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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
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
2
5 Zusammenfassung
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
3
5 Zusammenfassung
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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
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Mobilität
Bauen &
Wohnen
Gesundheit
Energie
Durchgängige textile
Prozessketten
Technologie- und
Kompetenzfelder
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Die Alleinstellung des ITA
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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
h
Str
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raulic
h Grundlagen-
projekte
ca. 30%
Direkte Industrie-
forschung
ca. 31%
Verbundprojekte
Industrie/ Institut
ca. 35%
Planmittel
ca. 4%
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
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5 Zusammenfassung
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Bauteilherstellung in Faserverbundbauweise sehr
kostenintensiv
Komplexe Bauteile
Motivation
Quellen: AVK, ITA
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Abb.: Teil einer Seitentüre eines PKW Abb.: Unterbodenstruktur PKW
Abb.: Dachelement eines PKW
Vielstufige Herstellungsprozesse
Hohe Verschnittmengen
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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
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Abb.: Tailored NCF
Abb.: Tailored Fiber Placement
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Hergestellt auf industriellen Webmaschinen
Hohe Produktivität
Ausgereifte Maschinentechnik
Motivation
Quelle: ITA
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Profilgewebe Lokal verstärkte Gewebe
„Tailored“ Preforms auf Basis von Geweben
Freie Verfügbarkeit
Geringe Technologiehürde
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
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5 Zusammenfassung
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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
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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
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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
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Produktbeispiele
Profilquerschnitte
Profilgewebe
Quelle: ITA, vom Baur
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T-Profil Omega-Profil I-Profil JF-Profil
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Produkteigenschaften
Erhöhte Energieaufnahme
Hohe Delaminationssicherheit
Verbessertes Impact-Verhalten
Profilgewebe
Quelle: Wendland
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Abb.: Biegeprüfung an gewebtem T-Profil
Vorzüge von 3D-Profilgeweben
Bauteilherstellung
Einstufiger Preformingprozess
Hohe Reproduzierbarkeit
Produktivität
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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
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Abb.: Simulation des Tränkverhaltens
Abb.: Anhäufung von Filamentbrüchen
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
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5 Zusammenfassung
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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
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Verlegenadeln
Spezial-Riet
Offene Rietlücken
Grundkett-Fäden
Schusseintrag
Multiaxial-Fäden
Gewebe-Niederhalter Gewebe-Abzug
Lokale Verstärkung
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Prozess
Lokal verstärkte Gewebe
21 Quelle: ITA
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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
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Abb.: Eingebrachte partielle Verstärkung
Abb.: Lokal verstärktes Gewebe aus Carbonrovings
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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
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Abb.: Vorgehen zur Untersuchung
Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse
Riss
Loch
Abb.: Geprüfte Probe
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Beispiele für untersuchte Lastfälle: Kerbwirkung
Prüfung im Open-Hole-Tensile-Test
Ziel: Reduzierung von Spannungsspitzen durch Verstärkungsfäden
Lokal verstärkte Gewebe
Quelle: ITA
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Riss Loch
Abb.: Geprüfte Probe
Abb.: Ausgewählte Prüfergebnisse (in 45°-Richtung)
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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
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Gliederung
1 Kurzvorstellung ITA der RWTH Aachen
2 Motivation für maßgeschneiderte Verstärkungstextilien
3 Profilgewebe
4 Lokal verstärkte Gewebe
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5 Zusammenfassung
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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
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Das Inst i tu t für Text i l technik
der RWTH Aachen Univers i ty
Benedikt Wendland
Hauptabteilungsleiter “Composites – fabric production”
Christopher Lenz
Abteilungsleiter “2D reinforcement fabrics”