Textile Werkstoffe für den Leichtbau

Die derzeit verfolgten Konzepte und Trends für Leichtbauanwendungen und die Entwicklung von anforderungsgerechten faserbasierten Materialien und Matrixsystemen sowie die durchgängig automatisierten Fertigungskonzepte führen zum verstärkten Einsatz von Hochleistungsfasern und verhelfen zum Durchbruch der das 21. Jahrhundert bestimmendenWerkstoffgruppe - Faserverstärkte Verbundwerkstoffe (FVW). Die textilen Werkstoffe und Halbzeuge fungieren als Träger und Treiber für diese innovativen Entwicklungen und sind eine wichtige Basis für Quantenspr ünge in der Ressourceneffizienz und Reduktion von CO2-Emissionen sowie für Produkte, die die Bedürfnisse und Konsumgewohnheiten der Menschen durch völlig neue Konzepte bedienen können. Zukünftig werden zur Deckung des Energiebedarfs in allen zivilen und wirtschaftlichen Zweigen verstärkt erneuerbare und CO2-neutrale Energiequellen und -konzepte notwendig sein, die zu neuen Entwicklungen und Veränderungen auf dem Energiesektor führen. Deshalb werden die faserbasierten Hochleistungsmaterialien und die daraus hergestellten Produkte auf Grund des von Energie- und Rohstoffknappheit getriebenen Paradigmenwechsels im Materialeinsatz von verschiedensten Industrien zunehmend nachgefragt [1].

Das vorliegende Kapitel bietet einen allgemeinen Ü berblick über die wichtigsten Stufen der textilen Prozesskette. Somit ist es der Einstieg in das tiefere Verständnis der Werkstoffgruppe der Funktionstextilien. Die einführend beschriebenen werkstoff- und prozessbezogenen Definitionen zu Fasern, Garnen, Flächengebilden und deren Weiterverarbeitung werden in den folgenden Kapiteln vertiefend und umfangreich erläutert. Der Einsatz Technischer Textilien geht mittlerweile weit über die ursprünglichen technischen Einsatzgebiete hinaus. Durch die stetige und intensive Nutzung insbesondere der Mikrosystemtechnik, Nanotechnologie, Mess- und Sensortechnik, Plasmatechnik sowie moderner Ausrüstungstechniken werden Textilien mit spezifischen, einstellbaren Eigenschaften und Funktionen ausgestattet. Charakteristisch für Funktionstextilien ist deren Ausrichtung auf die Funktionalität, die Leistungsfähigkeit und den ersichtlichen Zusatznutzen gegenüber konventionellen Textilien.

Textile Faserstoffe bilden das grundlegende Element für textile Halbzeuge und die daraus hergestellten Produkte und bestimmen somit maßgeblich die Produkteigenschaften. Ausgehend von der molekularen und übermolekularen Struktur sowie mit der Gewährleistung optimaler Synthese- und Faserbildungsprozesse werden qualitativ hochwertige Faserstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die zum einen als Verstärkungsfasern und zum anderen auch als thermoplastische Matrixfasern fungieren können, erzeugt. Im nachfolgenden Kapitel werden die allgemeinen komplexen Zusammenhänge zwischen Ausgangsmaterialien, Herstellung, Struktur und Eigenschaften erläutert. Detailliert wird dabei auf marktübliche Verstärkungsfaserstoffe, wie Glas-, Carbon-, Aramidfaserstoffe, und beispielhaft auf andere Verstärkungsfaserstoffe ebenso wie auf thermoplastische Faserstoffe, die als Matrixfasern fungieren, eingegangen. Möglichkeiten zur Eigenschaftsoptimierung durch Oberflächenmodifizierung und Materialkombination werden angedeutet.

Garne sind ein wichtiges Basiselement sowohl för die Herstellung textiler Verstärkungsstrukturen als auch för deren Montage. Sie bestehen zu 100% aus Verstärkungsfasern oder aus einer Mischung von Verstärkungs- und Matrixfasern. Sie werden aus Filamenten oder/und Spinnfasern nach unterschiedlichen Technologien hergestellt, so dass Struktur und Eigenschaften der Garne entsprechend ihrer funktionalen Anforderungen maßgeschneidert werden können. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die derzeit vorrangig im Leichtbau eingesetzten Garne und zeigt, dass ihre Konstruktion maßgeblich dieWeiterverarbeitung sowie die Verbundwerkstoffeigenschaften beeinflusst.Während der textilen Verarbeitung mössen sich Garne problemlos bei hohen Geschwindigkeiten abziehen und schädigungsarm kraft- oder formschlössig umformen lassen. Durch die Vorzugsorientierung der Fasern im Garn und die während der textilen Halbzeugherstellung gewählte Garnausrichtung im 2D- oder 3D-Raum werden definierte richtungsabhängige Eigenschaften erzielt. Im Verbundwerkstoff selbst bietet die Garnstruktur gegebenenfalls mechanische Verankerungspunkte.

Das Kapitel stellt die strukturelle Beschreibung, die webtechnische Fertigung und die Möglichkeiten zur Modifikation von Gewebestrukturen für die Entwicklung anforderungsgerechter Gewebe für den Leichtbau vor. Der strukturelle Grundaufbau, die Methoden zu dessen Beschreibung und die aus dem strukturellen Aufbau der Gewebe resultierenden Eigenschaften werden erlaütert. Ein Überblick von grundlegenden Möglichkeiten der Gewebefertigung und zu entsprechenden Webmaschinen demonstriert die Vielfalt technischer Lösungen für die schonende Verarbeitung von Spezialfaserstoffen zu unterschiedlichen Gewebestrukturen. Den Schwerpunkt des Kapitels bildet die umfassende Übersicht zu Gewebestrukturen und zu entsprechenden Strukturmodifikationen. Dazu gehören 2D-Strukturen als Flach-, Gitter-, Multiaxial- und Polargewebe, 3D-Strukturen als Mehrlagengewebe und Spacer Fabrics sowie auch schalenförmige 3D-Geometrien. Bereits in der Stufe der Gewebeherstellung, bzw. Preformfertigung lassen sich durch das Einweben von Spezialf äden oder textilfremden Materialien, wie elekronische Bauelemente und Inserts für mechanische Verbindungen, zusätzliche Funktionalitäten integrieren.

Das Kapitel behandelt die wichtigsten Entwicklungsschritte, die Bindungselemente und die Grundbindungen der Strickerei sowie die grundlegenden Gestrickeigenschaften. Dabei wird auf die verschiedenen Optionen zur Beeinflussung der Eigenschaften und zur maschinentechnischen Herstellung von Gestricken eingegangen. Einen Schwerpunkt des Kapitels bildet die Darstellung der umfangreichen Möglichkeiten zur Realisierung von anforderungsgerechten, endkonturnahen Gestrickhalbzeugen insbesondere für den Einsatz in Faserverbundbauteilen. Eine wesentliche Vorausetzungen hierfür ist die belastungsgerechte Integration von gestreckten Verstärkungsfäden in die Maschenstruktur. In Verbindung mit den umfangreichen technologischen Möglichkeiten zur Formgebung während der Fertigung und die über die Maschenlänge einstellbare Nachdrapierbarkeit ergeben sich somit ideale Vorausetzung zur faltenfreien Abbildung von komplexen Bauteilgeometrien. Auf Grund der Maschenstruktur der Halbzeuge weisen derartige Bauteile hervorragende Eigenschaften insbesondere bei Impactbeanspruchung auf.

Gewirkte Halbzeuge für Leichtbauanwendungen basieren in ihrer Herstellung auf dem klassischen Kettenwirkverfahren, bei dem die Fäden eines oder mehrerer Wirkfadensysteme gleichzeitig und parallel zu Maschen umgeformt werden. Diese Grundlage wird genutzt, um Fadenlagen und/oder andere Flächengebilde wie beispielsweise Vliesstoffe oder vorimprägnierte Faserlagen mittels Maschen zu verbinden. Die wesentlichen Vorteile der gewirkten Halbzeuge liegen in ihrer hochproduktiven Herstellung, der Einstellbarkeit der Winkel, unter denen die einzelnen Fadenlagen zueinander angeordnet werden können, und den vielfältigen Kombinationsm öglichkeiten beim Lagenaufbau und der Lagenanordnung. Typische Produkte bestehen aus Glas- oder Carbonfilamentgarn und kommen beispielsweise in den Rotoren von Windenergieanlagen, im Schiff- und Automobilbau, bei Sportartikeln sowie im Bauwesen zum Einsatz.

Traditionell gilt das Flechten als Fertigungsverfahren für Schmaltextilien wie Schnüre und Seile. Neue Flechtverfahren ermöglichen die Herstellung von Strukturen mit komplexer Geometrie, die für Leichtbaulösungen, etwa im Fahrzeugbau, Anwendung finden. Dank der Möglichkeit, die Winkelausrichtung im Geflecht einzustellen und die Fäden bei kontinuierlicher Faserausrichtung in nahezu allen drei Raumrichtungen miteinander zu verflechten, nimmt das Flechten eine besondere Stellung bei der Fertigung von Verstärkungsstrukturen ein. 3D-Flechtverfahren erlauben die einfache Beeinflussung der Faserausrichtung und gewährleisten somit hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei reduzierter Masse. Dieses Kapitel beschreibt die verschiedenen Technologien des Flechtens zur Herstellung von 2D- und 3DStrukturen. Das Prinzip und die Funktionsweise sowie die wichtigsten Komponenten von Flechtmaschinen werden detailliert erklärt. Die potenziellen Einsatzgebiete der Verfahren werden anhand von Beispielen dargestellt und die Möglichkeiten zur Funktionsintegration diskutiert.

Die Eigenschaften vliesstoffbasierter Halbzeuge werden durch deren Herstellungsverfahren in weitaus stärkerem Maße beeinflusst, als dies bei fadenstoffbasierten Halbzeugen der Fall ist. Auf Grund der Vielfalt der verfügbaren Herstellungsverfahren weisen Vliesstoff-Halbzeuge ein vergleichsweise spezifisches und breit gefächertes Eigenschaftsprofil auf. Um das Eigenschaftspotenzial der vliesstoffbasierten Halbzeuge optimal für die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes ausnutzen zu können, sind grundlegende Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen der Struktur und den Eigenschaften der Vliesstoffe in Abhängigkeit der verschiedenen Herstellungsverfahren erforderlich. Das vorliegende Kapitel beinhaltet, ausgehend von den technologischen Grundprinzipien der Vliesstoffherstellung, die Zusammenhänge zwischen der Konstruktion sowie den Struktur- und Verarbeitungseigenschaften der späteren Vliesstoff-Halbzeuge in Wechselwirkung mit dem Herstellungsprozess. Abschließend werden exemplarisch ausgewählte vliesstoffbasierte Leichtbaulösungen dargestellt.

Das Sticken ist ein schon seit der Antike bekanntes textiles Verfahren, um Fäden, meist zur Verzierung, auf textile Flächen aufzubringen. Die Art und die Menge sowie die Ablagerichtung des Fadenmaterials lassen sich dabei vielfältig variieren. Dank moderner Antriebs- und Rechentechnik erzeugen Stickmaschinen mittlerweile hochproduktiv und mit einer sehr guten Reproduzierbarkeit eine nahezu unbegrenzte Mustervielfalt für Textilien. Eine Weiterentwicklung der Sticktechnik ist das sogenannte Tailored Fibre Placement (TFP). Mit dieser inzwischen ausgereiften Technologie lassen sich textile Halbzeuge gezielt lokal verstärken bzw. funktionalisieren und textile Preforms für Faserverbundbauteile mit einer beliebigen Verstärkungsfadenanordnung herstellen. Dieses Kapitel gibt einen Einblick in die Technologie des Stickens von Technischen Textilien für Faserverbundanwendungen. Es befasst sich mit prozessrelevanten Parametern im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften und vermittelt einen Überblick über zwei- und dreidimensional gestickte Halbzeuge. Anhand von Beispielen wird das Potenzial von sticktechnisch funktionalisierten Halbzeugen sowie von gestickten Preforms dargestellt.

Vorimprägnierte textile Halbzeuge, sogenannte Prepregs, sind ein wichtiges Ausgangsmaterial für die Herstellung von duroplastischen und thermoplastischen Verbundwerkstoffen. Es handelt sich hierbei um vorgefertigte, meist ebene, flächige Halbzeuge, die eine Verstärkungsstruktur aus endlichen bzw. endlosen Fasern aufweisen, die bereits mit der für die Bauteilfertigung benötigten duro- bzw. thermoplastischen Matrix kombiniert ist. Als Ausgangsprodukt können sowohl Kurzfasern oder Endlosfilamentgarne als auch textile Flächengebilde wie Gewebe und Multiaxial-Kettengewirke zum Einsatz kommen. Grundprinzip der Verwendung dieser speziellen Form der textilen Halbzeuge ist die Trennung des Tränkungsvorgangs bei der Verbundwerkstoffherstellung vom eigentlichen Herstellen der Bauteilform.

Mit konfektionstechnischen Prozessen werden die Halbzeuge aus den textilen Flächenbildungsprozessen zugeschnitten, in die Form der endkonturnahen trockenen Preform umgeformt, montiert und für den Verbundwerkstoffherstellungsprozess vorbereitet. Dies umfasst Schnittkonstruktion der Preform-Einzelteile, Nesting und Lagenlegen als Zuschnittvorbereitung, Zuschnitt und textile Montage der Preform vorwiegend mittels Nähen, Schweißen und Kleben. Zum Gewährleisten der mechanischen Funktionalität des Compositebauteils sind die Halbzeuge auszuw ählen und belastungsrichtungsgerecht in den Aufbau der Preform zu integrieren. Dies muss ohne Faltenbildung und nur mit definierter Veränderung der Fadenorientierung beim Drapieren erfolgen. Zwecks Reproduzierbarkeit sind im Zuschnitt und in der Montage Maschinen mit CNC-Steuerung oder robotergeführte Verbindungstechniken, darunter Einseiten-Nähtechnik, und Handhabungstechnik notwendig. Bauteileigenschaften werden durch Montageprozesse beeinflusst. Positiv wirkt die z-Verstärkung, während das Ein- und Durchstechen zur Reduzierung der In- Plane-Eigenschaften infolge der Perforation einkalkuliert werden muss.

Undifferenziert betrachtet bestehen textilverstärkte Verbundwerkstoffe aus einer formgebenden, polymeren oder anorganischen Matrix und den darin eingebetteten textilen Verstärkungsstrukturen. Ein dritter, weniger eindeutig erkennbarer Bestandteil, entscheidend für die Qualität und Eigenschaften des fertigen Bauteils, ist zwischen den beiden erstgenannten Komponenten zu finden, die Grenzschicht. Diese Schicht wird durch die Ober-und Grenzflächen (Phasengrenzen) von Verstärkungsfaser und Matrix sowie dem Raum dazwischen gebildet. Hier treten die Wechselwirkungen zwischen der Faser und der umgebenden Formmasse auf. Der Abstand zwischen den Phasengrenzen kann im molekularen Bereich liegen, so dass unmittelbare Wechselwirkungen möglich sind. Aber auch das Einbringen weiterer, vermittelnder Substanzschichten ist möglich. Dieses Kapitel gibt einen Überblick, ausgehend von der Betrachtung auf molekularer Ebene der beteiligten Materialien, über die Vorbehandlung der textilen Oberflächen, bis zur Applikation funktioneller Ausrüstung.

Das Kapitel beschreibt grundlegende Aspekte und Methoden für die textilphysikalische Charakterisierung von Technischen Textilien und daraus hergestellter faserverstärkter Verbunde. Dabei werden Prüfverfahren betrachtet, die die Wertschöpfungskette vom Filament, über Garn, textile Fläche, Preform bis zum Verbund einschließen. Hierfür existieren kommerziell verfügbare Prüfgeräte, die standardisierte Prüfbedingungen und Prüfabläufe realisieren. Eine repräsentative Auswahl der standardisierten Prüfverfahren wird dargestellt. Der Schwerpunkt der Ausführungen liegt bei Prüfverfahren, die Informationen zu den mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Festigkeit der textilen Strukturen und der daraus hergestellten faserverstärkten Verbunde, liefern.

Dieses Kapitel beschreibt grundlegende Aspekte und Methoden zur Modellierung und Simulation textiler Verstärkungsstrukturen und Faserkunststoffverbunde (FKV). Auf Grund der anisotropen Werkstoffeigenschaften ist die Simulation des Deformationsverhaltens der textilen Verstärkungsstrukturen sehr komplex. Unterschiedliche Ansätze werden vorgestellt und Simulationsmöglichkeiten auf der Basis kinematischer Modelle ausführlich diskutiert. Der Schwerpunkt dieser Ausführungen zielt auf die Unterstützung der Konstrukteure bei der Preformauslegung für komplexe FKV-Bauteile. Um den Verbundwerkstoff entsprechend der Belastung des Bauteils mittels Finite Element Modellen (FEM) richtig zu konfigurieren, sind derzeit umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Quantifizierung der Verbundeigenschaften erforderlich. Der Beitrag widmet sich deshalb darüber hinaus Modellierungs- und Simulationsverfahren auf Basis mehrskaliger Betrachtungsweisen zur Ermittlung mechanischer Materialkennwerte.

Die weltweite Energie- und Klimasituation erfordert, dass zukünftig alle Möglichkeiten zur Senkung des Energieverbrauchs, nicht nur in der Verkehrstechnik und im Bauwesen, sondern auch in allen Wirtschaftszweigen ausgeschöpft werden. Der Leichtbau mit textilverstärkten Verbundwerkstoffen bietet bei der Entwicklung energieeffizienter und funktionsintegrierender Strukturbauteile faszinierende Möglichkeiten gegenüber konventionellen metallischen Bauweisen. Aus der Kombination von zwei oder mehreren unterschiedlichenWerkstoffen resultieren neuartige Verbundwerkstoffe, deren Leistungsfähigkeit die Summe der Eigenschaften der Einzelkomponenten übersteigt.