Gewebte maßgeschneiderte Verstärkungshalbzeuge für den Einsatz in der Faserverbundgroßserie

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Mona Bretz
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1 Gewebte maßgeschneiderte Verstärkungshalbzeuge für den Einsatz in der Faserverbundgroßserie Chance Textil, Ausbildungszentrum der Rheinischen Textilindustrie e.v. & Berufskolleg Werther Brücke der Stadt Wuppertal Christopher Lenz, Benedikt Wendland, Thomas Gries Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (ITA), Aachen

2 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 2

3 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 3

4 Studierende in 130 Studiengängen Institute mit 496 Professoren/innen Mitarbeiter (davon 65% Wissenschaftler) 788 Mio Haushaltsvolumen, davon: 315 Mio Drittmittel 4 Quelle: RWTH Aachen, Fotos Peter Winandy

5 Rohstoffe: Naturfasern, Polymere,... Textile Halbzeuge & Produkte Applikationsfelder Die Alleinstellung des ITA Durchgängige textile Prozessketten Mobilität Bauen & Wohnen Gesundheit Technologie- und Kompetenzfelder Energie 5

6 öffentlich Streng vertraulich Das ITA - Fakten und Zahlen Personal: 100 Wissenschaftliche Angestellte 55 Mitarbeiter/innen in den Serviceabteilungen 190 Studentische Hilfskräfte 50 Studierende Vertiefung / Jahr Grundlagenprojekte ca. 30% Planmittel ca. 4% Forschung und Lehre Öffentliche Drittmittel-Forschung Akademische Lehre und gewerbliche Ausbildung Entwicklung und Transfer Direkte Industrieforschung Weiterbildung Verbundprojekte Industrie/ Institut ca. 35% teilöffentlich Budget: ca. 12 Mio. Direkte Industrieforschung ca. 31% 6

7 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 7

8 Motivation Bauteilherstellung in Faserverbundbauweise sehr kostenintensiv Komplexe Bauteile Vielstufige Herstellungsprozesse Hohe Verschnittmengen Abb.: Dachelement eines PKW Abb.: Teil einer Seitentüre eines PKW Abb.: Unterbodenstruktur PKW 8 Quellen: AVK, ITA

Reduzierung der Prozessstufen im Preforming Beispiele Tailored Non-Crimp-Fabric Multiaxialgelege

9 Motivation Ansatz: Maßgeschneiderte ( tailored ) Verstärkungshalbzeuge Idee Lokale Einstellung von Eigenschaften Endkonturnah Einstufige Herstellung Vorzüge Einsparung von Verschnitt Reduzierung der Prozessstufen im Preforming Beispiele Tailored Non-Crimp-Fabric Multiaxialgelege mit Kettfadenversatz Tailored Fiber Placement Abb.: Tailored NCF Abb.: Tailored Fiber Placement 9 Quelle: ITA

industriellen Webmaschinen Hohe Produktivität Ausgereifte

10 Motivation Tailored Preforms auf Basis von Geweben Profilgewebe Lokal verstärkte Gewebe Hergestellt auf industriellen Webmaschinen Hohe Produktivität Ausgereifte Maschinentechnik Freie Verfügbarkeit Geringe Technologiehürde 10 Quelle: ITA

11 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 11

Profilgewebe Mehrlagengewebe mit nur stellenweiser Verbindung zwischen den Lagen Weben im

12 Profilgewebe Ansatz: 3D-Gewebebindung Definition 3D-Gewebe Gewebe bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Kett- und Schusssystemen Verbindung durch Polfadensystem(e) Herstellungsprinzip Profilgewebe Mehrlagengewebe mit nur stellenweiser Verbindung zwischen den Lagen Weben im zusammengefaltetem Zustand Abb.: Beispiel für 3D-Gewebe Abb.: Prinzip der Herstellung von Profilgeweben 12 Quelle: ITA

13 Profilgewebe Herstellung Schützenweben Fadenöse Ring mit Fadenauge Schussfadenspule Bremslöffel Feder Antriebsführung Nadelweben Kettfäden Riet Kettfäden Schussnadel Wirkfaden 4 Zungennadel Vermaschung 5 Webkante Webkante Wirkkante Wirkkante 13 Quellen: Kipp, Cherif

14 Profilgewebe Herstellung Schützenweben Vorteile Nachteile Sehr hohe Bindungsfreiheit Geringe Produktionsgeschwindigkeit Erzeugung einer echten Webkante Häufige Prozessunterbrechungen Hohe Fadenbelastung Nadelweben Vorteile Sehr hohe Schussfrequenz möglich Kaum Prozessunterbrechungen Geringere Rovingschädigung Nachteile Geringe Bindungsfreiheit Keine echte Webkante 14 Quellen: Kipp, Cherif

15 Profilgewebe Produktbeispiele Profilquerschnitte T-Profil Omega-Profil I-Profil JF-Profil 15 Quelle: ITA, vom Baur

Produkteigenschaften Erhöhte Energieaufnahme Hohe

16 Profilgewebe Vorzüge von 3D-Profilgeweben Bauteilherstellung Einstufiger Preformingprozess Hohe Reproduzierbarkeit Produktivität Produkteigenschaften Erhöhte Energieaufnahme Hohe Delaminationssicherheit Verbessertes Impact-Verhalten Abb.: Biegeprüfung an gewebtem T-Profil 16 Quelle: Wendland

17 Profilgewebe Beispielhafter Vergleich mit konventionellem Profil 17 Quelle: Wendland

führen zu Faserschädigung Prozessgeschwindigkeit noch zu gering Weiterverarbeitung Auffalten bisher nicht automatisiert Tränkverhalten

18 Profilgewebe Bestehende Herausforderungen Auslegung: komplexe Textilstruktur Zusammenhänge von Textilparametern und Eigenschaften unzureichend untersucht Anspruchsvolle Bindungsgestaltung Abbildung in Simulation nur schwer möglich Prozesstechnik Hohe Fadendichten führen zu Faserschädigung Prozessgeschwindigkeit noch zu gering Weiterverarbeitung Auffalten bisher nicht automatisiert Tränkverhalten nicht umfassend untersucht Verringerter Faservolumengehalt Abb.: Anhäufung von Filamentbrüchen Abb.: Simulation des Tränkverhaltens 18 Quelle: ITA

19 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 19

Lokal verstärkte Gewebe Technologie: Open Reed Weben (ORW) Zwei zusätzliche, über die Webbreite verschiebbare Fadensysteme Verschieben der Multiaxial-Fäden über Verlegenadeln (max.

20 Lokal verstärkte Gewebe Technologie: Open Reed Weben (ORW) Zwei zusätzliche, über die Webbreite verschiebbare Fadensysteme Verschieben der Multiaxial-Fäden über Verlegenadeln (max. 30 cm) Einbinden der Multiaxial-Fäden durch Absenken der Nadeln Absenken wird durch offene Rietlücken ermöglicht Offene Rietlücken Verlegenadeln Spezial-Riet Grundkett-Fäden Multiaxial-Fäden Lokale Verstärkung Schusseintrag Gewebe-Niederhalter Gewebe-Abzug 20 Quelle: ITA

21 Lokal verstärkte Gewebe Prozess 21 Quelle: ITA

Lokal verstärkte Gewebe Potential Einstufige Herstellung lokal verstärkter Gewebe Reduzierung Verschnitt Verringerte Anzahl Prozessschritte im Preforming Verbesserte Qualitätssicherung Flexible

22 Lokal verstärkte Gewebe Potential Einstufige Herstellung lokal verstärkter Gewebe Reduzierung Verschnitt Verringerte Anzahl Prozessschritte im Preforming Verbesserte Qualitätssicherung Flexible Gestaltung von Verstärkungen Anwendbar für unterschiedliche lokale Lastfälle Lochleibung Kerbwirkung Punktuelle Krafteinleitung Lastgurte Abb.: Eingebrachte partielle Verstärkung Abb.: Lokal verstärktes Gewebe aus Carbonrovings 22 Quellen: Lindauer Dornier GmbH, ITA

23 Lokal verstärkte Gewebe Beispiele für untersuchte Lastfälle: Lochleibung Prüfung durch Auszugversuch mit Bolzen Untersuchung verschiedener Verstärkungsgeometrien Steigerung in ertragbarer Maximallast bis zu 80 % Abb.: Geprüfte Probe Riss Loch Abb.: Vorgehen zur Untersuchung Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse 23 Quelle: ITA

24 Lokal verstärkte Gewebe Beispiele für untersuchte Lastfälle: Kerbwirkung Prüfung im Open-Hole-Tensile-Test Ziel: Reduzierung von Spannungsspitzen durch Verstärkungsfäden Riss Loch Abb.: Geprüfte Probe Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse (in 45 -Richtung) 24 Quelle: ITA

Maschinenmodifikation möglich Produktionsplanung Fehlende Kenntnisse zur Wirtschaftlichkeit Bei Auslegung Berücksichtigung

25 Lokal verstärkte Gewebe Bestehende Herausforderungen Auslegung Bisher nach Gefühl Wenig Erfahrungswerte Anspruchsvolle Bindungsgestaltung Prozesstechnik Produktionsgeschwindigkeit eingeschränkt Verarbeitung von Carbon/Glas nur mit Maschinenmodifikation möglich Produktionsplanung Fehlende Kenntnisse zur Wirtschaftlichkeit Bei Auslegung Berücksichtigung gesamter Prozesskette (Preforming) nötig Abb.: FEM-Modell für lokal verstärktes Gewebe Abb.: Selbstkonzipierte Fadenzuführung 25 Quelle: ITA

26 Gliederung 1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen 2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien 3 Profilgewebe 4 Lokal verstärkte Gewebe 5 Zusammenfassung 26

27 Zusammenfassung Maßgeschneiderte gewebte Preforms Sind ein vielversprechender Ansatz zur effizienten Reduzierung der Preformingkosten Durch Einsparung von Verschnitt Durch Reduzierung notwendiger Prozessstufen Weil auf industriell verfügbaren Maschinen herstellbar Werden am ITA derzeit intensiv erforscht Am Beispiel von Profilgeweben In Form von lokal verstärkten Geweben Erfordern noch tiefergehende Untersuchungen hinsichtlich Auslegung Prozesstechnik Weiterverarbeitung 27

28 Das Institut f ür Textiltechnik der RWTH Aachen University Christopher Lenz Abteilungsleiter 2D reinforcement fabrics Christopher.Lenz@ita.rwth-aachen.de Benedikt Wendland Hauptabteilungsleiter Composites fabric production benedikt.wendland@ita.rwth-aachen.de

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