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Optimierte Faserführung bei Kohlenstofffaser-Verbundmaterialien aus Geflechten

Kurzfassung

Am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart wurden die Funktionalitäten der Flechtmaschinen optimiert, so dass die Vorteile bisher bekannter Technologien zusammenspielen können.
Das neue Flechtmaschinen-Funktionsprinzip nutzt zwar bekannte Komponenten, ordnet und verbindet sie aber auf eine neue Art und Weise und macht so den Flechtprozess insgesamt deutlich flexibler. Es ermöglicht durch eine neue Lagerung und unabhängige Bewegungsspielräume der Klöppel nicht nur die Aufnahme größerer Spulen, sondern insbesondere lässt sich die textile Abbindung des Geflechts beliebig verändern.
Zusätzlich ist nun eine Entkopplung von Flechtring und Maschine möglich, was eine exzentrische Kernführung und so eine kontrollierte Faserablage, auch bei gekrümmten Bauteilen ermöglicht.

Hintergrund

Faserverstärkte Bauteile sind aus der Konstruktion schon längst nicht mehr wegzudenken. Nicht nur in Bereichen wie dem Flugzeugbau bringen Verbund- und Hybridbauteile enorme konstruktive, wie auch sicherheitsrelevante Vorteile. Die Herstellung ist jedoch nicht trivial. Gerade in Bauteilen, die für bestimmte Spannungszustände ausgelegt werden, ist der Verlauf der Fasern für die Bauteileigenschaft entscheidend. Da eine spannungsoptimierte Bauteilgeometrie eine komplexe Formgebung bedingt, müssen hochpräzise Geflechte hergestellt werden, die dann in Verbindung mit einer Polymermatrix zum spannungs- und gewichtoptimierten Bauteil vereint werden. Besonders die hochpräzise Verarbeitung von Hochleistungsmaterialien wie Kohlenstofffasern ist mit herkömmlichen Flechtmaschinen nur bedingt möglich.

Problemstellung

Heute kommen in der Regel zwei Typen von Flechtmaschinen zum Einsatz. Der sog. Flügelradflechter findet primär Anwendung im Seilflechten, während sich der sog. Schnellflechter primär für die Herstellung von Drahtgeflechten (bspw. Kabelummantelungen) eignet. Beide Systeme haben ihre Vorteile, aber auch Nachteile, wie zum Beispiel ein begrenztes Spulenvolumen und eine geringe Laufgeschwindigkeit der Flügelrad-Variante, oder aber ein ungleichmäßiges Geflechtbild verbunden mit unterschiedlich hoher Belastung für die Einzelfasern im Falle des Schnellflechters, was den jeweiligen Einsatzbereich und schließlich auch die erzielbare Qualität der Produkte begrenzt.

Lösung

Die Funktionalitäten der Flechtmaschinen wurden am Institut für Flugzeugbau der Universität Stuttgart optimiert, so dass die Vorteile bisher bekannter Technologien zusammenspielen können. So wurde eine Idee zur Entkopplung von Flechtring und Maschine entwickelt, was eine exzentrische Kernführung ermöglicht, welche wiederum die Faserablage beeinflussen kann. Das neue Flechtmaschinen-Funktionsprinzip nutzt zwar bekannte Komponenten, ordnet und verbindet sie aber auf eine neue Art und Weise und macht so den Flechtprozess deutlich flexibler. Es ermöglicht durch eine neue Lagerung und unabhängige Bewegungsspielräume der Klöppel nicht nur die Aufnahme größerer Spulen, sondern insbesondere lässt sich die textile Abbindung des Geflechts beliebig verändern. Auch bei höherer Produktionsgeschwindigkeit werden so Qualität und Gleichmäßigkeit von komplexen Geflechten optimiert.
Die Option, den Flechtring losgelöst vom Kern zu bewegen, macht insbesondere eine kontrollierte Faserablage, auch bei gekrümmten Bauteilen, bzw. eine bessere Anpassung an konstruktive und flechttechnische Anforderungen möglich und bietet vielfältige Möglichkeiten auf die Faserablage einzuwirken.
Dadurch ist eine robotergestützte, unabhängige Führung von Flechtring und Flechtkern ist realisierbar. Die präzise Verarbeitung empfindlicher Fasern zu hochkomplexen Bauteilen kann so erstmals kostengünstig realisiert werden, da unerwünschte Spannungszustände aufgrund ungleichmäßiger Faserbelastung vermieden werden können. Die ökonomische Fertigung unterschiedlichster und komplexer Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Materialien wird so in ein und derselben Maschine ermöglicht.

Vorteile

  • Variable Abbindung der Geflechte möglich (veränderbar im laufenden Prozess)
  • Präzises Führen von großen Spulen bei höherer Geschwindigkeit
  • Getrennte Bewegungsräume der Klöppel  zweier Fadensysteme
  • Höhere Produktionsgeschwindigkeit ohne Qualitätseinbußen
  • Zusätzliche Freiheitsgrade bei der Faserführung
  • Präzise Faserablage bei gekrümmten Bauteilen
  • Unabhängige, exzentrische sowie robotergestützte Führung von Kern und Flechtring

Anwendungsbereiche

Flexiblerer und effizienterer Einsatz von Flechtmaschinen zur Herstellung von Geflechten für Verbundbauteile aus empfindlichen Hochleistungsfasern.

Exposé
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Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
DE 10 2014 221 996 und
DE 10 2016 102 439 (15/025TLB) anhängig
Referenznummer
14/004TLB & 15/025TLB
Service
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