Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Gradientensrukturen für flexible FVK-Bauteile mit einstellbaren mechanische Eigenschaften und hoher Dauerfestigkeit - FVK-Gelenke

Die generelle Eignung eines Mehrschicht-Materialverbunds aus Elastomer und epoxidharzgetränktem Glasfasergewebe wurde für die Fertigung eines textilbasierten Gelenks in einem DFG Vorhaben beispielhaft an dem Verschattungselement aufgezeigt. Der entwickelte Materialverbund Flectofold ermöglicht lokal definierte Gelenkzonen in steife Faserverbundbauteile zu integrieren. Das Verhalten des Verbunds im Hinblick auf die Dauerfestigkeit sowie die Parameter zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften sind bisher allerdings weder analysiert noch abschätzbar.

Ziel ist es, die Scharnierzonen durch graduelle 3D-Gewebeentwicklungen in Bezug auf die beschriebenen Eigenschaften zu verbessern. Die dreidimensionalen Strukturverbunde sind auf deren mechanische Eigenschaften zu charakterisieren und dauerbelastbare Gestaltungsprinzipien durch Material- und Struktursimulation zur definierten Auslegung künftiger adaptiver Bauteile abzuleiten. So lassen sich Entwicklungszyklen für individuelle Bauteilfertigungen drastisch verkürzen.

Neben der Verschleißarmut beweglicher faserverstärkter Systeme, werden durch die Integration von textilen Gradientengelenken neue Anwendungsfelder für adaptive Verschattungssysteme in Architektur und Bauwesen eröffnet. Es können Windkraftflügel nachgiebig ausgelegt werden, um sie an Position und Wind für optimale Energieerträge anzupassen. Darüber hinaus sind Aeroshutter im Automobilsektor oder Flügelklappen für die Luftfahrtbranche in dieser Bauweise denkbar. Speziell für die Baubranche wären die beschriebenen adaptiven Systeme von essentieller Bedeutung, da durch die Oberflächenfunktionalisierung ein „zero-energy-house“ in greifbare Nähe rückt.

Die Ergebnisse geben insbesondere KMU`s der FVK-Fertigung vielfältige neue Anwendungsgebiete und damit ein hohes Innovationspotential.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Projektes wurde erstmals ein 45° 3D-Gewebe mit integrierter Kavität als Aktuierungskammer und Gradientenübergang für FVK-Gelenke bzw. aktuierbare FVK hergestellt. Folgende Erkenntnisse sind hervorzuheben:

(1) Die Hypothese („Z-Verstärkungen“ in 3D-Geweben verhindern die Delaminiation adaptiver Bauteile mit integrierter Aktuatorik) wurde bestätigt. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass das Weben eines ±45°-Gewebes möglich ist.

(2) In Kooperation mit EAT GmbH wurde die Entwicklung einer softwarebasierten Generierung von ±45°-Bindungspatronen angestoßen. Hierdurch soll für KMU die Möglichkeit eröffnet werden, kostengünstig/effizient ±45°-Bindungen zu entwickeln.

(3) Die entwickelten Bindungspatronen lassen sich ohne weitere Modifikationen auf Standardwebmaschinen mit Jacquardmaschine übertragen und folglich sofort anwenden.

(4) Der entwickelte Prüfstand lässt die Prüfung von verschiedenen Biegewinkeln und Zyklusanzahlen zu. Die Konstruktion kann nachgebildet werden und somit auch von anderen Forschungseinrichtungen und KMU verwendet werden.

(5) Die definierten Haupteinflusskriterien (Biegeverhalten) sind eine Basis für die Auslegung von künftigen FVK-Gelenken. Sie können in biegebelasteten, adaptiven Bauteilen direkt Anwendung finden und zur Verbesserung bestehender Produkte beitragen.

(6) Mit der Fa. KRAIBURG wurde projektübergreifend eine neue Elastomertype entwickelt, die die Anforderungen an zyklisch belastete Fassadenbauteile erfüllt. Sie kann über den Hersteller bezogen werden.

(7) Durch die Entwicklung kinematischer/kinetischer Modelle ist die Bewegung prognostizierbar. KMU können so bewegliche Elemente bereits in den Entwurf einbeziehen. Die Simulationsmethode soll in einem wiss. Paper publiziert werden und wird entsprechend nachbildbar.

(8) Die entwickelte automatisierte Herstellung des gesamten Gewebes mit spezifischen Funktionsbereichen zeigt eine vereinfachte Fabrikation komplexer Bauteile im Vergleich zu mechanischen Gelenken aus vielen Teilen.