Simulation mechanischer Textileigenschaften

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.

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.