Auslegungsstrategien und Fertigungsverfahren für festigkeitsoptimierte Leichtbau-Verbundstrukturen mit variabelaxialer Faserarchitektur (OptiTex)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Albert Albers; Professor Dr. Gert Heinrich; Professor Dr.-Ing. Lothar Kroll
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246524254

Die noch junge Werkstoffgruppe der textilverstärkten Kunststoffe mit variabelaxialer Fadenanordnung bietet für materialeffiziente Leichtbaulösungen besondere Vorteile, denn die textile Fadenarchitektur kann hier - in Analogie zu den Bauweisen der Natur - an komplizierte, lokal- und richtungsvariable Kraftflusslinien angepasst werden. Die ebenfalls entsprechend den Belastungen ausgewählte Kunststoffmatrix dient vor allem dem Schutz und der Stabilisierung der Textilverstärkung und der gleichmäßigen Krafteinleitung. Bei einer Vielzahl von textilverstärkten Verbundstrukturen steht das Festigkeitsproblem im Vordergrund der Bauteilauslegung, das allerdings im Vergleich zum Steifigkeitsproblem viel komplexerer Natur ist. Zur vollen Ausschöpfung des hohen Festigkeitspotentials der neuen textilverstärkten Werkstoffgruppe sind nicht nur entsprechend "flexible" Textil- und Kunststofftechnologien bereitzustellen, sondern vor allem werkstoffangepasste Berechnungs- und Optimierungsstrategien mit physikalisch begründeten Versagenskriterien heranzuziehen, welche die Grenzen der jeweiligen Fertigungsparameter aus dem Textilprozess berücksichtigen. Dafür ist eine sehr enge Verzahnung der Prozessstufen Werkstoffkonstruktion, Bauteilauslegung und Fertigung zur Entwicklung festigkeitsoptimierter Verbundbauteile mit variabelaxialer Textilverstärkung zwingend erforderlich. Im Rahmen des Verbundvorhabens ist deshalb eine intensive, interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Fachgebieten Modellierung, Simulation und Optimierung einerseits und Fertigung textiler Preformen mit vorgegebenem Fadenverlauf sowie deren Imprägnierung bei hohem Faservolumengehalt andererseits vorgesehen. Durch Fokussierung der Themenstellung auf Festigkeitsprobleme grenzt sich das vorliegende Verbundvorhaben von den Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der bionischen Strukturen deutlich ab, die vornehmlich steifigkeitsoptimiert ausgeführt sind.Im geplanten Verbundforschungsvorhaben sollen sowohl dünnwandige als auch dickwandige Faserverbundstrukturen am Beispiel der Technologien Tailored Fibre Placement (TFP) und Multiaxialgelegetechnik mit Kettfadenversatz (MAG-KV) untersucht werden, die eine variabelaxiale Anordnung der Fadenverstärkung zulassen und für großseriennahe Prozesse besonders prädestiniert sind. Im Rahmen der ersten Antragsperiode erfolgt für ausgewählte dünnwandige Demonstratoren die Berechnung und Validierung der bestmöglichen Faseranordnungen hinsichtlich Bauteilfestigkeit. Dabei sind auch Fragestellungen zur textilgerechten Gestaltung von metallischen Krafteinleitungssystemen zu klären. Anhand von Bruchversuchen unter Zug-, Biege- und Torsionsbelastung soll eine experimentelle Verifikation der erarbeiteten Methoden und Technologien an ebenen und räumlichen dünnwandigen Prüfmustern vorgenommen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen ist für den zweiten Antragszeitraum die Steigerung der Bauteilkomplexität auf dickwandige Faserverbundstrukturen vorgesehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen