Seit circa 10 Jahren beschäftigen wir uns mit der Modellierung und der Berechnung mechanischer Eigenschaften von Textilien. Im Bild: Abstandgewebe bei der Biegung.

Simulation mechanischer Textileigenschaften

Bei der Arbeit in diesem Bereich stehen Simulationsmethoden im Fokus, die eine effiziente Vorhersage des Verhaltens von gewebten und gestrickten Textilien zulassen. Wichtige Parameter, die dabei einfließen, sind:

  • die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Webgarne
  • sowie eine geeignete Beschreibung der verwendeten Maschengeometrie.

 

Herausforderung Reibungskoeffizienten zwischen Garntypen

Während sich die Dehnungseigenschaften der einzelnen Garne experimentell recht einfach ermitteln lassen, bereitet die Ermittlung von Reibungskoeffizienten zwischen verschiedenen Garntypen einen wesentlich größeren Aufwand. Die erforderlichen Garnparameter werden in der Regel an entsprechend experimentell ausgestatteten Textilinstituten bestimmt und uns dann zur Verfügung gestellt.

Der Anwendungsschwerpunkt liegt hierbei vor allem bei technischen und medizinischen Textilien, die gewisse Performanceanforderungen unbedingt einhalten müssen. Da gibt es etwa Verbände, die beim Tragen auf die Hautpartien des Patienten einen bestimmten Druck ausüben sollen. Oder es gilt herauszufinden, wie ein Material beschaffen sein muss, damit es möglichst viel Schutz bietet, sei es beispielsweise als kugelsichere Weste oder aber auch als Arbeitskleidung, etwa bei einer Schnittschutzhose.

Unsere Arbeiten münden in der Regel nicht in konkreten textilen Produkten, sondern eher in der Weiterentwicklung geeigneter Simulationswerkzeuge, mit denen die Auftraggeber verschiedene Simulationen – mit sich ändernden Material- oder Geometrieparametern – ablaufen lassen können. Hierdurch lässt sich neben der Simulationsbewertung eines konkreten Textildesigns, dann auch eine Optimierung der Performanceeigenschaften über verschiedene Designvarianten durchführen.

 

Auftraggeber aus den verschiedensten Branchen

Zu unseren Auftraggebern gehören u.a. Hersteller von:

  • Kompressionsverbänden
  • Autotextilien
  • Sicherungssystemen aller Arten
  • Arbeits- und Schutzkleidung

Potenzielle Kunden sind auch Firmen, die Textilien im weiteren Sinne für die Baubranche herstellen; gemeint sind Stoffe, die in Drainagen verbaut werden und einem gewissen Druck standhalten müssen. Neben den aktuell fokussierten mechanischen Textileigenschaften sollen zukünftig weitere Eigenschaften wie beispielsweise der Flüssigkeitstransport betrachtet werden.

DFG-Projekt-Beispiel: Struktur-Eigenschaftsmodellierung von 3D-Abstandsgewirken

Im Fokus dieser Forschung und Entwicklung steht die mechanische Mehrskalenmodellierung und -simulation von Textilien und Fasermaterialien mit heterogener Mikrostruktur unter besonderer Berücksichtigung des Kontakts zwischen den einzelnen Fäden. Das Problem wird dabei durch die unterschiedlichen geometrischen Längenskalen so komplex, dass eine direkte numerische Simulation nicht mehr möglich ist. Für eine effektive Berechnung ist stattdessen ein Mehrskalenzugang erforderlich.

Zum Beispiel beim folgenden Projekt, das von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird:

 

Zielsetzung

  • Anforderungsgerechte Auslegung und Simulation von Abstandsgewirken mit Hilfe mathematischer Modelle und Algorithmen
  • Mechanische und mathematische Mehrskalenmodellierung, -simulation und Strukturoptimierung unter Berücksichtigung des Kontaktes einzelner Fasern
  • Prüfmethoden und -anordnungen für 3DAbstandsgewirke zur Bereitstellung orts- und richtungsaufgelösten Kennwerte

 

Methoden

  • Geometrische Charakterisierung der Periodizitätszelle
  • Festlegung der Belastungsszenarien
  • Generierung der virtuellen Struktur
  • Simulation der elastischen Eigenschaften (FiberFEM, FIFST)
  • Simulation der Strömungseigenschaften der komprimierten Abstandsstruktur (GEODICT)
  • Entwicklung experimenteller Evaluierungsmethoden für 3D-Abstandsstrukturen
FiberFEM-Modell
© Foto ITWM

Struktur im FiberFEM-Modell

Kompression Abstandsgewirke
© Foto ITWM

Kompression Abstandsgewirke

Strömung Abstandsgewirke
© Foto ITWM

Strömung Abstandsgewirke

Bei der numerischen Umsetzung der entsprechenden Berechnungsalgorithmen für die Mehrskalenprobleme wird ausgenutzt, dass der Quotient aus Durchmesser und Länge der Fasern und Garne in den Textilstrukturen sehr kleine Werte annimmt.

Zusammen mit der Einführung weiterer asymptotischer  Betrachtungen hinsichtlich des Garndurchmessers lassen sich die ursprünglich dreidimensionalen periodischen Hilfs-Kontaktprobleme auf der Textilmikrostruktur in der Dimension reduzieren und die Gesamtverformung lässt sich letztlich als Superposition von Zug, Biegung und Torsion eindimensionaler Balken berechnen. 

 

Softwarepaket FiberFEM

Als Werkzeug zur Simulation einer repräsentativen Strukturzelle eines Textils kann daher die Finite-Element-Methode dienen, die mit Balkenelementen umgesetzt und für die Behandlung von  Fadenkontaktproblemen in einem speziell am ITWM entwickelten Softwarepaket FiberFEM erweitert und implementiert wurde.
Als Eingangsgrößen benötigt FiberFEM neben der Mikrostrukturbeschreibung des betrachteten Textils die Faserquerschnittsgeometrie, sowie mechanische Faserparameter, wie Zugsteifigkeit, Festigkeit, Lebensdauer und Reibung. Als Output werden die effektiven mechanischen Textilgrößen zurückgegeben.

Neben der Berechnung der effektiven mechanischen Materialeigenschaften für eine Vielzahl bereits existierender gewebter und gestrickter Textilien aus technischen und medizinischen Anwendungen, bietet der Ansatz auch das Potential zur gezielten Auslegung neuer Textilien mit vorgegebenem mechanischem Eigenschaftsprofil.