Kontinuierliche Hochleistungsfasern verleihen Faserverbundbauteilen eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit. Die daraus aufgebauten textilen Halbzeuge sind jedoch nur begrenzt defektfrei verformbar und lassen sich daher nur mit aufwendigen Prozessen und Überdimensionierung an die komplexen dreidimensionalen Geometrien anpassen. Beim Preforming entstehen insbesondere unerwünschte Drapiereffekte wie Falten, Gassen, Bridging und Faserumlagerungen die durch zusätzliche Textillagen ausgeglichen werden müssen. Im Forschungsprojekt BaDuComp untersucht das ITM der TU Dresden gemeinsam mit Industriepartnern (Alpha Sigma GmbH, Born GmbH, TFP GmbH) einen neuartigen Lösungsansatz zur Vermeidung der Überdimensionierung und einem skalierbaren Fertigungsansatz: gradierte Überlappstrukturen aus gezielt unterbrochenen Rovings.
Herausforderung: Drapierbarkeit vs. mechanische Performance
Beim Drapieren müssen sich textile Halbzeuge durch ein Zusammenspiel aus Zug-, In-Plane-Scher- und Biegeverformungen an die dreidimensionale Werkzeugoberfläche anpassen. Reichen diese Verformungsmechanismen lokal nicht aus, entstehen Defekte wie Falten und Gassen sowie Faserverschiebungen, die die vorgesehene Faserarchitektur und -ausrichtung und damit die mechanischen Eigenschaften des späteren Bauteils beeinträchtigen können. Bereits 10 ° Winkelabweichung der Faserorientierung resultiert in ca. 50 % Verlust der zugmechanischen Eigenschaften. Daher ist die Entwicklung einer Preform erforderlich, die eine ausreichende Drapierbarkeit und Erhalt der definierten Faserorientierung für komplexe Geometrien aufweist sowie hohe mechanische Eigenschaften der darauf basierenden Verbunde ermöglicht.
Das Konzept: Gradierte Überlappungsstrukturen
Der entwickelte Ansatz basiert auf der gezielten Unterbrechung und alternierenden Überlappung von Rovings innerhalb der Textilpreform. Die entstehenden Rovingsegmente können sich beim Drapieren relativ zueinander in einem kontrollierten Verhalten verschieben und dadurch die lokale Anpassung an dreidimensionale Geometrien prozesstechnisch ohne aufwendige Niederhalter und Nachführsysteme erleichtern. Im konsolidierten Verbund unterstützt die versetzte Anordnung der Überlappungen zudem die Lastübertragung zwischen benachbarten Rovings und verringert das Risiko einer lokalen harzreichen Zone.
Abb. 1: Schematische Darstellung des Drapierfortschritts über einem halbkugelförmigen Werkzeug – (a) kontinuierliche Referenzpreform mit Faltenbildung und Bridging; (b) Preform mit gradierten, versetzt angeordneten Überlappungsstrukturen zur angestrebten Verbesserung der Drapierbarkeit (© ITM).
Ganzheitliche Bewertung entlang der Prozesskette
Um das Zusammenspiel von Verformungsmechanismen, Drapierbarkeit und mechanischen Eigenschaften zu bewerten, werden die gradierten Überlappstrukturen entlang der gesamten Prozesskette untersucht. Zunächst wird die grundlegende Verformungsmechanismen der Preforms durch Zug-, Cantilever-Biege- und Picture-Frame-Scherversuche charakterisiert. Anschließend wird das tatsächliche 3D-Umformverhalten mithilfe von standardisierten Halbkugel-Drapierversuchen bewertet. Nach der Konsolidierung werden Zugversuche in Verbindung mit digitaler Bildkorrelation (DIC) durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften sowie lokale Dehnungskonzentrationen zu analysieren.
Stand der Entwicklung und Ausblick
Die gradierten Überlappungsstrukturen eröffnen neue Möglichkeiten für die standardisierte und materialeffiziente Fertigung komplex geformter FVK-Bauteile. Das neuartige Konzept ermöglicht eine gezielte Abstimmung von Drapierbarkeit und mechanischen Eigenschaften und kann zugleich den prozessseitigen Aufwand für die Umformung und Nachbearbeitung reduzieren. Anwendungspotenziale bestehen insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, Sondermaschinen- und Anlagenbau sowie in weiteren industriellen Leichtbaustrukturen.
Projektkonsortium
Das industrielle Verbundforschungsprojekt wird durch ein erfahrenes Konsortium getragen, das die gesamte Prozesskette von der Technologieentwicklung bis zur Erprobung abdeckt:
ITM, TU Dresden: Gesamtkoordination, Prozesskettenentwicklung und wissenschaftliche Charakterisierung
Alpha Sigma GmbH: Entwicklung Umformung, Verbundbildung sowie Erprobung.
Born GmbH: Entwicklung der Verstärkungsstrukturen auf Basis von Mehrlagengestricken
TFP GmbH: Textile Halbzeugfertigung mittels Tailored Fiber Placement (TFP) sowie Stickerei- und Lasertechnologie
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Fachprogramm „Zukunft der Wertschöpfung“ (02P24K083) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.
Kontakt:
Technische Universität Dresden
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik
Dipl.-Ing. Yutian Du, Wiss. Mitarbeiter
+49 351 463-350 21
yutian.du@tu-dresden.de
www.tu-dresden.de/ing/maschinenwesen/itm