Im Forschungsprojekt „Partiell fließfähige Textilkonstruktionen für 3D-EPV-FKV“ erfolgt die Strukturentwicklung von partiell fließfähigen Textilkonstruktionen sowie die Verfahrensentwicklung zur Fertigung von Schalenstrukturen mit fügefrei strukturintegrierten Verbindungselementen mit lastpfadgerechter Faserausrichtung.
Werkstoffverbunde können aus einer Vielzahl von Materialien wie Metallen, Polymeren, Keramiken oder Faserverbundwerkstoffen bestehen und lassen sich durch Verfahren wie Schweißen, Löten, Schrauben oder Kleben verbinden. Mit der zunehmenden Verbreitung mehrkomponentiger Systeme steigt der Bedarf an belastungsgerechten Lösungen für eine effiziente Lastübertragung, insbesondere bei Verbindungen von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) mit anderen Werkstoffen. Denn prozessbedingte mechanische, thermische oder chemische Einwirkungen können die FKV-Strukturen schädigen und Probleme wie Kraftflussunterbrechungen, Steifigkeitsunterschiede, Inhomogenität und Spannungsspitzen verursachen, was ein vorzeitiges Versagen des FKV begünstigen kann.
Darum liegt der Schwerpunkt des hier vorgestellten Vorhabens auf der Struktur- und Verfahrensentwicklung zur Etablierung neuartiger Leichtbauweisen auf Basis von Schalen mit fügefrei strukturintegrierten Verbindungselementen mit lastpfadgerechter Faserausrichtung (3D-EPV-FKV).
Strukturentwicklung
Die Strukturentwicklung umfasst die am ITM bereits etablierten Krempel-, Strecken- und Tailored Fiber Placement (TFP)-Technologien, um eine fließfähige und beanspruchungsgerechte 2D-Faserstruktur zu gestalten. Die Strukturen basieren dabei auf thermoplastischen Hybridstapelfasergarnen mit recycelten Carbonfasern (rCF-TP). Um die Fließfähigkeit der rCF-TP-Hybridstapelfasergarne im aufgeschmolzenen Zustand zu untersuchen und somit komplexe Strukturen, wie strukturintegrierte Verbindungselemente, herstellen zu können, werden Faservolumenanteile von 30 – 65 Vol. % und Faserlängen von 30 – 100 mm variiert.
Verfahrensentwicklung
Im Gegensatz zu den sonst üblichen mehrstufigen Prozessen werden diese Verbindungselemente in einem einstufigen Prozess hergestellt. Das dafür verwendete, vom ITM patentierte FiberFlowForming-Verfahren kombiniert Fließpressen mit Thermoformen. Dabei formt die Fließbewegung der aufgeschmolzenen Thermoplast-Matrix die recycelten Carbonfasern der Hybridstapelfasergarne unter Druck in die Werkzeugkavitäten aus.
Die Verwendung von Stapelfasern bedingt einen Forschungsbedarf hinsichtlich der kontrollierten Einstellung von Faservolumenanteil, Faserorientierung und Faserlage. Ziel ist, die recycelten Carbonfasern in der Kavität spezifisch auszurichten und so die Eigenschaften des FKV zu optimieren. Das Resultat sind FKV-Strukturen, in denen die Stapelfasern ohne Unterbrechung von der Schale bis in das Verbindungselement lastpfadgerecht verlaufen und so eine effiziente Lastübertragung ermöglichen.
Fertigung von 3D-EPV-FKV und Ergebnisse der Voruntersuchungen
Ausblick
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens lassen sich auf alle Strukturen übertragen, die von fügefrei strukturintegrierten Verbindungen mit lastpfadgerechter Faserausrichtung profitieren. Mögliche Anwendungsbereiche sind unter anderem Welle-Nabe-Verbindungen oder auch die Verbindung von FKV-Strukturen ohne zusätzliche Niete oder Klebverbindungen. Zudem fördern die Ergebnisse Ressourcenschonung, Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit. Sie leisten so einen wichtigen Beitrag, um die EU-Ziele zur CO₂-Neutralität zu erreichen.
Das IGF-Vorhaben „Partiell fließfähige Textilkonstruktionen für 3D-EPVFKV“ (IGF-Nr.: 01IF23608N) des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden wird über das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) gefördert.
Kontakt:
Technische Universität Dresden – Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM)
Dipl.-Ing. Lukas Möller, Wiss. Mitarbeiter
+49 351 463-440 20
lukas.moeller1@tu-dresden.de
www.tu-dresden.de/mw/itm
