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

02.03.2015

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

2

5 Zusammenfassung

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

3

5 Zusammenfassung

Quelle: RWTH Aachen,

Fotos Peter Winandy

38.000 Studierende in 130 Studiengängen

260 Institute mit 496 Professoren/innen

6900 Mitarbeiter (davon 65% Wissenschaftler)

788 Mio € Haushaltsvolumen, davon:

315 Mio € Drittmittel

4

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Mobilität

Bauen &

Wohnen

Gesundheit

Energie

Durchgängige textile

Prozessketten

Technologie- und

Kompetenzfelder

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Die Alleinstellung des ITA

5

Das ITA - Fakten und Zahlen

Budget: ca. 12 Mio. €

Personal:

100 Wissenschaftliche Angestellte

55 Mitarbeiter/innen in den

Serviceabteilungen

190 Studentische Hilfskräfte

50 Studierende Vertiefung / Jahr

Forschung und Lehre

Öffentliche

Drittmittel-Forschung

Akademische Lehre und

gewerbliche Ausbildung

Entwicklung und Transfer

Direkte Industrieforschung

Weiterbildung

teilöffentlich öffentlic

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h Grundlagen-

projekte

ca. 30%

Direkte Industrie-

forschung

ca. 31%

Verbundprojekte

Industrie/ Institut

ca. 35%

Planmittel

ca. 4%

6

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

7

5 Zusammenfassung

Bauteilherstellung in Faserverbundbauweise sehr

kostenintensiv

Komplexe Bauteile

Motivation

Quellen: AVK, ITA

8

Abb.: Teil einer Seitentüre eines PKW Abb.: Unterbodenstruktur PKW

Abb.: Dachelement eines PKW

Vielstufige Herstellungsprozesse

Hohe Verschnittmengen

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

Motivation

Quelle: ITA

9

Abb.: Tailored NCF

Abb.: Tailored Fiber Placement

Hergestellt auf industriellen Webmaschinen

Hohe Produktivität

Ausgereifte Maschinentechnik

Motivation

Quelle: ITA

10

Profilgewebe Lokal verstärkte Gewebe

„Tailored“ Preforms auf Basis von Geweben

Freie Verfügbarkeit

Geringe Technologiehürde

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

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5 Zusammenfassung

Ansatz: 3D-Gewebebindung

Definition 3D-Gewebe

Gewebe bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Kett- und Schusssystemen

Verbindung durch Polfadensystem(e)

Profilgewebe

Quelle: ITA

12

Abb.: Beispiel für 3D-Gewebe Abb.: Prinzip der Herstellung von Profilgeweben

Herstellungsprinzip Profilgewebe

Mehrlagengewebe mit nur stellenweiser Verbindung zwischen den Lagen

Weben im zusammengefaltetem Zustand

Herstellung

Schützenweben

Nadelweben

Profilgewebe

Quellen: Kipp, Cherif 13

Riet

Kettfäden1

3

2

5

4

Webkante Wirkkante

Kettfäden

Schussnadel

Wirkfaden

Zungennadel

Vermaschung

Webkante Wirkkante

Fadenöse

Ring mit Fadenauge

Bremslöffel

Feder

Antriebsführung

Schussfadenspule

Vorteile Nachteile

Sehr hohe Bindungsfreiheit Geringe

Produktionsgeschwindigkeit

Erzeugung einer echten Webkante Häufige Prozessunterbrechungen

Hohe Fadenbelastung

Herstellung

Schützenweben

Nadelweben

Profilgewebe

Quellen: Kipp, Cherif 14

Vorteile Nachteile

Sehr hohe Schussfrequenz

möglich

Geringe Bindungsfreiheit

Kaum Prozessunterbrechungen Keine echte Webkante

Geringere Rovingschädigung

Produktbeispiele

Profilquerschnitte

Profilgewebe

Quelle: ITA, vom Baur

15

T-Profil Omega-Profil I-Profil JF-Profil

Produkteigenschaften

Erhöhte Energieaufnahme

Hohe Delaminationssicherheit

Verbessertes Impact-Verhalten

Profilgewebe

Quelle: Wendland

16

Abb.: Biegeprüfung an gewebtem T-Profil

Vorzüge von 3D-Profilgeweben

Bauteilherstellung

Einstufiger Preformingprozess

Hohe Reproduzierbarkeit

Produktivität

Beispielhafter Vergleich mit konventionellem Profil

Profilgewebe

Quelle: Wendland

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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

Profilgewebe

Quelle: ITA

18

Abb.: Simulation des Tränkverhaltens

Abb.: Anhäufung von Filamentbrüchen

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

19

5 Zusammenfassung

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

Lokal verstärkte Gewebe

Quelle: ITA

20

Verlegenadeln

Spezial-Riet

Offene Rietlücken

Grundkett-Fäden

Schusseintrag

Multiaxial-Fäden

Gewebe-Niederhalter Gewebe-Abzug

Lokale Verstärkung

Prozess

Lokal verstärkte Gewebe

21 Quelle: ITA

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

Lokal verstärkte Gewebe

Quellen: Lindauer Dornier GmbH, ITA

22

Abb.: Eingebrachte partielle Verstärkung

Abb.: Lokal verstärktes Gewebe aus Carbonrovings

Beispiele für untersuchte Lastfälle: Lochleibung

Prüfung durch Auszugversuch mit Bolzen

Untersuchung verschiedener Verstärkungsgeometrien

Steigerung in ertragbarer Maximallast bis zu 80 %

Lokal verstärkte Gewebe

Quelle: ITA

23

Abb.: Vorgehen zur Untersuchung

Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse

Riss

Loch

Abb.: Geprüfte Probe

Beispiele für untersuchte Lastfälle: Kerbwirkung

Prüfung im Open-Hole-Tensile-Test

Ziel: Reduzierung von Spannungsspitzen durch Verstärkungsfäden

Lokal verstärkte Gewebe

Quelle: ITA

24

Riss Loch

Abb.: Geprüfte Probe

Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse (in 45°-Richtung)

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

Lokal verstärkte Gewebe

Quelle: ITA

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Abb.: FEM-Modell für lokal verstärktes Gewebe

Abb.: Selbstkonzipierte Fadenzuführung

Gliederung

1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen

2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien

3 Profilgewebe

4 Lokal verstärkte Gewebe

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5 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

Zusammenfassung

27

Das Inst i tu t für Text i l technik

der RWTH Aachen Univers i ty

Benedikt Wendland

Hauptabteilungsleiter “Composites – fabric production”

benedikt.wendland@ita.rwth-aachen.de

Christopher Lenz

Abteilungsleiter “2D reinforcement fabrics”

Christopher.Lenz@ita.rwth-aachen.de