1. Systematische Prüfung hochfester synthetischer Faserseile

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1 Untersuchung mechanischer Kennwerte sowie des Verschleißes von hochfesten synthetischen Faserseilen Dr.-Ing. Markus Michael, TU Chemnitz Dipl.-Ing. Nadine Reimann, TU Chemnitz Dipl.-Ing. Jens Mammitzsch, TU Chemnitz Technische Textilien, bestehend aus hochfesten synthetischen Fasern, sollen als Basis für Maschinenelemente dienen und einen wichtigen Ansatzpunkt für Leichtbaukomponenten bilden. Unter Maschinenelementen sind die kleinstmöglichen Struktur- bzw. Baueinheiten in technischen Gebilden zu verstehen. Die Stiftungsprofessur Technische Textilien - Textile Maschinenelemente arbeitet an hochfesten, gewichtreduzierten Zug- und Tragmitteln aus Hochleistungsfasern. Sowohl runde wie auch flache, riemenartige Strukturen werden untersucht. Dabei ist ein breites Anwendungsspektrum der textilen Elemente besonders wichtig. Die Grundlage hierfür soll in verschiedenen Forschungsvorhaben geschaffen werden. Auch die Entwicklung eines anerkannten Prüfverfahrens mit dem der Austauschbzw. Wartungszeitpunkt des textilen Tragmittels bestimmt werden kann, ist Bestandteil der wissenschaftlichen Untersuchungen. 1. Systematische Prüfung hochfester synthetischer Faserseile Im Vergleich zu Drahtseilen ist der Untersuchungsstand hochfester Faserseile noch immer unzureichend. Zwar wurden in bisherigen Versuchen bereits verschiedene mechanische Kennwerte wie Bruchbiegezahlen, Bruchkraft, Dehnung, Treibfähigkeit usw. ermittelt. Es ist jedoch nicht möglich, diese Werte unabhängig vom Material und vom konstruktiven Aufbau des Faserseiles zu betrachten. An der TU Chemnitz wurden folgende Grundlagenuntersuchungen, unter Variation der Herstellungs- und Materialparameter, an Faserseilen durchgeführt: Bruchbiegung Querverformung Reibwerte, Seil/Treibscheibe, Garn/Garn Wickelverhalten Kriechneigung UV-Beständigkeit Die Untersuchungen hinsichtlich der UV-Beständigkeit sind im Folgenden ausführlich beschrieben. Für technische Anwendungen, z.b. beim Heben, Anschlagen oder Befördern von Lasten, ist die Kenntnis der Witterungsbeständigkeit von Seilen aus synthetischen Fasern ein wichtiges Kriterium, um Einflüsse durch UV Strahlung und/oder Wasser einschätzen zu können, da diese zusätzlich zu den durch die Anwendung auftretenden Belastungen (Zug-, Biege- und Biegewechselbelastungen, Abrasion)

2 auf das Seil wirken und sich mit diesen überlagern. Die Mindestbruchkraft von Seilen ist ein Kennwert, der in vielen Fällen als Dimensionierungsgrundlage zum Ermitteln der zulässigen Betriebslasten bzw. Sicherheitsfaktoren herangezogen wird. Dabei werden alle Vorgaben für die zulässigen Betriebslasten anhand der Bruchkräfte von neuen, ungebrauchten Seilen erstellt. So sollen beispielsweise bei Faserseilen für allgemeine Anwendungen unter schwellender oder wechselnder Zugbelastung die maximalen Arbeitslasten 20% der Bruchkraft nicht übersteigen. Für Verankerungsanwendungen im Offshore-Bereich liegen wiederum die mittleren Zugbelastungen bei ca. 40% der Bruchkraft, wobei die Amplituden der Belastung mit ±10% der Bruchkraft um die mittlere Last wechseln dürfen. Von den Herstellern der Fasern bzw. Seile werden nur teilweise Werte zum Festigkeitsverlust unter Witterungseinflüssen angegeben, was unter anderem auch im Fehlen von speziell auf Seile zugeschnittenen Normen oder Prüfvorschriften begründet ist. Daher ist keine Einschätzung möglich, ob ein Einsatz unter den durch die Anwendung gegebenen Umwelteinflüssen über einen längeren Zeitraum tatsächlich zu Festigkeitsverlusten führt und in wie weit die Festigkeitsverluste durch Witterungseinflüsse das Betriebsverhalten der Seile beeinflussen. Als kritisch sind Witterungseinflüsse dann zu betrachten, wenn das Seil so stark geschädigt wird, dass die verbleibende Festigkeit auf Werte der im Einsatz zu erwartenden Belastungen sinkt, weil dann ein unvorhersehbares Versagen eintreten und zu Personen- und hohen Materialschäden führen kann. Solche Effekte sind vor allem bei Seilen mit Durchmessern unter 10 mm zu erwarten, die nicht mit einem Mantel umflochten oder auf andere Weise vor UV- und Witterungseinflüssen geschützt sind und mit (prozentual an der Bruchkraft gemessen) hohen Nutzlasten beaufschlagt werden. Die DIN EN beschreibt Verfahren und Durchführung eines Tests zur Prüfung von Geotextilien auf ihre Witterungsbeständigkeit. Geotextilien werden in vielen Bereichen der Landschaftsbebauung eingesetzt und müssen, da sie über längere Zeiträume den natürlichen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, besondere Anforderungen an die Witterungsbeständigkeit erfüllen. Es wurde dieses Prüfverfahren gewählt, weil die Norm eine intensive Belastung der Proben vorsieht, um in verkürzter Zeit die Reaktion von Textilien auf Bewitterungseinflüsse abbilden zu können. Die als Grundlage für die Bewitterungstests gewählte Norm, DIN EN 12224, legt als Bestrahlungsquelle Leuchtstofflampen nach ISO fest. Um die Auswirkungen der Bewitterung auf die Festigkeit zu untersuchen, wurden die Proben nach der Bewitterung auf ihre verbleibende Bruchkraft geprüft und mit den Proben im Lieferzustand bzw. nach der Reinigung verglichen. Die Zugprüfung wurde auf einer liegenden Zugprüfmaschine der Firma Zwick GmbH& Co. KG in Übereinstimmung mit DIN EN ISO 2307 durchgeführt. Als

3 Probenhalterung wurde eine Kombination aus Kraftabbaurollen und hydraulischen Klemmen genutzt (vgl. Abbildung 1). Abbildung 1: Probenhalter an der verwendeten Zugprüfmaschine Das Durchmesserverhältnis zwischen Durchmesser der Kraftabbaurolle und Seildurchmesser soll laut DIN EN ISO 2307 bei D/d 10 liegen. Es wurden Kraftabbaurollen mit einem Durchmesser von 120 mm gewählt, womit ein Durchmesserverhältnis von D/d = 20 erreicht wurde. Zur Messung der Dehnung wurden optische Wegaufnehmer verwendet und entsprechend den Vorgaben der DIN EN ISO 2307 in den freien Seilbereich zwischen den Kraftabbaurollen gelegt. Die Proben wurden gemäß DIN EN ISO 2307 unmittelbar vor der Prüfung bis zum Bruch drei Setzzyklen bei 50% der zu erwartenden Bruchkraft unterzogen. Da Dyneema auf den aus Stahl gefertigten, brünierten Kraftabbaurollen sehr schlechte Hafteigenschaften hat, wurde mit vier statt der üblichen drei Umschlingungen der Kraftabbaurollen gearbeitet, da sonst die an der Klemme wirkenden Querkräfte zu einem Bruch an der Klemme führen.

4 Bruchkraft [N] Bewitterung hochfester Fasern nach DIN EN Dyneema SK75 Technora T221 Vectran T UV-Bestrahlungsenergie [MJ/m²] Abbildung 2: Restbruchkräfte von Seilen (d=6mm) nach UV-Bestrahlung Die Versuche zeigen, dass die verfügbaren Angaben der Hersteller aufgrund abweichender Prüfparameter sowie unterschiedlicher Probengeometrien nicht miteinander vergleichbar sind. Es wird daher empfohlen, ein Seil, welches in einem bestimmten Anwendungsfall unter UV-Belastung eingesetzt werden soll, vor dem Einsatz auf seine UV- bzw. Witterungsbeständigkeit zu prüfen. Darüber hinaus ist ein UV-Schutz in jedem Fall ratsam, wenn die genaue Belastung des Seiles mit UV-Strahlung während der vorgesehenen Einsatzdauer nicht ausreichend genau abgeschätzt werden kann.

5 2. Entwicklung neuer Maschinenelemente auf Basis hochfester Fasern Bei bisherigen Arbeiten [6] wurde festgestellt, dass Faserseile unter Belastung ihren kreisrunden Querschnitt verlieren. Abbildung 3: Ovalisierung des Seilquerschnitts unter Einwirkung einer Normalkraft F N Eine mögliche Lösung für die daraus entstehenden Probleme ist die Entwicklung gurtähnlicher Zug- und Tragmittel aus hochfesten Fasern. Dabei werden in einem ersten Prozessschritt geflochtene Faserseile als Zugträger belastungsgerecht in eine extrudierte Kunststoffmatrix eingebettet oder mittels Flecht-/Webtechnologien in Bändern aus hochfesten synthetischen Fasern positioniert und fixiert. Sie bilden die Grundstruktur des neuartigen textilen Bandes und bieten die Möglichkeit Sensorik zur Überwachung des Seilzustands/Belastungshistorie oder Elemente zur Signalübertragung zu integrieren. Abbildung 4: Möglicher bandartiger Verbund von Zugträgern mittels Webtechnologie Der in Abbildung 4 aufgeführte gewebte Verbund weist die folgenden Vorteile auf: hohe Reißfestigkeit gute Biegeflexibilität

6 geringer Verschleiß Integration von Zusatzfunktionen Möglichkeit der Signalleitung Möglichkeit zur Medienführung Sensorik zur Zustandsüberwachung Dieser Aufbau ermöglicht sowohl den Betrieb mittels Treibscheibenantrieb als auch den Windenbetrieb. Der Betrieb einer Bandwinde bedarf noch weiterer Entwicklungsarbeiten. So ist die Drehzahl des Windenantriebs mit konstanter Geschwindigkeit, bzw. unter vorgegebener Geschwindigkeit genauestens zu steuern. Weiterhin liegt ein besonderes Augenmerk auf der Wickelstruktur. Auf Grund der strukturierten Oberfläche entstehen Wickelungleichmäßigkeiten. Diese müssen so gering wie möglich gehalten werden, um einen kreisrunden Wickelquerschnitt zu erhalten. 3. Kopplungs- und Fügeverfahren zur Krafteinleitung Besondere Bedeutung wird der Ankopplung der neuen Maschinenelemente in bereits bestehende technische Anlagen zukommen. Denkbar sind beispielsweise vernähte Verbindungen, Schrumpfverbindungen oder Spritzgussverbindungen. Zu klären sind jeweils die grundsätzliche Eignung der jeweiligen Verbindung, der Einfluss technologischer Parameter des jeweiligen Verfahrens auf die Eigenschaften des Maschinenelementes (z.b. Temperatur beim Spritzgießen) sowie notwendige Änderungen oder Erweiterungen. Die Art der Krafteinleitung in das Textil stellt ein wichtiges Problemfeld beim Einsatz von synthetischen Hochleistungsfasern dar. Jedes Seil kann unabhängig von Machart, Material und Durchmesser nur mit der Kraft beaufschlagt werden, die durch die Endverbindung in das Seil eingeleitet wird. Diese ist oftmals eine Schwachstelle im Seilverbund, die zu einer massiven Überdimensionierung des Zugmittels führt. Die heutigen mechanischen Endverbindungen sind in der Lage zwischen 60% und 85% der Nennbruchlast des Seils zu übertragen. Seilendverbindungen müssen sowohl statische als auch dynamische Kräfte übertragen, die gleiche Temperaturstabilität wie das Ausgangsmaterial und die geforderten Freiheitsgrade aufweisen. Die Konstruktionen sind daher hohen Anforderungen unterworfen. Zum Beispiel sollte die Verbindung mit geringem Aufwand montier- und demontierbar gestaltet und zudem noch leicht, kompakt und kostengünstig sein. Verbindungsmechanismen aus dem Drahtseilsektor können aufgrund der höheren Knick- und Druckempfindlichkeit der textilen Geflechte sowie der Neigung zum Kriechen der Fasern, nicht ohne weiteres auf die synthetischen Seile übertragen werden. Einen möglichen Ansatz zur Lösung dieses Problems bildet die biologische Verbindung Sehne - Knochen. Der Wirkmechanismus von Periost (Knochenhaut) und Knochen beruht auf dem Einschnüren der schlauchförmigen Sehne. Beim

7 Aufbringen einer Stranglast entsteht durch das Einschnüren eine Reibkraft zwischen Knochen und Periost, die der Stranglast entgegen gerichtet ist. In Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Biomechatronik an der Technischen Universität Ilmenau entstand ein Endverbindungskonzept (siehe Abbildung 5), welches einen Teilmechanismus des oben Sehnenansatzes umsetzt. Dabei wird die Verbindung eines niedermoduligen Werkstoffes (Sehne) mit einem hochmoduligen Werkstoff (Knochen) fokussiert und über ein bionisches Konzept in die Technik und damit speziell auf Anwendungen in der Seiltechnik übertragen. Dieser Ansatz umfasst genaue Untersuchungen zum technisch bekannten Spleiß und vertiefende Untersuchungen des Sehnenansatzes an den Knochen bei Wirbeltieren, speziell beim Mensch. Über die Betrachtung der Analogien der Wirkmechanismen Sehne/Knochen und Faserseil/Verbindungselement soll ein Modell entwickelt werden, mit dem die Kräfte eines belasteten Seiles direkt für die Berechnung der zu gestaltenden Endverbindung eingesetzt werden können. Für die Endverbindung wird ein Dorn in das Seil eingebracht, welcher das Kopplungselement zwischen krafteinleitender Wirkstelle und dem Seil darstellt. Bei ersten Auszugversuchen haben sich folgenden Einflussparameter des Dornes als prägnant herausgestellt: Länge Geometrie Oberfläche Folgende Parameter blieben bei den Vorversuchen konstant: Seilgeometrie Dornwerkstoff Art der Seilfixierung auf dem Dorn Flechtseil Kern-Ummantelung Stahl- Abbildung 5: Flechtseil mit integriertem Stahl-Dorn (schematisch) Für die Auszugversuche wurde ein 12mm-Flechtseil aus Polyester verwendet. Die ermittelte Seilbruchkraft nach DIN EN 2307 beträgt für dieses Seil 31,05kN (Referenzwert der Nennbruchkraft). Beim Einsatz eines Dornes mit einer Einstecktiefe von 190mm liegt die Auszugkraft bei ca. 25kN und erreicht somit ca. 80,6% der Nennbruchkraft. In Abbildung 6 wird der Kraftverlauf in Abhängigkeit

8 von der Dehnung dargestellt. Die Kraftschwankungen resultieren aus dem Stick- Slip-Effekt zwischen Dorn und Seil während des Zugversuchs. Dieser Effekt resultiert aus der Strukturdehnung im Seil, welche auf Grund des Störkörpers (Dorn) auch bei fast 100%er Bruchkraft nicht vollständig abgebaut werden kann. Es muss untersucht werden, welchen Einfluss die Dorngeometrie auf den Kurvenanstieg, die maximale Bruchkraft und den auftretenden Stick-Slip-Effekt hat. Abbildung 6: Auszugversuch mit 190mm Dorn In einer zweiten Versuchsreihe wurde der Einfluss der Dornlänge auf die Bruchkraft untersucht. Dazu wurde der Probedorn von 190mm auf 120mm gekürzt. Alle weiteren Geometriemerkmale des Dornes blieben konstant. In Abbildung 7 wird der Verlauf der Kraft-Dehnungs-Kurve aufgezeigt. Die erreichte Bruchkraft stieg gegenüber dem langen Dorn von 25kN auf 28kN. Der Kurvenverlauf unterscheidet sich deutlich vom ersten Versuch. Die größeren Kraftschläge resultieren aus dem Versagen (Bruch) einzelner Litzen in der Nähe der Klemmstelle. Eine mögliche Ursache für den gesteigerten Kraftverlauf ist, dass die Relativbewegung der einzelnen Litzen auf dem 190mm langen Prüfdorn stark eingeschränkt wird. Dies führt zu einer lokalen Einschnürung in unmittelbarer Nähe der Dornspitze und somit zu einer Reduzierung der maximalen ertragbaren Bruchkraft. Das mögliche Optimum der Dornlänge liegt daher zwischen 120mm und 190mm für ein 12mm-Polyesterseil.

9 Abbildung 7: Auszugversuch mit 120mm Dorn

10 4. Etablierung eines Prüffelds im Bergbau Im Rahmen eines Kooperationsvertrages zwischen der TU Chemnitz und der NDH Entsorgungsbetreibergesellschaft mbh in Bleicherode/ Thüringen ist es der Stiftungsprofessur gelungen, ein Prüffeld für synthetische Faserseile in einer Bergwerksumgebung einzurichten. Neben den fokussierten Forschungsarbeiten am Faserseil unter realitätsnahen Einsatzbedingungen können Seminare für Studenten sowie Weiterbildungen für Mitarbeiter in einem eigens dafür eingerichteten untertägigen Veranstaltungsraum durchgeführt werden. Das Prüffeld (siehe Abbildung 8) umfasst eine Arbeitsbühne, die im Schacht angebracht ist, sowie verschiedene zwischen den Spurlatten installierten Prüfstände, wie zum Beispiel einen Kriech- und einen Treibscheibenprüfstand. Mit deren Hilfe können Versuche unter Tage mit Prüflängen von bis zu 100m durchgeführt werden Abbildung 8: links: schematische Darstellung des Bergwerkbereichs in Bleicherode; rechts: schematische Darstellung des Prüffelds im Schacht 2

11 5. Zusammenfassung Anhand von Feldversuchen in fördertechnischen Anlagen im Bergbau und in der Intralogistik, z. B. bei Kranen, soll erstmals der vollständige Nachweis geführt werden, dass textile Strukturen in technischen Anwendungen eingesetzt werden können. Der Nachweis umfasst die Validierung einer Vielzahl von Einzelschwerpunkten wie die Optimierung der Herstellungstechnologie, die Dimensionierung von Tragmitteln wie z.b. Seilen, die Erbringung von Festigkeitsnachweisen und Vorschriften sowie die Erprobung der Verfahren zur Zustandsüberwachung. Literatur [1] Feyrer, K.: Drahtseile. Springer Verlag 2002 [2] Vogel, W., Feyrer, K.: W. Vogel: Hochfestes Faserseil beim Lauf über Seilrollen. Draht 42 (1991) 11, S [3] J. W. S. Hearle, et. al.: High Performance Fibres, ISBN: , 2001, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, England [4] McKenna, H.A.; Hearle J.W.S.; O Hear, N: Handbook of fibre rope technology, ISBN: , 2004, Woodhead Publishing Ltd., Cambridge, England [5] DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN EN Geotextilien und geotextilverwandte Produkte; Allgemeine Prüfverfahren zur Bewertung nach Beständigkeitsprüfungen, 2000, Beuth Verlag, Berlin [6] Michael, M., Vogel, W.: Ovalisierung von hochfesten Faserseilen in Rundrillen. Euroseil (2010), S.57-59