Textiler Leichtbau: Möglichkeiten der Funktionsintegration

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1 Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf Textiler Leichtbau: Möglichkeiten der Funktionsintegration Prof. Dr.- Ing. Heinrich Planck Direktor ITV Denkendorf Mitglied des Vorstandes DITF CEO ITV Produktservice GmbH Ordinarius Lehrstuhl für Textiltechnik Universität Stuttgart Stellv. Vorsitzender AFBW e.v. Mitglied des Vorstandes Leichtbauzentrum Baden-Württemberg e.v. VDI-Tagung Tuttlingen

2 Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf Mitglied der 2 Stiftung des öffentlichen Rechts 2

3 Fakten ITV Textiltechnik: gegründet 1921 in Reutlingen von der Industrie und Staat als Deutsches Institut für Textilindustrie 2012: ITV ca. 200 Mitarbeiter (50 % Wissenschaftler) + ITVP GmbH: ca. 63 Mitarbeiter, 55% der Industrieaufträge von KmU Kernkompetenzen: Systemübergreifende, interdisziplinäre Forschung und Entwicklung über die textile Produktionskette hinweg Material Verfahrenstechnik Maschinenbau Ziele: neue Produkte neue Marktsegmente in den Lead-Marketbereichen Technische Textilien / Mobilität / Gesundheit / Energie und Umwelt 3

4 Leistungsspektrum ITV Polymersynthese Naturfaser aufarbeitung Filamentherstellung Fasergarnherstellung Flächenherstellung Veredlung Konfektion Produkt- Entwicklung Testung ITV Pilotfabrik ITV Leichtbauzentrum Denkendorfer Zukunftswerkstatt ITV Produktservice GmbH Seit über 90 Jahren: interdisziplinäre Forschung für die Industrie auf produktionsnahen Anlagen 4

5 Unser Anspruch Internationale Führung in der systemübergreifenden Forschung und Entwicklung im Bereich Textil- und Verfahrenstechnik entlang der gesamten textilen Produktionskette Interdisziplinäre Exzellenz in den wichtigsten Textil- und Kunststoff- Verarbeitungsschritten und innovativen Lead-Market-Anwendungsbereichen wie Technische Textilen Medizintextilien / Medizintechnik Leichtbaustrukturen Smart Textiles Energie und Umwelt Material Verfahren Produkt 5

6 ITV ist auf den Zukunftsfeldern etabliert Gesundheit und Medizin Mobilität und Verkehr Umwelt und Energie Kommunikation und Information Nervenleitschiene Koop. mit NMI Emotionalität und Funktionalität Faserverbundwerkstoff Leuchttextilien Smart Textiles Nebelabscheider 6

7 Textile Verstärkungsstruktur für Leichtbau-Werkstoffe F&E ITV: Leichtbau mit integrierter Sensorik Massentauglicher Leichtbau: Voraussetzung für die Elektromobilität Legetechnik Stricken Integrierte Sensoren Weben Flechten Sticken Tuften 7

8 Die AFBW und ihre Mitglieder 85 Mitglieder 8

9 Motivation Leichtbau Beispiel Auto Mögliche 100 kg Gewichtsreduzierung bei der Auto Karosserie: 0,3...0,5 Liter Benzineinsparung / 100 km Gewichtsreduzierung durch: Hochfeste Stähle, tailored Blanks, Al-profile, Mg-Gußknoten Faserverbundwerkstoffe (FVW), FVW-Metall Leichtbau Bisher vor allem Langfaserverstärkungen (SMC, GMT, DLFT) Durch die hohen Leichtbauanforderungen zunehmender Bedarf an Endlosfaser bzw. langen Faserverstärkungen Textilien haben Vorteile im Crashverhalten, ermöglichen eine schnelle, kostengünstige Produktion und einfach realisierbare Funktionsintegration BMW Seitenwand Multiaxialgelege 9

10 Textiltechnische Funktionsintegration im Leichtbau Funktionsintegration: Ziel: Möglichst viele Funktionen reinpacken! Zu Lasten z.b. Sortenreinheit Einschränkung bzgl. Recycling Funktionsintegration durch - Material - Geometrie - Struktur - Integration von SMART-Materials 10

11 Textiltechnische Funktionsintegration im Leichtbau Funktions-Integration durch - Material - Beschichtung - Materialkombination - Geometrie: - Gekrümmte Pultrusion - Verzweigungsflechten - Abstandsstrukturen - Struktur - Mechanisch / Adaptiv, angepasste Steifigkeit / Partielle Flexibilität - Kraftoptimiert Optimierter Faserverlauf, - Integration von Verstärkungen - Einbindung von Kraftübertragungspunkten - Materialkombinationen - Aktorik - Nutzung von Zustandsänderungen - Einbau von Aktoren - Integration von SMART-Materials - Überwachung: Sensorik - Erwärmung / Kühlung 11

12 Material Hybridisierung Reduktion der Prozesszeit, Erhöhung Funktionalität Glass fibers Plastfasern Bico-Filamente Luftverwirbeln Pulextrusion Hybridisierung

13 Material Beschichtung Garnbeschichtung Flächenbeschichtung Materialhybridisierung Weben, Wirken, Stricken,..Flechten,. 13

14 Geometrie: Pultrusion ITV: Herstellung von komplex aufgebauten Faserverbundprofilen durch die kontinuierliche (Flecht-)Pultrusion Einstellbarkeit der Fadenwinkel durch Variation der Flecht- zur Abzugsgeschwindigkeit Veränderung der Steifigkeit durch Veränderung der Flechtwinkel Helixförmig verlaufenden Rovings: Strukturzusammenhalt / Erhöhung Torsionsstabilität Vorheizung Horizontalflechter [Fa. Krempel] [Quelle: Röchling] 14

15 Geometrie: Herstellung von Endlosfasereinlegern mittels Pultrusion Gerade & gekrümmte Profile Profile mit Thermoplastmatrix Crash Profile [Quelle: DLR für Fahrzeugkonzepte Stuttgart] ITV Flecht-Pultrusion [Fiberline Composites] [Airbus / CTC Stade] Mikrowellengenerator [Gaugler&Lutz] [Audi] 15

16 Geometrie: Pultrusion gekrümmter Profile: ITV / Fibre Bremen [zremb-ch.com] [Peter Testa, Carbon Tower] ITV: Pultrusion von O und T Profilen mit thermoplastischer Matrix: Nachverformbarkeit! 16

17 Geometrie: Flechten mit lastangepasster Fadenablage im Materialmix: geflochtene Verzweigungen/Preforms Projektpartner: Plant Biomim. G., Uni Freiburg ILK, Uni Dresden Biologie, Uni Dresden Fa. BMW Fa. Herzog Patentierter innerer Faserverlauf (Bionik) Die richtige Faser am richtigen Ort (Hybrid!) für spezielle Crasheigenschaften Maschinenentwicklung mit Fa. Herzog 17

18 Geometrie: Sandwich-Strukturen Entwicklungsansätze für Mehrlagenstrukturen (AiF N) Sandwichaufbau mit Krümmungen und Zwischenverstrebungen (Vorwerk) (Vorwerk) Sandwich mit wechselnden Abständen (erster Projektstand) Kammerstrukturen in der Konzeption (Van de Wiele) 18

19 Geometrie: Mehrlagen-/Abstandsstrukturen für Architektur und Automobil Fraktale Architektur mit gekrümmter Schalenstrukturen aus FVW - Modularer Aufbau durch einzelne vorgefertigte Elemente - Textile Struktur ist gleichzeitig Verstärkung und Schalung Vorbild Seeigel: Sanddollar [J. Nebelsick] Weitere mögliche Anwendung: Linsenförmige Sandwichstruktur im Flugzeugrumpf: keine Rippen notwendig [Zuardy, Zahlen, Vöge, FIBRE, CTC, Airbus]

20 Struktur: Textile Verstärkungsstrukturen Unterschliedliche Gewebbindungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften 20

21 Struktur: angepasste Steifigkeit Flexibilität / angepasste Steifigkeit - Kombination verschiedener Materialien als Bauteil Verbindungstechnik? - Partielle Einlage von Zusatzstrukturen im Bauteil (z.b. Einflechten, Einweben) - Reduzierung Fasermaterial? - Bisher nur schwer automatisiert realisierbar 21

22 Struktur: Optimierter Faserverlauf - Multiaxialstrukturen - Taylored Fibre Placement, - integrale Webtechniken - Preforming mittels Flechten - Nähtechniken 22

23 Struktur: Kraftflussgerechte Faserverlegung auf der Multiaxialmaschine (Fa. Cetex / Fa. Karl Mayer) 23

24 Struktur: Optimaler Faserverlauf / Faserlage Drehergewebe: Ondulationsreduziertes Gewebe Herstell.UD-/Biaxial-Gewebe [Easy Leno-Technik Fa. Dornier] Easy-Leno-Maschine am ITV Partielle Verstärkung Dornier Open Reed Weave Technologie : Lastangepasste Gewebe durch zusätzliche Rovingeinlage direkt beim Weben, Sensoren Grundgewebe 24

25 Struktur: Funktionale Strukturen: Flechten Geflechtsvariationen - Veränderung Flechtwinkel - Einbau von achsparalellen Fäden - Mehrfachflechtung - Kombination mit anderen Flächen 25

26 Struktur: Integration von Verstärkungsstrukturen Stickmaschine (ITV) Tailored fiber placement* [*Wikipedia: TFP] Preform of a carbon layer heating structure* Verstärkungsstrukturen [LayStisch Technologies] Prefoms aus Carbon und Glass Fasern* 26

27 Struktur: Optimale Faserausrichtung Taylored Fiber Placement Anlage der Fa. Coreolis 27

28 Struktur: Integration von Inserts Inserts - zur Krafteinleitung / - Ausleitung - Befestigung anderer Bauteile 20 mm Mittels Näh- oder Sticktechnik [IVW Kaiserslautern] 28

29 Struktur: Textile Verstärkungstechniken Aufgenähte Strukturen [Altin/KSL/DLR Braunschweig] Aufnähnen von Textilien [IVW Kaiserslautern] 29

30 Aktorik: Integration von Aktoren Pneumatikstrkturen Variantenreich in Form und Funktion: Große Kräfte bei niedrigem Innendruck: Einsatz als textiler Aktor: Innendruck 0,28 bar Zugkraft ~ 1000N 30

31 ITV: FVK-Leichtbau mit integrierter Sensorik Einarbeiten von Sensoren ins Bauteil / Textilien ITV-Gefrierfügen Tuften Ziel: Integration der Sensoren direkt ins Textil oder im Prozess Weben Flechten Pultrusion Projekt Sensor- Pultrusion (Röchling, Saertex, ITKE, BAM, ITV, Fiberware) 31

32 Weitere Potentiale der Textilien: Funktionsintegration Integration von smarten Funktionen nicht nur ins Bauteil sondern direkt ins Textil - Sensoren: Überwachung Fertigungsprozess, System-Monitoring, Zustandsüberwachung, - Passive/aktive Vibrationsdämpfung, Formadaption & Lärmreduzierung (Piezos) - Beleuchtung, Kommunikation: Integration von selbstleuchtenden Garne - Energieabgabe: Erwärmung Energy harvesting: Wärme, Photovoltaic, Piezofasern, Thermoelektr. Generatoren Integration der smarten Funktionen in die Faser - Neue Faserentwicklungen z.b. Bi-Komponenten-Fasern 32

33 Fazit - Die Textiltechnik bietet die unterschiedlichsten Möglichkeiten der Funktionsintegration - Massentaugliche Verfahren sind die Voraussetzung für die Akzeptanz im Automobilbau Forschungsbedarf und Erfahrung notwendig, um alle Möglichkeiten auszuschöpfen 33

34 Danksagung Wir danken - der Forschungsvereinigung»Forschungskuratorium Textil e.v und der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) für Zuwendungen im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung (IGF), bereitgestellt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. - dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung von Forschungsprojekten im Rahmen der Förderrichtlinie "BIONA Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien" - dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) für die finanzielle Förderung im Rahmen des Programms zur Förderung von innovativen Netzwerken (InnoNet) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages 34

35 Mehr Informationen? Herzlichen Dank! 35