Faserbasierte Funktionswerkstoffe vs. Faserbasierte Konstruktionswerkstoffe

Transkript

1 Wissenschaftstag 2013 DLR Faserbasierte Funktionswerkstoffe vs. Faserbasierte Konstruktionswerkstoffe Gunnar Seide, Thomas Gries Braunschweig

2 Textiltechnik [i n t r ε s a n t] Ausgesprochen interessant! e

3 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 3

4 Applikationsfeld Mobilität Struktur Monocoque Stoßfänger Karosserie Sicherheit Airbag, Sicherheitsgurt Crashelemente Transmission Mechanical Rubber Goods Reifencord, Keilriemen Komfort, Interieur, Akustik Bezüge, Teppich Dämmelemente Quellen: bahn.de, godiplast.info, wissen.de

5 Applikationsfeld Bauen und Wohnen Strukturwerkstoff Fassaden aus Textilbeton Sanierung Innenausbau Innenraumkomfort Teppich Heimtextilien Smart Interieur Geotextilien Tief- und Straßenbau Agraranwendung Membranbau Membrane und Seile Funktionsintegration

6 Applikationsfeld Gesundheit Tissue Engineering Bindegewebe Kardiovaskulär Orthopädie Hygiene Gesundheit/Well-being Bedarfsartikel Disposables Medizintextilien Aktive Wundversorgung Krankenhaustextilien Health Monitoring Risikopatienten Sport Arbeitsplatz

7 Applikationsfeld Energie Energiewandlung Hochtemperatur-FVK Faserverstärkte Metalle Faserverstärkte Keramik Alternative Energien Windkraft Brennstoffzellen Energieeffizienz Baubereich Energiegewinnung Klimatisierung Isolation Energieeffizienz Produktion Antriebs- und Steuerungstechnik Thermischer Nutzungsgrad (Druck-) Luftverbrauch

8 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 8

9 Werkstoff Bauteil Fasern und Textilien - Multiskalenmodell Bauteil Warum Fasern? Festigkeit & Steifigkeit Flexibilität & Dehnbarkeit Oberfläche & Porosität Faser Garn Textil Verbund Multiskala Darum Textil: Weich bis ganz elastisch - steif, fest Rollbar, faltbar, drapierbar - steif und dimensionsstabil Hochsaugfähig - dicht 5-10 % aller Werkstoffklassen sind Fasern!

10 Textile Gestaltungsebenen I Werkstoff + Faser Garn Commingling Friktionsspinnen Precursorspinnen für Carbonfasern Cabilieren Ofenprozesse der Carbonfaserherstellung

11 Textile Gestaltungsebenen II Textile Flächengebilde Multiaxialgelege Biaxialgelege 3D Textilien 3D-Geflecht Abstandsgewirk

12 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 12

13 Beispiel Fasern mit Betonmatrix - Textilbeton Textile Bewehrungsstrukturen Carbon-, AR-Glas-, Basaltfaserrovings 2D-Gewirke, Drehergewebe 3D-Gewirke Feinbetonmatrix Größtkorn 2-5 mm Angepasste Fließeigenschaften Hohe Oberflächenqualität Verbundwerkstoff Textilbeton Korrosionsfrei Lastgerecht konstruiert Hohe Designfreiheit 2D-Textil Verbundbauteil Textilbeton Abstandsgewirk

14 Beispiel Fasern mit Betonmatrix - Textilbeton Fußgängerbrücke in Albstadt Abmessungen Länge: 100 m Breite: 3,2 m Konzept: Sechs verspannte Elemente Textilbewehrung für Oberflächen und Querkraft Längsbewehrung mit Bauherr: zusätzlichen GFK-Stäben Fa. Groz-Beckert und Stadt Albstadt, 2010 Fußgängerbrücke in Albstadt Quelle: Groz-Beckert, Albstadt IMB, bauko2 RWTH Aachen University

15 Beispiel Fasern mit Betonmatrix - Textilbeton

16 Beispiel Aramid-Fasern mit Polyamidmatrix Ballistikschutz

17 Beispiel Aramid-Fasern mit Polyamidmatrix Ballistikschutz Ziel Schnelle Konsolidierung von Ballistikschutzbautelen, geringere Zykluszeiten, Kostenreduktion Ansatz: Material Biaxialgestrick Multiaxialgestrick Binderverfestigte Gelege Biaxiale Gewirke Biaxiale Gelege Multiaxiale Gewirke 3D-Abstandsgewirk mit Dickensprung 3D-Geflechte Biaxiale Biaxialgestrick Gestricke Multiaxiale Multiaxialgestrick Gestricke Drehergewebe 3D-Abstandsgewirk Abstandsgewirke Abstandsgewebe Prozess

18 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 18

19 Funktionsfasern Eben nicht nur Festigkeitsträger Schnittschutz UV-Schutz Isolation Lichtleitung Wirkstoffabgabe Stromleitung (Signale übertragen) Leuchten Sensorfunktion Aktorfunktion 19

20 Funktionsfasern

21 Elektrische Leitfähigkeit Material und Verarbeitung PP oder PE + multiwalled carbon nanotubes (MW-CNT) Compoundierung mit dem Doppelschneckenextruder Microcompounder Twin screws Fiber path Winder Schmelzspinnen auf Mikrospinnanlage Mikrospinnanlage 21

22 Elektrische Leitfähigkeit Analytik durch Elektronentomographie Transformation in 3D-Model Informationen Lage der CNT im Volumen Abstand zwischen den CNT Orientierung zur Faserachse Rekonstruktion eines CNT-Netzwerkes 22

23 specific resistivity ρ [Ω cm] Elektrische Leitfähigkeit Perkolationsschwelle Polymer PP 3 % LDPE 7 % PA6 5 % Perkolationssch welle [w%] 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 1,00E+02 1,00E+01 1,00E+00 1,00E-01 LDPE PP PA6 0 2,5 5 7, , ,5 20 CNT concentration x [w%] PP besser geeignet als LDPE oder PA 6 23

24 Piezoelektrische Fasern aus PVDF Verschiedene kristalline Strukturen α-phase β-phase γ-phase Nur die β-phase zeigt piezoelektrische Eigenschaften Mechanische Deformation Erzeugung von elektrischer Spannung (Sensor) Anlegen von Spannung Deformation der Faser (Aktuator) Sensor Aktuator 24

25 Piezoelektrische Fasern aus PVDF Prozesskette E F U Material Melt spinning Fibre drawing Polarization electroding α-phase (non-polar) β-phase (not polarized) β-phase (polarized) 25

26 Piezoelektrische Fasern aus PVDF DR = 1 DR = 2.6 DR = 4.1 Verstreckungsgrad α-phase (nicht polar) Mischphase (teilpolar) β-phase (polar) 26

27 Piezoelektrische Fasern aus PVDF 27

28 Piezoelektrische Fasern aus PVDF 28

29 Paul Schlack Preis Dr.-Ing. Stephan Walter Internationale Chemiefasertagung in Dornbirn gestern

30 Polymeroptische Fasern (POF) Motivation Lichtleiter zur Datenübertragung bekannt Stand der Technik PMMA mit Beschichtung oder Glas Günstige Lichtleiter fehlen Höhere Dämpfung und Streuung ist für viele Anwendungen akzeptabel Wenn der Preis stimmt Lichtemission eines optischen Lichtleiters 30

31 Polymeroptische Fasern (FOF) Hopper for PMMA granulate Melt line Spinning pump Take-up Single screw extruder Spinning nozzle Height adjustable guide roll to control the dwell time Tempered water quench Herstellung Optische Bank 31

32 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 32

33 Einsatz von PVDF Fasern in Laminaten als Sensoren Zugspannung in Richtung der Fasern Zugspannung quer zur Faserrichtung M1-1 M x Struktureffekt Lastrichtung ist im Signal erkennbar 33

34 Einsatz von PVDF Fasern in Laminaten als Sensoren Plotting of data points (signal over displacement) 3 Signal [a.u.] ,5 0 0,5 1 Displacement [a.u.]

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37 Lichtleiter trifft auf Beton Lichtleiter in Beton Fa. Lucem GmbH, Stolberg Anwendungen Innenausbau Fassaden Hand vor und hinter einem Lichtbetonelement Verschiedene Ausführungsvarianten 37

38 Weltweit erste Fassade aus Lichtbeton Brückenschlag vom Labor in die Praxis Realisierung durch die LUCEM GmbH, Stolberg (Spinn-Off des ITA)

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42 Gliederung Applikationsfelder des ITA Einleitung Textile Strukturen Beispiele für Strukturwerkstoffe Textilbeton Aramidverstärktes PA Beispiele für Funktionsfasern Elektr. Leitung Sensorik Polymeroptische Fasern Kombinationen? Zusammenfassung 42

43 Zusammenfassung In Konstruktionswerkstoffen sind Fasern im Wesentlichen Festigkeitsträger Jedoch Fasern aus Funktionswerkstoffen können mehr z.b. Elektr. Leitfähigkeit Sensorfunktion Lichtleitung Kombinationen sind möglich! Prozess, Material, Struktur, Eigenschaft sind Abhängig Maschinenbau Werkstoffanalytik Werkstoffentwicklung müssen kombiniert werden Es gibt noch viel zu tun! 43

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

45 Priv.-Doz. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Gunnar Seide Institut für Textiltechnik RWTH Aachen University (ITA) 45