Erzeugung endkonturnaher, lastpfadoptimierter 3D-Gewebe mit integrierten Verbindungsstrukturen mittels neuer Jacquard-Webtechnik

Abstract

Die textile Faserverbundtechnik gewinnt im Bereich der Leichtbauwerkstoffe immer mehr an Bedeutung. Ein großes Leistungspotenzial besteht darin, die Geometrie eines Faserverbundbauteils nicht durch Stacks aus einzelnen Textillagen aufzubauen, sondern eine gewichts- und kraftflussoptimierte Auslegung der Verstärkungsfäden direkt in einem dreidimensionalen Textilhalbzeug vorzunehmen. Faserverbundkunststoffe (FVK) auf der Basis 3D-gewebter Preforms bieten eine gute Grundlage zur Herstellung von endkonturnahen Leichtbaustrukturen mit den an die jeweiligen lokalen Erfordernisse angepassten strukturellen Eigenschaften. Dabei bietet die 3D-Webtechnologie den zentralen Vorteil, dass einzelne Lagen aus gestreckt ausgerichteten Fasern oder Gewebeflächen im Fertigungsprozess miteinander gezielt hochfest verbunden werden. Damit wird u.a. eine sehr hohe Delaminationsfestigkeit erzielt, was bzgl. den Sicherheitsanforderungen beim Leichtbau von großem Vorteil ist. Ferner sind die mit 3D-Webtechnologie erzeugbaren Leichtbaustrukturen konventionellen 2D FVK-Flächengebilden dahingehend überlegen, dass die in technischen Anwendungen häufig auftretenden mehrdimensionalen Belastungszustände durch eine gezielte Einstellung von Faserverteilung, Fasergehalt und Webverfahren optimaler abgebildet werden können. Im vorliegenden Bericht wird zu Beginn das Weben als Fertigungstechnologie beschrieben sowie verschiedene Gewebearten vorgestellt. Anschließend wird an Hand eines Anwendungsbeispiels gezeigt, wie Verbindungselemente durch mehrlagige 3D-Gewebestrukturen Gewebekonstruktionen direkt in ein Bauteil integriert werden können. Dadurch werden nachgelagerte Fügeprozesse überflüssig und mögliche Schwachstellen in den Bauteilen vermieden. An konsolidierten Bauteilen wurde das Versagensverhalten von 3D-Geweben mit unterschiedlichem Aufbau der Textilstruktur untersucht. Die Erkenntnisse daraus führten zur Entwicklung und Fertigung eines als beweglichen T-Verbinder ausgeführten Demonstrators. Die Wirtschaftlichkeit des neuen Verfahrens mit Jacquard-Webtechnik wurde anhand vergleichender Kostenrechnungen mit konventionell gefertigten CFK-Bauteilen nachgewiesen.