Faserverstärkte Kunststoffteile schneller entwickeln

Der Drapierprozess von Textilien erfolgt bei der Fertigung durch erfahrene Fachkräfte. Da dabei aber Standards und objektive Kriterien fehlen, erstellen wir im Projekt »OptiDrape« einen Drapier-Katalog. Im Bild: 45°-Schrägzugversuch eines dichten Glasfaser-Gewebes, in einem Rahmen fixiert. Versuch durchgeführt bei ITA. Rechts entsprechende Simulation.

Drapierprozesse für FVK-Bauteile aus Hochleistungstextilien optimieren

AIF-Projekt »OptiDrape«

Faserverstärkte Kunststoffe sind die Basis für viele Anwendungen des modernen Leichtbaus und bieten eine Reihe von Vorteilen. Aber gerade das nötige Know-how der idealen Faser- und Textilanordnung stellt für kleinere Unternehmen eine hohe Hürde dar. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) und dem Institut für Unternehmenskybernetik (IfU) in Aachen entwickeln wir ein mathematisches Simulationsverfahren zur Optimierung der Drapierbarkeit (Verformbarkeit) von Textilien.

 

Das Potential von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) hängt stark von den verwendeten Verstärkungstextilien und deren Drapierfähigkeit (Verformbarkeit) ab. Die Drapierqualität nach dem Preforming wird anhand von Fehlstellen und Falten im Textil bewertet. Preforming bezeichnet dabei die Prozesse zur Herstellung einer trockenen Verstärkungsstruktur. Nur wenn die Textilfasern lokal in der geforderten Orientierung vorliegen, wird das enorme Leichtbaupotenzial des anisotropen Werkstoffs gezielt ausgenutzt. Der Drapierprozess erfolgt bei der Fertigung komplexer Geometrien durch erfahrene Fachkräfte. Dabei fehlen jedoch Standards und objektiven Kriterien, weshalb der Prozess aus technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden sollte.

Ermittlung des kritischen Schwerwinkels eines Gewebetextils
© Institut für Textiltechnik (ITA) und Fraunhofer ITWM

Links: Ermittlung des kritischen Schwerwinkels eines Gewebetextils. Versuch durchgeführt beim ITA. Rechts: Simulation des gleichen Versuchs mit beginnender Falte mit TexMath.

Von dem Experiment wurden REM-Aufnahmen erstellt und ausgewertet.
© Institut für Textiltechnik ITA

Von dem Experiment wurden REM-Aufnahmen erstellt und ausgewertet.

Aufziehen eines Textils auf einen Versuchskörper in Ausgangs- und Endzustand; simuliert mit TexMath.
© Fraunhofer ITWM

Aufziehen eines Textils auf einen Versuchskörper in Ausgangs- und Endzustand; simuliert mit TexMath.

Qualität steigern und Zeiten verkürzen

Das Ziel des Projektes »OptiDrape« ist es, die Qualität von Preforms für FVK-Bauteile zu steigern und die Entwicklungszeiten von Preforms zu verkürzen. Wir klassifizieren die verschiedensten Gelege und Gewebe nach Bindungsarten sowie Rovingmaterialien und -querschnitten bezüglich deren Drapiereigenschaften. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten bezeichnet. Des Weiteren wird der textilspezifische Scherwinkel angegeben. Er charakterisiert, ab wann das Textil Falten wirft.

Mit unserem Simulationstool können wir Materialien in unterschiedlichen Situationen simulieren. Hier wird eine Leinwand mit verschiedenen Materialeigenschaften analysiert.
© Fraunhofer ITWM

Mit unserem Simulationstool können wir Materialien wie diese Leinwand in unterschiedlichen Situationen simulieren.

Durch Variation des Abstandes zwischen den Roving-Mittellinien können wir die Biegesteifigkeit der Leinwand analysieren.
© Fraunhofer ITWM

Durch Variation des Abstandes zwischen den Roving-Mittellinien können wir die Biegesteifigkeit der Leinwand analysieren.

Insgesamt wurden 16 Textilien aus Carbon- und Glasfasern mit verschiedenen Querschnitten und Bindungsarten sowie unterschiedlichem Versatz gewählt. Das Institut für Textiltechnik ITA führte dafür zahlreiche Experimente durch und ermittelte effektive Zug-, Schub- und Biege-Eigenschaften sowie Scherwinkel. Wir haben parallel dazu die Eigenschaften mit eigener FEM-Software simuliert und validiert. Im Gegenteil zum Experiment erlaubt die Simulation auf Roving-Ebene ein virtuelles, detailgetreues Materialdesign. Das macht es möglich u.a. Rovingquerschnitte, -materialien und Abstände der Bindungspunkte effizient zu variieren. Der experimentelle Katalog wurde so wesentlich erweitert.

 

Modell für breites Spektrum an Anwendungen

Im Projekt haben wir mittels einer umfangreichen mathematischen Analyse ein prädiktives Modell entwickelt, das die kritischen Scherwinkel berechnet. Diese hängen von zuvor festgelegten Materialien und Abmessungen der Rovings, deren Bindungsart sowie experimentell ermittelter Kontaktdaten ab. Weitere Modell-Parameter sind der Versatz in der Bindung sowie verschiedene Abstände.