschaften oder Funktionen besser erfüllen, als nichttextile Produkte bzw. als bisherige textile Vergleichsprodukte /4/. Unter Technischen Textilien für Leichtbauanwendungen sind auf Fasern und Garnen basierende Produkte zu verstehen, die später zu Endprodukten verarbeitet werden, die für Leichtbauzwecke (Verstärkung, Armierung, Bewehrung) Anwendung finden. Es handelt sich hauptsächlich um Vorprodukte bzw. Halbzeuge. In Europa ist es inzwischen üblich, Technische Textilien entsprechend dem durch die Messe Frankfurt verfolgten Marketingkonzept für die Messe Techtextil in 12 Anwendungsgebiete (Anlage 1) einzuteilen, wobei auch hier die Grenzen fließend sind. In den USA ist diese Einteilung allerdings weitgehend unbekannt. Seite 12

13 2 Leichtbau und technische Textilien Textile Werkstoffe sind heute eine High-Tech-Werkstoffklasse, die eine Schlüsselposition für Innovationen in allen Lebensbereichen einnimmt. Das trifft im besonderen Maße auf Textilien für den Leichtbau zu. Entwicklungen auf diesem Gebiet wurden in den letzten Jahren durch Forderungen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie dem Automobilbau stark forciert. Vor allem dort, wo metallische Leichtbauwerkstoffe die Anforderungen nicht mehr erfüllen können, werden in zunehmendem Maße Produkte eingesetzt, die textile Komponenten enthalten. Aus der großen Bedeutung, die dem Leichtbau in diesen Branchen heute und zukünftig beigemessen wird, ergibt sich auch ein enormes wissenschaftlich-technisches Potenzial für Technische Textilien. 2.5 Hautpanwendungsgebiete für Textilien im Leichtbau Die Hauptanwendungsgebiete von Leichtbautextilien sind: Luft- und Raumfahrt Automobil- und Fahrzeugbau Maschinen- und Anlagenbau Bauwesen Sport- und Freizeitindustrie Eine detaillierte Übersicht wird in Anlage 2 gegeben. 2.6 Luft- und Raumfahrt Die ersten Anwendungsgebiete für textile Verstärkungen in Verbundwerkstoffen kommen aus der Militärtechnik und der Raumfahrt beides Bereiche, in denen die Erfüllung technischer Anforderungen zunächst wichtiger war, als der Preis. Mitte der 80er Jahre wurden die Faserverbundwerkstoffe im zivilen Flugzeugbau für Primärstrukturen attraktiv. So setzte Airbus bereits 1986 Seitenleitwerke aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) in seinen Flugzeugen ein. Die Luft- und Raumfahrt ist auch zur Zeit noch der einzige Bereich, in dem Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe und Sandwichmaterialien in größerem Umfang zur Anwendung kommen, wobei in der militärischen Luftfahrt der Gewichtsanteil von CFK-Komponenten naturgemäß höher ist /5/. Das Spektrum der Anwendungen von Hochleistungs- Faserverbundwerkstoffen in der zivilen Luft- und Raumfahrt erstreckt sich gegenwärtig auf: Rippen Spante oder Rumpfelemente Satelliten-, Modul- oder Raketenschalen Ein schon eher klassisches Anwendungsgebiet finden textile Verstärkungen und Dämmstoffe im Interieurbereich von Passagierflugzeugen, wie: Seitenverkleidungen Deckenverkleidungen Trennwände Frachtraumverkleidungen Seite 13

14 2 Leichtbau und technische Textilien Diese Anwendungsfälle, welche etwa 80% der Interieuroberfläche ausmachen, werden hauptsächlich in Sandwichbauweise (Kombination aus glasgewebeverstärkten Phenolharzdecklagen und Kernwerkstoffen aus Polyamidpapier) ausgeführt /6/. Beispiel: Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen im Flugzeugbau Seitenleitwerk des Airbus Sichtblendeführungen im Airbus Bordküchen in Boing-, McDonnel- und Airbusflugzeugen Landeklappen-Rippen und Ice Protektion Plates der Dornier 328 Frachtraumböden in der Fokker 100/70 Verkleidung der hinteren Tragflügel der Fokker Fahrzeugbau Im Fahrzeugbau findet sich ein breites Spektrum textiler Anwendungen. Die Anwendungsfelder können nach der jeweiligen Hauptfunktion grob unterteilt werden: Interieur Struktur/Fahrwerk Sicherheit Antrieb Im Interieurbereich finden sich zahlreiche traditionelle Anwendungen für textile Materialien für Sitzbezüge und polsterungen, Verkleidungen und Ablagen aller Art sowie Dämmelemente, die nicht alle dem Leichtbau zuzuordnen sind. Die Entwicklung geht jedoch immer mehr in Richtung des Einsatzes von Textilien in höherwertigen Anwendungsfällen bis hin zu Hochleistungswerkstoffen. In den 70er Jahren gab es vielfältige Vorlaufforschungen auf dem Gebiet faserverstärkter Kunststoffe mit dem Ergebnis: Man kann annähernd alles machen, aber nicht bezahlen /7/. So bleiben innovative Anwendungen derzeit oft beschränkt auf Nischen-Autos oder den Rennsportbereich. Einige Technologien sind jedoch zum Stand der Technik geworden (z.b. SMC und RTM) und erlauben die kommerzielle Herstellung von Bauteilen in großen Stückzahlen für den Einsatz im Automobil-, Nutz- und Schienenfahrzeugbereich. Beispiel: Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen im Pkw-/Nutzfahrzeugbau Spoiler des Ford Fiesta sowie große Bus- und Truck-Teile aus faserverstärkten Duroplasten Strukturelle Front-End-Bauteile des VW Golf, VW Polo und verschiedener Audi- Modelle aus glasmattenverstärkten Thermoplasten (GMT) Kurzfaserverstärkte Luftansaugstutzen Hybridpleuel, Federlenker, Motoraufhängung (Daimler Benz AG) Thermoplastische Heckklappe für Mercedes A-Klasse Beispiel: Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen im Schienenfahrzeugbau TALENT- Projekt der Waggonfabrik Talbot GmbH: Es entsteht ein neuer, moderner Regionalzug, der in großem Umfang aus Verbundwerkstoffen hergestellt wird. Die Dachkonstruktion ist eine selbsttragende Sandwichkonstruktion, für die die Serienproduktion bereits begonnen hat. Seite 14

15 2 Leichtbau und technische Textilien Karosserien von Neigezugwagen aus Sandwichelementen, die aus textilverstärktem Laminat, kombiniert mit einer Schaumstoffschicht bestehen, werden von der Schindler Waggon AG, Altenrhein, Schweiz, gefertigt. 2.8 Maschinen- und Anlagenbau Im Maschinenbau sind unzählige Anwendungsmöglichkeiten für faserverstärkte Kunststoffe denkbar, aber nur relativ wenige bekannt. Gründe dafür sind hauptsächlich im starken Kostendruck in dieser Branche und dem Fehlen von serientauglichen, metallverarbeitungsnahen Herstellungsverfahren zu sehen. Beispiel: Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen im Maschinenbau Rotorblätter für Windkraftanlagen Roboterarme Zahnräder Im Textilmaschinenbau /8/: o Greiferstangen für Webmaschinen o Flyerflügel o Barren und Legeschienen für Nähwirkmaschinen o Schussfadenleger 2.9 Bauwesen Im Bauwesen findet sich Anwendungspotenzial für alle leichtbaurelevanten Arten von Textilien, von Verstärkungen für Kunststoffe und Beton bis hin zu Dämmstoffen und Membranen. Kurzfaserverstärkter Beton wird seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt. Textile Dämmstoffe sind bisher nur als Ergänzung zu mineralischen Dämmstoffen zu sehen. Membranen sind ein klassischer Werkstoff für Überdachungen, im Temporärbau und im erlebnisorientierten Bauen, wo man zahlreiche Einsatzbeispiele bzw. Planungen dafür findet. Beispielhafte Membranbauprojekte Gerry-Weber-Tennisstadion, Halle Montrouge-Passage in Paris Shopping Mall im Neuen Kirchberg Forum in Luxemburg Neuer internationaler Flughafen in Bangkok Neues Elefantenhaus im Kölner Zoo Überdachung der Arena von Burgos Faserverstärkte Kunststoffe kommen im Massivbau, Brückenbau und Holzbau zum Einsatz. Wegen der zögerlichen Haltung gegenüber neuen Materialien und den vergleichsweise hohen Kosten finden sich bisher jedoch relativ wenige Einsatzbeispiele. Größere Verbreitung haben Brückenbauten aus pultrudierten faserverstärkten Fertigprofilen sowie Elemente zur nachträglichen Verstärkung von Bauwerken gefunden. Seite 15

16 2 Leichtbau und technische Textilien Beispiel: Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen im Bauwesen Kohlefaser-Lamellen zur Tragwerksverstärkung Fiberline- Brücke aus glasfaserarmiertem Kunststoff in Kolding (Dänemark) Zug-/Spannglieder für verschiedene Verankerungskonzepte 2.10 Sport- und Freizeitindustrie Im Sinne von Leichtbau kann hier der Einsatz von Faserverbundkunststoffen gesehen werden. Die Produkte zeichnen sich durch geringes Gewicht und sehr gute Sicherheitsstandards aus. Klassische Einsatzbeispiele sind nachfolgend zusammengestellt. Anwendungsbeispiele in der Sport- und Freizeitindustrie Fahrrad-Schutzhelm aus langfaserverstärkten Thermoplasten (Cébé, Morez/Frankreich und DuPont) Surfbretter Bindungen für Snowboards Kohlefaserverstärkte Fahrradrahmen Seite 16

17 3 Faserverbundwerkstoffe 3 Faserverbundwerkstoffe Faserverbundwerkstoffe können wie folgt definiert werden: Faserverbundwerkstoffe sind dadurch gekennzeichnet, dass metallische oder nicht metallische, endlose oder nicht endlose Fasern unidirektional oder regellos in eine metallische oder nicht metallische Matrix eingebunden sind. Endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit einem Faservolumengehalt von über 50% werden als Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe (HL-FVW) bezeichnet /9/. Faserverbundwerkstoffe bestehen demnach aus zwei Hauptkomponenten: der Verstärkungsfaser und der Matrix. Die mechanischen Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen werden im Allgemeinen durch die Faserkomponente bestimmt, während die chemischen und thermischen Eigenschaften mehr durch die Matrix beeinflusst werden. Die derzeit gebräuchlichsten Verstärkungsfasern sind: Glas Kohlenstoff Aramid Polyethylen (u.a. Synthesefasern) Naturfasern (z.b. Flachs, Hanf, Sisal, Jute, Ramie, Baumwolle) Als Matrixsysteme werden hauptsächlich duroplastische und thermoplastische Kunststoffe eingesetzt. In ausgewählten Bereichen (Verpackungssektor, Landwirtschaft) werden unter dem Gesichtspunkt der biologischen Abbaubarkeit auch Chancen für Biopolymere (z.b. Stärke, Cellulose, Kasein) als Matrixmaterial gesehen. Darüber hinaus laufen im Bauwesen zahlreiche Entwicklungen für Werkstoffe mit Betonmatrix. Faserverbundwerkstoffe mit anderen mineralischen oder metallischen Matrices sind ebenfalls Gegenstand von EntwicklungenFaserverbundwerkstoffe zeichnen sich aus durch: Geringe Dichte bzw. Leichtbaugrad hohe Steifigkeit hohe Dämpfung hohe Festigkeit geringe thermische Dehnung sowie gute elektrische Isolierung hohen Grad an Funktionsintegration Die textile Komponente stellt nur einen Teil des Werkstoffsystems dar, welches jedoch in seiner Gesamtheit betrachtet werden muss. Entscheidend für den Einsatz sind letztendlich die Eigenschaften des konkreten Bauteils. Bei der Beurteilung des Standes der Technik auf dem Gebiet Faserverbundwerkstoffe reicht daher die reine Bewertung textiltechnischer und technologischer Aspekte nicht aus, es müssen vielmehr auch die Weiterverarbeitung des textilen Halbzeuges zum Bauteil und die damit verbundenen Probleme analysiert werden. Innovationen auf diesem Gebiet erfordern heute ein Aufbrechen der traditionellen Grenzen zwischen Fachdisziplinen und die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern und Technikern der unterschiedlichsten Spezialisierungsrichtungen. Seite 17

18 3 Faserverbundwerkstoffe 3.1 Faserverbundwerkstoffe mit Kunststoffmatrix Die Betrachtungen in diesem Abschnitt konzentrieren sich auf die Gruppe der Faserverbundwerkstoffe, die ausschließlich aus textilen Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix (duroplastische oder thermoplastische Matrix) bestehen. Faserverbundstrukturen mit regelloser Faseranordnung (z.b. GMT, SMC) gehören heute zum Stand der Technik und finden großserienmäßigen Einsatz. Höheres Potenzial zur Realisierung von Leichtbaustrukturen haben jedoch Faserverbundwerkstoffe mit Langfaserverstärkung in Beanspruchungsrichtung. Bei dieser Hochleistungswerkstoffgruppe wird versucht, die Gesetzmäßigkeiten der Natur als Konstruktionsregel auf technische Bauteile zu übertragen. Das erfordert, die Fasern im Matrixverbund so zu platzieren, dass sie Zugspannungen aufnehmen können und in den Hauptspannungsrichtungen im Matrixverbund angeordnet werden. Modifizierte oder neue Textiltechnologien eröffnen die Möglichkeit zur großserientauglichen Herstellung von extrem leichten, sicheren, ökologie- und ökonomiegerechten Bauteilstrukturen /10/. Textile Halbzeuge und Fertigungsverfahren Als textile Halbzeuge für Leichtbaukomponenten bieten sich vor allem die folgenden Textilstrukturen an: Gewebe Gelege Geflechte Gewirke Gestricke Gesticke Vliese/ Matten Der Stand der Technik auf diesem Gebiet kann wie folgt gekennzeichnet werden: Gewebe Zu den bedeutendsten Verstärkungstextilien zählen die Flachgewebe (ebene 2D- Gewebe mit biaxialer Faseranordnung). Daraus gefertigte 2D-verstärkte Verbundwerkstoffe sind jedoch schichtweise aufgebaut und neigen ohne Verstärkung in Dickenrichtung zu interlaminaren Delaminationen. Seit einiger Zeit werden 2D- Triaxialgewebe mit drei Garnrichtungen entwickelt, welche höhere Schubsteifigkeiten aufweisen, einfacher handhabbar und besser drapierbar sind. In der Flugzeugindustrie finden bereits textile Halbzeuge Anwendung, die nach besonderen Webtechnologien hergestellt werden: 2,5D-Gewebe (besonders flexibel, leicht zu verformen; geeignet, Formteile mit zusammenhängenden Schichten herzustellen, die eine gute Beständigkeit gegen Delaminationen garantieren). 4/5D-Gewebe besteht aus einem Stapel von Schichten, die durch Weben in vier unterschiedlichen Richtungen gewonnen werden. Diese Schichten sind untereinander durch senkrechte Nähte verbunden. Dabei kann die Dicke beträchtlich sein. Seite 18

19 3 Faserverbundwerkstoffe Gelege und Geflechte Die Herstellung von multiaxialen Gelegen und 2D-Geflechten ist bereits Stand der Technik, während 3D-Geflechte zur Zeit weltweit untersucht, weiterentwickelt und optimiert werden. Maschenwaren (Gewirke und Gestricke) Sie bieten die beste Drapierfähigkeit aller textilen Halbzeuge. Nachteilig ist jedoch, dass sich aufgrund der Verschlingungsstruktur bei der Fertigung derartiger Verbundstrukturen nur sehr geringe Faservolumenanteile und somit nur niedrigere Steifigkeiten und Festigkeiten erzielen lassen. Eine Ausnahme bilden hier die Halbzeuge aus Hybridgarnen, bei denen sowohl die Verstärkungsfasern als auch die Thermoplastmatrix bereits im Garn vorliegen. Verbesserungen im Faservolumenanteil lassen sich durch die Integration von multiaxial orientierten gestreckten Verstärkungsfäden erreichen, die für Gewirke schon technische Anwendungsreife erreicht haben. Die Stricktechnik erlaubt darüber hinaus auch die Herstellung mehraxial verstärkter Near- Net- Shape- Halbzeuge und Mehrlagengestricke, die einen deutlichen Fortschritt für beanspruchungsgerechte Verstärkungstextilien bedeuten. Durch entsprechende Gestaltung des textilen Halbzeugs können Zuschnitt- und Fügeprozesse o- der nachträgliche Bearbeitungsstufen eingespart werden /11/, /12/. Technisches Sticken Eine beanspruchungsgerechte Verstärkung von Faserverbunden wird heute auch durch den Einsatz moderner Stickautomaten mit dem Taylored Fibre Placement (TFP)-Verfahren erreicht. Durch technische Gesticke in Composite- Bauteilen kann bei minimalem Materialeinsatz durch maximale Ausnutzung der Verstärkungsfasern extremer Leichtbau realisiert werden. Das Verfahren findet bereits industrielle Anwendung für diverse Bauteile im Mobiltech- Bereich, dem Maschinenbau und der Sport- und Freizeitindustrie /13/. Fügen textiler Halbzeuge Das Fügen textiler Flächenhalbzeuge zu integralen Preforms erfordert neuartige Konfektionstechniken, wie z.b. Mehrachsroboter mit Einseitennähtechnik. Auf diesem Gebiet besteht noch Forschungsbedarf, es laufen gegenwärtig unterschiedliche Forschungsarbeiten zu dieser Problematik. Entwicklungsziele für die Zukunft bestehen in der Modifizierung bzw. konsequenten Weiterentwicklung beanspruchungsgerechter Fadenarchitekturen und Verfahren zur wirtschaftlichen Bauteilherstellung. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung wird die Entwicklung hochintegrierter Preformtechniken (komplexe 3D-Strukturen und Near- Net- Shape- Textilien) darstellen, die zur Senkung der Fertigungskosten durch Reduzierung der Prozessstufen beitragen können. Preformherstellung, Konsolidierung und Werkszeugsysteme In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl neuer Herstellungsverfahren für endlosfaserverstärkte Kunststoffbauteile mit dem Ziel einer hohen Reproduzierbar- Seite 19

20 3 Faserverbundwerkstoffe keit und Qualität bei kleinen Taktzeiten entwickelt und eingesetzt. Es ist generell zu unterscheiden zwischen Fertigungsverfahren zur Verarbeitung duroplastischer und thermoplastischer Matrixsysteme. Duroplastische Matrixsysteme Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit duroplastischer Matrix sind gegenwärtig im industriellen Einsatz bereits weit verbreitet. Die Herstellung rotationssymmetrischer Teile mittels Wickeltechnik sowie einfacher, plattenförmiger Bauteile durch Pressverfahren sind Stand der Technik und werden bereits breit angewendet. Eine stürmische Entwicklung gab es in den letzten Jahren insbesondere bei: o Geschlossenen Harzinjektionsverfahren (Resin Transfer Moulding) und o Harzinfusionsverfahren (Resin Infusion) Der Grund dafür ist in verbesserten Harzsystemen und Vorteilen gegenüber dem offenen Handlaminierverfahren zu sehen: o Geringere Zykluszeiten o Hohe Reproduzierbarkeit o Geringe Arbeitsplatzbelastung o Hohe Bauteilqualitäten Es fehlen noch Erfahrungen und gezielte Lösungsansätze zur reproduzierbaren und hochwertigen Fertigung komplexer Strukturen mit integrierten Versteifungen und zur Auslegung der hierfür benötigten Werkzeugsysteme. Der Automatisierungsgrad der bisher eingesetzten Fertigungstechniken befindet sich zur Zeit noch auf einem relativ niedrigen Niveau, da der Anteil manueller Arbeit trotz des Einsatzes von Maschinen und Hilfskonstruktionen immer noch verhältnismäßig hoch ist, so dass sich die Herstellung von Bauteilen sehr kostenintensiv gestaltet. Thermoplastische Matrixsysteme Aufgrund der langen Zykluszeiten bei duroplastischen Matrixsystemen zielen zahlreiche neuere Aktivitäten und Projekte auf die Entwicklung und Markteinführung von kostengünstigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen ab. Mit derartigen Verbundwerkstoffen können Zykluszeiten von 2 Minuten und weniger erreicht werden. Darüber hinaus weisen sie weitere Vorteile gegenüber duroplastischen Matrices auf /14/. o Geringe Delaminationsneigung o Schadenstolerantes Gesamtverhalten o Recycelbarkeit o Anwendung erprobter Verarbeitungstechniken wie Warmumformen und Schweißen für die Bauteilbearbeitung und Komplettierung Seite 20

21 3 Faserverbundwerkstoffe Einen Schwerpunkt gegenwärtiger Forschungsarbeiten bildet die Entwicklung von neuen Verfahren auf der Basis textiler Hybridisierung, bei der das thermoplastische Matrixmaterial in das textile Verstärkungshalbzeug integriert wird. Durch diese Verfahren werden verschiedene technologische Verarbeitungsprobleme, die bei der thermoplastischen Prepreg- Herstellung auftreten, vermieden. Eine Verkürzung der Prozesskette, Energieeffizienz und günstige Kosten sind als weitere Vorteile anzuführen. Hybridgarne, bei denen die Mischung von Verstärkungs- und Matrixkomponente bereits in der Fadenstruktur erfolgt, sind bereits als Serienprodukte erhältlich. Auf dem europäischen Markt konnten diese Produkte jedoch noch keine breite Anwendung finden. Dagegen wird in Amerika bereits eine Jahresproduktion von 400 t im LKW-Sektor eingesetzt. So ist es heute bereits möglich, biaxial verstärkte Mehrlagengestricke aus Hybridgarnen maschinell herzustellen und mit wirtschaftlichen Verfahren zu ebenen bis schalenförmigen Bauteilen weiterzuverarbeiten. Auf dem Gebiet der Optimierung der Faser-Matrix-Systeme, z.b. der Faser-Matrix- Verträglichkeit, die die Haftungseigenschaften entscheidend beeinflusst, ist noch Forschungsarbeit zu leisten /15/. 3.2 Bauteilauslegung, Werkstoffmodelle und Kennwerte Zur vollen Ausnutzung des hohen Eigenschaftspotenzials textiler Verbundbauweisen sind zuverlässige Berechnungskonzepte und Auslegungsstrategien erforderlich, die sowohl das komplexe Strukturverhalten textilverstärkter Verbunde als auch die speziellen Fertigungsrestriktionen berücksichtigen. Im Bereich der Bauteilauslegung besteht noch deutlicher Forschungsbedarf. Die Strukturkomplexität textilverstärkter Verbunde führt auf komplizierte Stoffgesetze und Versagenshypothesen zurück, die dafür verantwortlich sind, dass zur Zeit keine abgesicherten Berechnungsvorschriften für die Auslegung von textilverstärkten Bauteilen vorliegen. Die in der Vergangenheit aufgestellten Werkstoffmodelle für Faserverbundkunststoffe, die teilweise auch schon in kommerziellen FEM- Auslegungsprogrammen verfügbar sind, erlauben lediglich eine Steifigkeitsanalyse. Die Entwicklung erster textilverstärkter Prototypen basiert heute in der Praxis auf dem Trial and Error-Prinzip. Zur werkstoffmechanischen Charakterisierung sind in der jüngsten Zeit eine Vielzahl von Modellen aufgestellt worden, die jedoch vorwiegend der Bestimmung der elastomechanischen Eigenschaften dienen, während das Versagensverhalten nur für wenige Elementarfälle erfasst wird. Die realitätsnahe Abbildung des Versagensverhaltens von FVK- Bauteilen sowie die Vorhersage der Versagensgrenzen eines Bauteils stellen jedoch noch eine Herausforderung dar. Dies wird als besonderes Defizit angesehen, weil dadurch das gutmütige Versagens- und Crashverhalten der textilen Verstärkungen nicht voll ausgeschöpft werden kann. 3.3 Kenntnisstand der physikalischen Strukturphänomene beim Versagen Die noch kaum vorhandenen Grundlagen zum Werkstoffverhalten und hier vor allem zur Versagenscharakteristik sind ein wesentliches Hindernis, um textile Hochleis- Seite 21

22 3 Faserverbundwerkstoffe tungsbauteile zur Anwendungsreife zu bringen. So wird etwa der derzeitige Entwicklungsstand bei Stoffgesetzen auf 30% und der bei Versagenskriterien auf 10% geschätzt. Bei der Modellbeschreibung zum Schwingfestigkeits-, Langzeit- und Impact/ Crashverhalten fallen die Einschätzungen zum Entwicklungsstand noch ungünstiger aus /10/. 50% Wickelstrukturen Parallelwicklungen Gelege -gewirkte G. (Wirkfaden aus MM) -gestrickte G. (Strickfaden aus MM) -gestickte G. (Stickfaden aus MM) -sonstige Gelege (MM - Matrixmaterial UD-MSV - unidirektionaler Mehrschichtverbund) Wickelstrukturen Kreuzwicklungen Gestricke Strickfaden als z-verst. Gewirke Wirkfaden als z-verst. 2D-Gewebe 2D-Gewirke vernähte Textilien 3D-Textilien Gesticke Stickfaden als z-verst. Quelle: Hufenbach, et.al.: Einrichtungsantrag zum DFG- Schwerpunktprogramm Textile Verbundweisen und Fertigungstechnologien für Leichtbaustrukturen des Maschinenund Fahrzeugbau 2D-Geflechte 2D-Textilien 3D-Gewebe 2D-Gestricke 3D-Gewirke 3D-Geflechte 3D-Gestricke 0% Kenntnis der physikalischen Strukturphänomene beim Versagen Abbildung 1 Kenntnisstand der physikalischen Strukturphänomene beim Versagen Eine differenzierte Einschätzung zum Stand der Forschung bezüglich des Versagensverhaltens von Faserverbundkunststoffen ist aus der Abbildung 1ersichtlich. Primäres Ziel beim Entwurf von Strukturen mit Textilverstärkung ist die Konstruktion eines Fadentragwerkes, das nach dem Vorbild der Natur sowohl dem Beanspruchungsverlauf als auch der Bauteilkontur folgt: Seite 22

23 3 Faserverbundwerkstoffe Die in den letzten Jahren entwickelten Berechnungsverfahren auf analytischer Basis erlauben für einfache mechanische Einsatzmodelle eine schnelle Vordimensionierung textiler Strukturbauteile und dienen häufig zur Überprüfung der Güte numerischer Verfahren. Es existieren erste Programmsysteme zur Drapier- und Prozesssimulation. Die derzeit verwendeten Drapiermodelle sind jedoch lediglich auf die gängigen Textilhalbzeuge bzw. Prepregs und auf einzelne Herstellungsverfahren beschränkt sowie nur in Kombination mit wenigen CAD- Softwaresystemen einsetzbar. Zusammenfassend kann festgestellt werden: o Quantitative Werkstoffkennwerte für Faserverbundkunststoffe sind bisher nur beschränkt verfügbar. o Eine Simulation der Eigenschaften realer Bauteile erfordert einen hohen Aufwand und hochspezialisiertes Expertenwissen. o Eine Normung von Leichtbauwerkstoffen ist bisher noch im Aufbau begriffen. Seite 23

24 4 Textile Flächenbildungsverfahren 4 Textile Flächenbildungsverfahren für die Herstellung technischer Textilien und deren Einsatz in Faserverbundkunststoffen Als Bereitstellungsmöglichkeit für das Ausgangsmaterial bestehen mehrere Varianten. Es können Fäden (Rovings) als Einzelfäden oder lose Fadenscharen, von Spulen abgezogen, vorgelegt werden. In einer nächst höheren Stufe besteht die Möglichkeit eine vorverfestigte Fadenschar als UD- bzw. ein in mehreren Richtungen der Ebene vorfixiertes multiaxiales Gelege oder ein Gewebe vorzulegen. Von herausragender Bedeutung ist die Bereitstellung technischer Halbzeugtextilien im Flächenbildungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundkunststoffen. Insbesondere werden durch die Flächenbildungsverfahren die Grundvoraussetzungen geschaffen die komplexen Anforderungsprofile an die Faserstrukturen zu erfüllen. Das Anforderungsprofil wird bestimmt durch: Darstellung komplexer Geometrien, Hohen Faservolumengehalt, Kurze Taktzeiten, geringe Werkzeug- und Stückkosten, Hohe Qualität bei gleichzeitiger Sicherung der Reproduzierbarkeit, Einsatz der Fasern im Sinne optimierter Strukturmechanik. 4.1 Mehrdimensionale textile Strukturen Zusätzlich zu den vorstehend erläuterten Halbzeugvarianten existieren noch Geflechte sowie Maschenwaren als Gestricke und Gewirke. Charakteristisch für Gestricke und Gewirke ist die Herstellung des Zusammenhalts der Faserstränge durch die Bildung von Maschen. Damit verbunden sind eine ausgezeichnete Drapierbarkeit, allerdings auch eine nur geringe Steifigkeit des Halbzeuges gegenüber sowohl Schub als auch Zug/Druck und die in der Herstellung der Fläche umfangreichen Faserschädigungen durch die engen Umlenkungen bei der Maschenbildung. Neben den vorrangig flächigen Gebilden zur Herstellung von Mehrschichtlaminaten, bei welchen Schicht für Schicht einzeln drapiert wird, existieren auch fertige 3D-Verstärkungen für die Bauteilfertigung. Abbildung 2: Textiles Halbzeug Bei dem in Abbildung 2 dargestellten Halbzeug werden Kette und Schuss nur noch gekreuzt gelegt, aber nicht mehr umeinander geführt. Für die Herstellung des Zusammenhaltes ist der Webfaden in der senkrechten Richtung (gelb) verantwortlich. Neben dem schnellen und mit signifikanter Wandstärke behafteten Materialaufbau Seite 24

25 4 Textile Flächenbildungsverfahren liegen die hauptsächlichen Vorteile dieser Halbzeuge in den ungeknickten und damit ungeschädigten Kett- und Schussfasern. Zudem werden bauteilbezogen für ausgewählte Anwendungen so genannte Preforms gefertigt. Dabei handelt es sich um meist dreidimensionale Gebilde mit komplett belastungsgerecht ausgelegter Faserausrichtung. Dazu wird ein Roving auf eine Trägerstruktur entsprechend der aus den Belastungen berechneten Hauptspannungsrichtungen aufgenäht. Abbildung 3: Beispiel Strebe Als Resultat kann die als Beispiel in Abbildung 3 gezeigte Strebe sowohl in Zug als auch Druckrichtung jeweils 10 kn bei einem Eigengewicht von nur 30 g aufnehmen. Die beschriebenen Gebilde sind direkt in diesen Formen am Markt verfügbar und können für die Herstellung von Faserverbundstrukturen durch den Anwender konfektioniert, drapiert und imprägniert werden. Unterscheidungsmerkmal sind üblicherweise Bindungsart, Flottierung sowie Flächengewicht bzw. bei Rovings die Filamentzahl und die Feinheit des Stranges. Daneben haben sich eine Vielzahl von Fertigsystemen als vorgefertigte Faser- Matrixverbunde durchsetzen können. Deren Endlos- bzw. Langfaservariante wird im Allgemeinen als Prepreg bezeichnet, da es sich hierbei um ein vorimprägniertes (pre- impregnated) Faserhalbzeug handelt. Ergänzend sind auch Kurzfasersysteme verfügbar, welche entweder als Fläche (SMC sheet moulding compound) oder als Fassware (BMC bulk moulding compound) vorliegen. Vorteile dieser grundsätzlich deutlich teureren Halbzeuge sind der gleichmäßige und hohe Faservolumengehalt, die sehr homogene Faserverteilung und die gute Faserbenetzung. Anwendung für derartige Halbzeuge sind vor allem Hochleistungsstrukturen der Raum- und Luftfahrt sowie Anwendungen im Rennsportbereich, wo die exakte Platzierung der einzelnen Zuschnitte durch den sehr sauberen Verarbeitungsvorgang noch erleichtert wird. 4.2 Gelegekonstruktion Als Gelege werden textile Flächengebilde bezeichnet, die aus einem oder mehreren unterschiedlich orientierten Fadensystemen bestehen. Die einzelnen Fadensysteme sind dadurch charakterisiert, dass sie: Lose übereinander abgelegt werden, Gestreckt liegende und zueinander parallel angeordnete Verstärkungsfäden in sich vereinen. Seite 25

26 4 Textile Flächenbildungsverfahren Zueinander verschiedene Lagenausrichtungen haben können, Unterschiedliche Komponenten als Faserstoff eingearbeitet werden können, Die Fadendichte in den einzelnen Fadensystemen unabhängig voneinander einstellbar ist. Besteht ein Gelege aus einem oder mehreren o. g. charakterisierten Fadensystemen, die alle gleichgerichtet sind, wird von einem unidirektionalen Gelege gesprochen. Als bidirektional wird ein Gelege bezeichnet, deren verschiedene Fadensysteme in zwei verschiedene Richtungen orientiert sind. Eine Sonderform der bidirektionalen Gelege sind die orthogonalen Gelege, bei denen sich die parallel gerichteten Fäden der Fadensysteme rechtwinklich überkreuzen. Werden die Fäden in drei verschiedenen Richtungen ausgerichtet, entsteht ein tridirektionales Gelege. Äquivalent wird von einem quadrodirektionalen bzw. quasiisotropen Gelege gesprochen, wenn die Fadensysteme in vier verschiedenen Richtungen abgelegt sind. Ein Gelege, das mindestens aus drei verschiedenen ausgerichteten Fadensystemen besteht, wird bereits als multiaxiales Gelege bezeichnet. Die so charakterisierten Fadensysteme erhalten Ihre praktische Anwendungsfähigkeit wenn die einzelnen Fadensysteme untereinander lagenseitig fixiert sind. Multiaxialgelege sind spezifiziert in den DIN EN , und Sie werden wie folgt beschrieben: Multiaxialgelege ist ein durch ein Maschensystem oder ein chemisches Bindemittel fixiertes Flächengebilde, das aus einer oder mehreren parallelen gestreckten Fadenlagen besteht, das unterschiedlich orientiert ist, unterschiedliche Fadendichten der Einzellagen vorweist und in das Faserfliese, Folien, Schäume oder andere Materialien integriert werden kann. Die Fadenscharen können parallel oder wechselseitig kreuzend gelegt werden. Diese Gelege können auf Anlagen mit Schusseintragssystemen Parallelschuss oder Kreuzschuss) verwirkt oder chemisch fixiert werden. Die technologisch am weitesten verbreitete Lagenfixierung erfolgt mit Hilfe der Multiaxial High- Tech Nähwirktechnik. Als Vorteile nähgewirkter multiaxialer Gelegestrukturen gegenüber anderen textilen Flächenstrukturen, wie Geweben, Gewirken, Geflechten, Gestricken oder Gesticken sind zu nennen: Es kommt zu geringen Fadenreibungen aufgrund der gestreckten und nicht verwobenen (verkreuzten) oder verschlungenen Fadenlagen. Die Fadensysteme können belastungs- und richtungsgerecht angeordnet werden. Höchste Formstabilität beim Einwirken von Belastungen in Richtung der Fadenlagen durch die gestreckte Lage der Verstärkungsfäden Belastungen, die in Richtung der gestreckten Fadenlage auf das Textil einwirken, werden sofort von den textilen Verstärkungsfasern aufgenommen. Es kommt nicht, wie bei Geweben oder Gestricken, zuerst zu einer Kraftaufnahme durch eine Strukturdeformation. Es können textile Strukturen mit quasiisotropen Eigenschaften hergestellt werden. Es wird eine hohe Weiterreißfestigkeit im Gegensatz zu Geweben erreicht. Durch die Länge der Maschen des Nähfadensystems können Drapiereigenschaften von gut drapierbar bis dimensionsstabil eingestellt werden. Seite 26

27 4 Textile Flächenbildungsverfahren Gemäß der themenbezogenen Aufgabenstellung werden zur Herstellung belastungsgerechter Strukturgelege und deren Anwendung in Bauteilen der Verkehrstechnik Multiaxialgelege zum Einsatz kommen. Der Projektpartner P-D Glasseiden GmbH Oschatz ist mit seinem Maschinenpark gegenwärtig in der Lage Multiaxialgelege mit einem bis zu siebenlagigen Aufbau anzubieten. Um der Zielfunktion im höchsten Maße entsprechen zu können, wurde dem Einsatz von Gelegen als Textilhalbzeug, gefertigt nach dem Malimo- Verfahren, der Vorzug gegeben. Bei diesem Verfahren können, gerade auf die es so ankommenden Eigenschaften, wie Drapierfähigkeit und Festigkeitseigenschaften des Verstärkungstextils durch die Anzahl der Fadenscharen und deren Orientierung in weiten Grenzen objektbezogen variiert werden, wodurch eine verarbeitungs- und belastungsgerechte Bauteilkonstruktion ermöglicht wird. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung der Automatisierungsfähigkeit bei der Entwicklung und Herstellung entsprechend geeigneter Preforms erfüllt. Der besondere Vorteil liegt in der Herstellung von Endlosmatten als Multiaxialgelege mit ungeschnittenen, endlosen Rovings bzw. Spinnfäden. Sie sind kostengünstig und einfach in der Herstellung. Der Schussfaden dient zur Fixierung der Fasern. Mehrere Gelegelagen können mit unterschiedlicher Faserausrichtung, unterschiedlichen Faserwerkstoffen und Faserarten auch in Kombination mit Schnittfasern produziert werden. Unter Beachtung des Vergleiches der einzelnen Textilstrukturen nach den Kriterien Aufwand/Kosten, Festigkeit/Steifigkeit und Umformbarkeit besitzt die Gelegestruktur eindeutige Vorteile gegenüber den anderen Textilstrukturen (Abbildung 4). Abbildung 4 Kennwertvergleich flächiger Halbzeuge 4.3 Halbzeugentwicklung Gerade im Hinblick auf gleichbleibende Qualität, Reproduzierbarkeit und wettbewerbsfähigen Fertigungskosten ist die Herstellung von Preforms und Prepregs als vorgefertigte Halbzeuge durch textile Flächenbildungsverfahren unabdingbar. Seite 27

28 4 Textile Flächenbildungsverfahren Seit frühester Zeit sind Gestricke, Geflechte und Gewebe bekannt, besonders zur Herstellung von Textilien. Derartige textile Halbzeuge werden auch in der Faserverbundtechnik häufig verwendet. Für viele Anwendungen stellen sie den Faserverbund zusammen mit einer Duroplast- oder Thermoplastmatrix dar. Eine Grobübersicht der Prozesskette zur Herstellung von Faserverbundsystemen ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5: Übersicht zur Herstellung von Faserverbundsystemen Seite 28

29 4 Textile Flächenbildungsverfahren Prinzipiell wird zwischen gerichteten und ungerichteten Halbzeugen unterschieden. Bei relativ kurzen Fasern entstehen als flächiges Halbzeug so genannte Schnittmatten. Bei der Verwendung längerer Fasern ergibt sich ein Vlies. Der Unterschied zwischen diesen beiden Halbzeugarten geht aus Abbildung 6 hervor. So genannte Endlosmatten entstehen aus nicht geschnittenen Spinnfäden, die regellos in der Matte vorhanden sind. Die Matten haben meist einen recht geringen Fasergehalt, so dass sowohl mit Vliesen als auch mit Matten keine hohen Festigkeiten und Steifigkeiten erreicht werden können. Ungerichtete Kurzfasern dienen häufig als Füllstoff. Ebenso wird versucht, mit gerichteten Kurzfasern die Festigkeit und Steifigkeit derartiger Strukturen zu verbessern. Allerdings verkompliziert sich die Herstellung solcher Halbzeuge in gerichteter Form mit Reduktion der Faserlänge stark, so dass auch deren Preis erheblich ansteigt. Kurzfasergelege können also erst ab einer bestimmten Faserlänge wirtschaftlich hergestellt werden. Abbildung 6 Schnittmatte und Vlies aus Glasfasern Flächige Gebilde aus nicht verwebten oder vermaschten Endlosfasern werden allgemein als Gelege bezeichnet. Kennzeichen für derartige Halbzeuge ist das Fehlen von Richtungswechseln der einzelnen Faserstränge wie in Abbindungen oder Maschen. Abbildung 7: Aufbau textiler Gelegeflächen Auf diese Art ist unter Inkaufnahme der Fixierung der gelegten Faserstränge als zusätzlicher Fertigungsschritt die Fertigung von textilen Flächen mit ein- oder mehrachsiger Faserausrichtung möglich (Abbildung 7). Zumeist werden diese Halbzeuge als Seite 29

30 4 Textile Flächenbildungsverfahren unidirektionale oder bidirektionale Flächen eingesetzt, oft auch als multiaxiale Gelege. Alternativ zum Nähen zur Fixierung des Fasergeleges existieren Halbzeuge als Kettengewirke, wobei die Faserstränge die Rolle des Kettfadens übernehmen sowie geklebte bzw. schweißfixierte Gelege. Abbildung 8 stellt ein derartiges Multiaxialgelege dar. 1 Abbildung 8 Schmelzgeklebtes Carbonfaser- Unidirektionalgelege Wie in Abbildung 8 sichtbar, besteht das Prepreg (1) aus bahnförmigen Gelege (2), welches aus Filamenten (3) gebildet wird. Zusätzlich enthält das Prepreg noch einen Harzanteil (4), welcher in den Dickenbereichen (5) und (6) unterschiedlich sein kann. Zur Fixierung des Prepregs wurde auf die Oberseite (7) ein Schmelz- oder Klebfaden (8) als Fixierelement aufgebracht, welcher, ohne das Gebilde zu durchdringen, die Faserstränge fixiert. Als Material kommen üblicherweise Polyesterfäden zum Einsatz, welche kompatibel mit den meisten duroplastischen Matrixsystemen sind. 4.4 Möglichkeiten der Herstellung neuartiger Verstärkungsstrukturen für Bauteile der Verkehrstechnik Zur Herstellung neuartiger Verstärkungsstrukturen für Bauteile der Verkehrstechnik bestehen vielfältige Möglichkeiten. Hohe Potentiale zur Ausbildung anforderungsgerechter Verstärkungen bieten Ketten- und Nähwirkverfahren [z. B. /16/ - /22/]. Nachfolgend soll auf die hierzu im Sächsischen Textilforschungsinstitut e. V. Chemnitz vorhandene Maschinentechnik eingegangen werden. Die Ausführungen beziehen sich auch auf Effekte, die sich durch Maschinen- bzw. Technologiemodifizierungen erzielen lassen Maschinentechnik, Arbeitsprinzip Zur Fertigung belastungsgerechter, multiaxialer Verstärkungsgewirke stehen eine Rechts/ Links- Triaxial- Nähwirkmaschine mit zusätzlicher 90 -Legeeinrichtung sowie eine grobe Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine mit Multiaxiallegeeinrichtungen zur Verfügung. Diese Maschinen erlauben im Ergebnis von Modifizierungsarbeiten im Bereich der Fadenzuführung sowie der Wirkzone das Herstellen gewirkter Verstärkungsstrukturen mit unterschiedlichem Aufbau. Hierbei erfolgt das Einbinden der Verstärkungsfäden als Bindungselement Schuss in eine Rechts/Links- oder Seite 30

31 4 Textile Flächenbildungsverfahren Rechts/Rechts-Maschenstruktur, woraus eine gestreckte Fadenlage im Maschenverbund resultiert. Die lagenweise zugeführten Verstärkungsfäden lassen sich differenziert übereinander schichten. Weiterhin können durch entsprechenden Fadeneinzug innerhalb der jeweiligen Fadenlagen Unterschiede im Hinblick auf Fadenabstand und Fadenfeinheit auftreten Rechts/ Links- Triaxial- Nähwirkmaschine Die Rechts/ Links- Triaxial- Nähwirkmaschine besitzt im Vergleich zu anderen, mit vorgelegten Fadensystemen arbeitenden Maschinen einen wesentlich breiteren Fadenleger. Auf Grund der höheren Anzahl von Fäden, die gleichzeitig vorgelegt werden können, sind niedrigere Legegeschwindigkeiten realisierbar, die die Abzugsgeschwindigkeiten der Fäden von den Aufmachungseinheiten auf etwa 1/8 bis 1/16 reduzieren /23/. Dadurch ist eine schonendere und deformationsarmere Fadenzuführung gewährleistet, die auch die Verarbeitung kritischer Materialien, wie z. B. dicker, bandförmiger Fäden, besser ermöglicht. Abbildung 9 zeigt den breiten Schussfadenleger der Triaxial- Nähwirkmaschine. Mittels dieses Schussfadenlegers lassen sich Verstärkungsfadenlagen in +/ Richtung in die Maschenstruktur einbringen, welche in üblicher Weise mittels Nähfadensystem gebildet wird. Weiterhin können 0 - Fäden eingetragen werden. Zusätzlich verfügt die Maschine über eine 90 - Fadenlegeeinrichtung. Damit bestehen Voraussetzungen für die Fertigung multiaxialer Verstärkungsstrukturen mit bis zu vier Fadenlagen in einer Breite von 795 mm. Abbildung 9 Rechts/ Links-Triaxialnähwirkmaschine mit breitem Schussfadenleger Grobe Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine An der groben Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine sind zwei neuartige Diagonallegeeinrichtungen vorhanden. Hierdurch können je Nadelbarre zwei Diagonalfadensysteme mit dazwischenliegendem 0 -Fadensystem direkt, d. h. ohne Vorlegen der Fadensysteme, in eine Rechts/Rechts-Maschenstruktur eingetragen werden. Die Legewinkel der Diagonalfäden sind variierbar. Weiterhin lassen sich zusätzliche 0 - und Seite 31

32 4 Textile Flächenbildungsverfahren 90 -Fadensysteme direkt maschenreihengerecht einbinden. Somit ist die maschinentechnische Basis zur Fertigung von Multiaxialgewirken gegeben. Auf Abbildung 10 ist die beschriebene Wirkmaschine einschließlich der einlaufenden Fadensysteme bei der Verarbeitung von Kohlenstoff- Filamentgarnen zu erkennen. Abbildung 10 Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine mit Multiaxiallegeeinrichtungen Die an dieser Maschine erfolgende direkte Vorlage der Verstärkungsfäden durch die Wirkwerkzeuge sichert ebenfalls geringe Fadenabzugsgeschwindigkeiten. Der servogesteuerte Antrieb der Fadenleger ermöglicht einen extrem variablen Strukturenaufbau, auf den in /24/ ausführlich eingegangen wird. Insgesamt lassen sich bis zu 10 Schussfadensysteme eintragen. Die Arbeitsbreite der Maschine beträgt zur Zeit 400 mm. Eine Erweiterung auf 1200 mm ist möglich Theoretische Betrachtungen zu herstellbaren Mustervarianten Mögliche Mustervarianten von der Rechts/Links- Triaxial- Nähwirkmaschine Neben der Erzeugung von Triaxial- bzw. Quadroaxialgewirken unter Einsatz von Glas- Filamentgarnen als Verstärkungsfäden, beispielsweise mit dem Lagenaufbau 0 / 90 / +45 / -45, bietet die Rechts/Links-Nähwirkmaschine mehrere Möglichkeiten zur weiteren anforderungsgerechten Ausbildung von Verstärkungsstrukturen, die nachfolgend kurz beschrieben werden. Realisierung von Rippenverstärkungen Seite 32

33 4 Textile Flächenbildungsverfahren Prinzipielle Lösungen zur Realisierung von Rippenverstärkungen bestehen durch Differenzierten Einzug der Verstärkungsfäden in die Legeeinrichtungen, Einsatz unterschiedlicher Feinheiten für die Verstärkungsfäden, auch durch gefachte Fadenverarbeitung, Kombination beider Maßnahmen. So wäre z. B. ein Triaxialgewirke herstellbar, das aus +/- 45 -Lagen und nur in den Randbereichen zusätzlich eingebrachten 0 -Fäden besteht, die als rippenartige Randverstärkung wirken. Die hierfür partiell in die 0 -Legeeinrichtung eingezogenen Fäden können die gleiche Feinheit aufweisen wie die Diagonalfäden. Es ist jedoch auch möglich, durch Mehrfacheinzug oder Verwendung gröberer Fäden die Verstärkungsrippen in Form lokaler Aufdickungen zu vergrößern. In diesem Bereich sind die maschenbildenden Nähfäden auf Grund des höheren Fadenverbrauches vom Gatter zuzuführen. Bei der Verbundbildung lässt sich ein solches gradiertes Gewirke mit normalen Triaxialgewirken oder anderen Verstärkungsstrukturen je nach geforderten Kennwerten kombinieren. Für eine praktische Realisierung derartiger Strukturen sind Modifizierungen der Fadenzuführung, der Wirkzone sowie im Bereich des Warenabzuges vorzunehmen. In analoger Weise könnte auch der Schussfadenleger unterschiedlich eingezogen und damit eine Gradierung in den diagonalen Richtungen erreicht werden. Auch hier sind Modifizierungen erforderlich, vor allem im Bereich der Transportketten. Die dort vorhandenen Einhängehäkchen müssen in der Lage sein, das zusätzliche Verstärkungsfadenmaterial aufzunehmen. Verbesserung der Bauteiloberfläche bzw. Sicherung der Oberflächenqualität Um eine hohe Oberflächenqualität der künftigen Bauteile zu sichern, kann, wie in /25/ bereits hingewiesen wird, zusätzlich ein Faservliesstoff, z. B. aus Polyester, in die Verstärkungsstruktur eingearbeitet werden, der später die Außenfläche bildet. Hierbei ist es möglich, diesen Vliesstoff als Zusatzkomponente direkt der Arbeitsstelle zuzuführen und ihn gemeinsam mit den vorgelegten Verstärkungsfadenlagen zu ü- bernähen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Verbindung zwischen Gewirke und Vliesstoff in einem separaten Arbeitsgang zu realisieren. Hierfür erfolgt die Zuführung beider Warenbahnen zur Wirkstelle sowie deren Verbinden durch Maschen. Verwirklichung hoher Vorfertigungsgrade Eine kostengünstige Bauteilherstellung ist dann realisierbar, wenn es gelingt, Prozessstufen bei der Fertigung einzusparen. Das ist u. a. durch Einsatz textiler Verstärkungsstrukturen mit hohem Vorfertigungs- und Vorformgrad möglich. Für die Erzeugung solcher Strukturen finden verschiedene Verfahren Anwendung, z. B. 2D- und 3D-Weben sowie -Flechten, Fügen unter Einsatz von Nähtechnologien, Kleben, Flachstricken [u. a. /26/ - /40/]. Seite 33

34 4 Textile Flächenbildungsverfahren Ein hoher Vorfertigungsgrad an der Rechts/ Links- Triaxial- Nähwirkmaschine lässt sich dadurch erzielen, dass z. B. die Gewirkebreite auf die doppelte Bauteilbreite ausgelegt wird. Durch unterschiedliches Gestalten der beiden Gewirke-Teilbreiten, die jeweils einer Bauteilbreite entsprechen, z. B. durch differenzierten Fadeneinzug in 0 -Richtung (Volleinzug - Teileinzug), entstehen zwei miteinander verbundene Gewirkeflächen verschiedener Beschaffenheit. Klappt man die beiden Flächen übereinander, erhält man eine bereits zweifach geschichtete Verstärkungsstruktur. Der Zuschnitt im Klappbereich sowie das nachträgliche Übereinanderschichten können hierdurch entfallen Mögliche Mustervarianten von der groben Rechts/ Rechts- Kettenwirkmaschine Die grobe Rechts/Rechts-Kettenwirkmaschine eignet sich vor allem auch auf Grund der elektronischen Steuerung der Fadenlegeeinrichtungen zur Herstellung von Multiaxialgewirken mit gezielten Gradierungen. So lassen sich lokale Verstärkungen/ Aufdickungen in Längs (0 )- und Querrichtung (90 ) gemäß der in nachfolgender Übersicht (Abbildung 11) aufgezeigten Lösungen erreichen. Abbildung 11 Übersicht zu partiellen Verstärkungsstrukturen Multiaxialgewirken Abbildung 12 soll noch einmal eine Gradierung in 90 -Richtung am Beispiel einer einfachen Struktur aus Kohlenstoff-Filamentgarn verdeutlichen, wobei hierfür auch heavy tows (Feinheit > 1600 tex) einsetzbar sind [/40/, /42/]. Seite 34

35 5 Grundkonzeption Abbildung 12 Beispiel für ein in 90 -Richtung gradiertes Gewirke Fazit Aus der Betrachtung der Möglichkeiten, welche die dargestellten Wirktechniken hinsichtlich eines belastungsgerechten Fadeneintrages sowie des Erreichens hoher Vorfertigungsgrade bieten, leiten sich Lösungen zur Bereitstellung innovativer Verstärkungsstrukturen für Bauteile der Verkehrstechnik ab. Zur wirktechnischen Umsetzung der theoretisch konzipierten Strukturen sind Modifizierungs- und Umrüstarbeiten an den Wirkmaschinen erforderlich. Hierdurch können Voraussetzungen geschaffen werden, um verwendungsangepasste Beispielstrukturen zu fertigen, diese zu Musterbauteilen weiterzuverarbeiten und auf Basis ermittelter Kennwerte zu charakterisieren sowie zu bewerten. Hierzu bedarf es der Kooperation zwischen Entwicklern und Herstellern der Verstärkungsstrukturen, Maschinenherstellern, Verbundbildungspartnern und Anwendern. 5 Grundkonzeption Die technologische Arbeitsreihenfolge wird durch die Vorüberlegungen zur Herstellungstechnologie für die angestrebten belastungsgerechten Strukturgelege, deren maschinentechnische Umsetzung und den Eigenschaften der möglichen Ausgangsmaterialien, von der Erzeugung der textilen Fläche bis hin zur Fixierung und Handhabung der Preform, bestimmt. Die erforderlichen Prozessstufen lassen sich damit in nachfolgende Einzelschritte konzeptionell untergliedern: Bereitstellung und Zuführung des Ausgangsmaterials, Ablage des Ausgangsmaterials zur Preformgeometrie, Fixierung der abgelegten Preformgeometrie zur Preform, Handhabung und Transport der Preform, Bauteilherstellung. Im zu entwerfenden technologischen Prozess sind die Einzelschritte zu einer Herstellungstechnologie zu verknüpfen und in einem Gesamtkonzept zur maschinentechnischen Realisierung umzusetzen. Seite 35