Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Optimierung von Abspanneffekten komplexer triaxialer Geflechtstrukturen mittels Ansteuerung der Stehfadenspannungen, Inline-Messung und Prozesssimulation

Um hochfeste FVK-Bauteile mit Querschnitts- und Geometrieübergängen mittels serientauglicher Flechttechnologie herzustellen, werden Stehfäden zur Verbesserung der Biegesteifigkeit eingesetzt. Beim Umflechten solcher komplexer Kerne treten oft ausgeprägte Abspanneffekte auf, die infolge der späteren ungewollten Geometrieabweichung den Prozessablauf und die Bauteileigenschaften stark negativ beeinflussen. Diese Probleme treten auf, wenn die Stehfadenspannung nicht richtig an die Kerngeometrie angepasst ist. Bei zu geringer Stehfadenspannung bilden sich Schlaufen in den Flechtfäden, bei zu hoher Stehfadenspannung legt sich das Geflecht nicht korrekt an die Kernkontur. Ziel des beantragten Projektes ist es, durch gezielte Ansteuerung der Stehfadenspannung diese Effekte zu verhindern. Die Flechtmaschine wird mit Einheiten zur Einstellung der Stehfadenspannung ausgestattet und mittels Software angesteuert und mit Flechtwinkel/Gaps-Inline-Erkennung ausgestattet. FEM-Prozesssimulationen sollen die Zusammenhänge der Flechtparameter (z.B. Verhältnis Flechtfaden- zu Stehfadenspannung) aufzeigen. Die Prozesssimulationen für Demonstratoren führen zu Inputdaten für die Flechtmaschine, wie die Stehfadenspannung in Abhängigkeit der Flechtkerngeometrie und den Maschineneinstellungen eingestellt werden müssen. Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse werden anspruchsvolle Demonstratorbauteile hergestellt und verschiedenen Prüfungen unterzogen, um die mechanischen Eigenschaften und die Auswirkung der Abspanneffekte zu beurteilen. Zum Projektende steht eine Datenbasis zur Einstellung der Stehfadenspannung in Abhängigkeit der verschiedenen Flechtparameter bereit. Die geplanten Entwicklungen steigern die Prozesssicherheit, verkürzen die Entwicklungszeit und führen zu besseren Produkten. Da KMUs häufig mit Axialflechtmaschinen arbeiten, werden sich die Arbeiten auf diese beziehen. Zudem profitieren auch Berechnungsdienstleister von verbesserten Simulationsmodellen, die im Projekt entstehen.

Ergebniszusammenfassung:

1) Die neue Stehfadenspannungseinheit (STFE) und die zuverlässige Ansteuerung von 72 Schrittmotoren über die Software „OptiBraid“. Diese Lösung funktioniert bei allen Anwendungen, in denen Fadenspannungen eingestellt und lange gehalten werden müssen. Das System könnte industriell zeitnah umgesetzt werden.

2) Der Faden/Faden-Reibungsprüfstand. Das weiterentwickelte Prüfgerät könnte in Forschung und Industrie Anwendung zur winkelabhängigen Beurteilung des Reibungsverhalten von Rovinge finden.

3) Für die numerische Flechtsimulation (FEM) wurde eine Software zur Modellerstellung mit Vorgabe einzelner Stehfadenspannungen entwickelt. Die FE-Simulationen für einen komplexen Kern führten zu einem Steh-/Drehflechtfaden-Verhältnis, mit dem experimentell eine endkonturnahe Geflechtablegung erzielt wurde. Zur wirtschaftlichen systematischen Optimierung der Flechtparameter ist das Verfahren derzeit nur bedingt geeignet.

4) Das neu entwickelte, extrem effektive analytische Simulationsverfahren für den Flechtprozess, das mit Beispielen verifiziert wurde. Die Berechnungszeit ist für Beispielgeflechte kürzer als die reale Herstellungsdauer. Mit dieser „FAV-Braiding“ Software ist es noch nicht möglich, für komplexe Kerngeometrien positionsoptimierte Stehfadenspannungen zu berechnen und besitzt auch weitere Einschränkungen. Mit deren Beseitigung ist eine schnelle Zusammenführung von FAV-Braiding mit der neu entwickelten SFSE und der Ansteuerung über „OptiBraid“ möglich. Damit wäre eine industrielle Lösung zur zielgerechten effektiven Produktoptimierung verfügbar.

5) Die untersuchte 3D-Dokumentation aller Flechtfäden und des Geflechts. Das Verfahren ist auch für andere textile Herstellprozesse wie Weben, Stricken etc. einsetzbar.

6) Die „Echtzeit“ Flechtwinkelmessung, die in Zusammenarbeit von der Fa. Hengstmann Solution realisiert wurde. Sie steht für alle (industrielle) Anwendungen, in denen die Faserwinkelmessung für Carbonfaser-Materialien relevant ist, zur Verfügung.