Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulative Untersuchung des Gestaltungspotentials der Jaquard-Mehrlagengewebetechnologie - Virtual Testing (3D-GewebeSim)

Endkonturnahe Gewebehalbzeuge für komplexe FKV-Bauteile werden heute in wirtschaftlichen 3D-Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei lassen sich die mechanischen Eigenschaften durch die Vielseitigkeit der räumlichen Bindungsvarianten im 3D-Gewebe einstellen. Die hohe Variabilität in der 3D-Jacquard-Mehrlagenwebtechnologie macht daher den Einsatz von virtuellen Textilprüftechnologien zur schnelleren und effizienteren Gewebebindungskonstruktion erforderlich. Zur virtuellen Ermittlung der textilen und mechanischen Eigenschaften von 3D-Mehrlagengeweben ist eine realitätsnahe Repräsentation des tatsächlichen Fadenverlaufs der Gewebearchitektur in einem FKV-Bauteil notwendig.

Die simulative Vorausberechnung, wie die Fasern im 3D-Mehrlagengewebe bzw. nach dem Umformen im Bauteil ausgerichtet sind und welche Faservolumenanteile lokal erreicht werden, ermöglicht dem Entwickler frühzeitig neue Varianten zu testen, ohne diese erst kosten- und zeitintensiv real herstellen zu müssen. Dies führt zu einer 70 % schnelleren und kostengünstigeren Produktentwicklung.

Dazu werden schematische Bindungsmodelle unter Berücksichtigung der angenommenen Faden- und Webparameter in ein 3D-Finite-Elemente-Modell überführt und einer Kompakt-Expansions-Simulation unterzogen. Somit können reale Gewebe- und Bauteilgeometrien und deren mechanische Eigenschaften mit wesentlich geringerem Rechenaufwand generiert werden, als dies durch aufwendige FE-Herstellungssimulationen möglich ist.

Mit Hilfe der beschleunigten numerischen Simulation gelingt es den Webern (meist KMU) das enorme Gestaltungspotential der komplexen Mehrlagengewebetechnologie in der realen Umsetzung produktoptimiert zu nutzen und nach kürzester Entwicklungszeit in die Praxis zu überführen. Dies wird die Verbreitung der Mehrlagentechnologie für Hightech-Produkte wesentlich beschleunigen und neue Absatzmärkte, wie z. B. den kostengetriebenen Automobilbau oder die sicherheitsgetriebene Luftfahrt, erschließen.

Ergebniszusammenfassung:

Die Forschungsergebnisse zeigen Möglichkeiten für einen beschleunigten Entwicklungsprozess von neuartigen Kunststoffverbundbauteilen auf, die durch 3D-Mehrlagen-Jacquardgewebe verstärkt sind. Durch die Entwicklung einer simulativen Überprüfung von 3D-gewebten Strukturvorschlägen und die darauf aufbauende simulationsgestützte Optimierung der virtuellen Produkteigenschaften im Faserverbundwerkstoff wird der Einstieg in die virtuelle Testung erleichtert. Die entwickelten Simulationsmethoden bestehen aus einem Softwaretool (3D-Gewebemodellgenerator) zur Generierung von Simulationsmodellen, die mittels anschließender DITF Expansions- und Kompaktierungssimulation zu einem sehr realistischen 3D-Gewebemodell führen. Dieses enthält eine detaillierte Geweberepräsentation mit der sehr gut idealisierten Modellierung der Multifilamentgarne und deren Filamente. Aus einem schematischen 3D-Gewebedesign mit ungenauem Bindungsverlauf von Monofilamentfäden entsteht so ein realitätsnahes Abbild der Multifilamentgarne mit unterschiedlichen Garnquerschnitten, wie der Vergleich der experimentellen Proben mit den 3D-Gewebemodllen zeigte. Aus diesen Einheitszellen können Textilmodelle in der gewünschten Dimension erzeugt und hiermit Belastungs- und Umformsimulationen zum endkonturnahen Bauteilhalbzeug durchgeführt werden. Die Auswirkungen durch realistische Filamentverschiebungen auf die mechanischen Eigenschaften des Verbunds können hiermit genau berücksichtigt werden. Um Faserverbundeigenschaften zu berechnen, werden diese Modelle mit der Matrixeigenschaften erweitert. Dabei erfolgt eine Umwandlung des 3D-Textilmodells in ein voxelbasiertes Faserverbundmodell, mit dem die mechanischen Eigenschaften virtuell überprüfbar sind.

Anwendung finden die simulativen Methoden zur virtuellen Vorauslegung von Faserverbundbauteilen entlang der Wertschöpfungskette bei Textilern, Verbundherstellern, FE-Berechnungsdienstleistern sowie in der Endanwendung bei der Automobil-, Luft und Raumfahrtbranche.