Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung effizient gefertigter gekrümmter Gewebeprofilpreformen mit Querschnittsänderung für die krümmungs-und lastangepasste Verstärkung von schalenförmigen Bauteilen

Für den Leichtbau in den Bereichen Automobil-, Schiffs- und Bootsbau sowie in der Luftfahrt werden profilförmige Rippen, Spanten bzw. Stringer für die Versteifung von schalenförmigen Bauteilen benötigt. Werden aktuell eingesetzte Verfahren zur Profilpreformfertigung betrachtet, schränken diese entweder die Geometrie und Faserorientierung ein oder sind durch die sequentielle Fertigungsweise sehr aufwendig. Zur Steigerung des Leichtbaupotentials fehlen Lösungen und eine simulationsgestützte Prozesskette für die integrale Fertigung von geometrie- und lastgerechten Profilpreformen. Das Ziel des beantragten Forschungsprojektes besteht in der Erarbeitung des Know-hows sowie KMU-tauglicher Tools zur simulationsgestützten Entwicklung und webtechnischen Umsetzung von integral gefertigten, um die Z- bzw. Y-Achse gekrümmten Profilpreformen mit anforderungsgerechter Querschnittsänderung entlang der Profillänge in reproduzierbarer Qualität für die Verstärkung von schalenförmigen Bauteilen in FKV-Anwendungen. Durch bindungstechnische und webtechnische Entwicklungen zur Ausbildung der Zwickelbereiche soll der Einsatz von aktuell notwendigen Kedern entfallen. Ein Schwerpunkt des Forschungsvorhabens ist die simulationsgestützte Entwicklung der zu erreichenden Profilkrümmungen. Diese umfasst die 2D-Abwicklungen sowie die theoretische und experimentelle Umformung der 2,5D-Geweben zu 3D-Profilpreformen mit Krümmung und Querschnittsänderung. Mit 3 Funktionsmustern und einem Demonstrator wird der experimentelle Nachweis erbracht und der Forschungstransfer in die KMU vorbereitet. Durch die interdisziplinäre Projektarbeit und die Unterstützung der entlang der gesamten Wertschöpfungskette tätigen Mitglieder des PA sind sowohl eine hohe Akzeptanz der Ergebnisse in den KMU der Textil-und Verbundwerkstoffindustrie sowie bei den Endanwendern als auch eine kurz- bis mittelfristige Überführung der effizienten Leichtbaulösung für die Versteifung von schalenförmigen Bauteilen gegeben.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Forschungsprojektes war die Erarbeitung des Know-hows sowie KMU-tauglicher Tools zur simulationsgestützten Entwicklung und webtechnischen Umsetzung von integral gefertigten gekrümmten Profilpreformen mit anforderungsgerechter Querschnittsänderung entlang der Profillänge für die Verstärkung von schalenförmigen Bauteilen in FKV-Anwendungen. Dabei wurden nahtlose, endkonturnah gewebte gekrümmte Profilstrukturen realisiert, die ohne sonst übliche Konfektionierungsprozesse nur durch Aus- und Umformen die Zielgeometrie aufweisen.

Für die Erreichung der gestellten Forschungsziele wurde eine simulationsgestützte Prozesskette, zur Realisierung der Krümmung der Profile durch Kombination von webtechnologisch angepasster Bindungsentwicklung und anschließender Umformung entwickelt. Dazu wurde ein Materialmodell entwickelt, das die textilphysikalischen Eigenschaften der speziell für die Umsetzung der Profilpreformen notwendigen Gewebebindungen nachbilden kann. Durch die Simulation kann im Vorfeld die Umformung berechnet werden, sodass sowohl auftretende Falten und Strukturverzerrungen ohne aufwendige Trial-and-Error Prozesse detektiert werden können. Die ermittelten Krümmungen werden mittels einer Programmroutine in das Gewebemuster überführt, wodurch je nach Anforderung die gekrümmte Profilpreform gefertigt werden kann. Die gesamten Ergebnisse wurden basierend auf den Forschungsarbeiten und der Analyse und Charakterisierung der Technologie-, Prozess- und Strukturparameter anhand des Demonstratorbauteils „gekrümmtes I-Profil“ aufgezeigt und validiert.

Die Forschungsergebnisse leisten einen Beitrag zur Entwicklung anforderungsgerechten gekrümmten Profilstrukturen für FKV-Anwendungen, wobei die Verstärkungsstrukturen ohne weitere manuelle Prozessschritte bereitgestellt werden können. Dies stellt einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen, KMU dominierten Textil-, Verbundhersteller sowie der Fahrzeug-, Maschinen- und Anlagenbauer dar.