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Struktur- und Eigenschaftsmodellierung textiler 3D-Abstandsgewirke und experimentelle Evaluierung

Fachliche Zuordnung Leichtbau, Textiltechnik
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
Förderung Förderung von 2015 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 272669503
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Abstandsgewirke (AGW) sind dreidimensionale integrale Textilstrukturen, die aus zwei äußeren gewirkten Flächen bestehen, welche über senkrecht stehende Polfäden verbunden sind. Ihre strukturmechanischen Eigenschaften, wie Druckelastizität und Permeabilität, ermöglichen eine vielfältige Anwendung im Leichtbau, im Sport- und Medizintextilsektor, als auch in der Automobilindustrie. Durch gezielte Wahl von eingesetzten Materialtypen, der komplexen 3D Textiltopologie und des Herstellungsverfahrens können diese Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck optimiert werden. Dazu wird üblicherweise ein klassischer iterativer Designprozess nach dem Trial-and-Error Prinzip verwendet. Es wurde ein mathematisches Multiskalen-Modell zur Berechnung relevanter strukturmechanischer Eigenschaften von AGW entwickelt, welches diesen aufwändigen Designprozess simulationsgestützt beschleunigt, sowie zukünftige Produktentwicklungen vergünstigt. Die von uns hergeleiteten und implementierten numerischen Methoden basieren auf den mathematischen Konzepten der Dimensionsreduktion und Homogenisierung und wurden im Projekt durch vergleichende Experimente validiert und iterativ erweitert. Gegenstand von Projektphase I war die automatisierte Generierung repräsentativer, virtueller AGW auf der Garnskala. Als Eingabe dienen hierbei industrieübliche Eingabeformate der gewirkten Flächen und die mechanische Charakterisierung der eingesetzten Mono- und Multifilamente in Form von Kraft-Dehnungs-Kurven. Mithilfe der 1D Finite-Elemente-Methode (FEM) für Stab-Balken-Netzwerke, werden daraus effektive Zug- und Biegesteifigkeit der virtuellen Strukturen für die Textilskala berechnet. Weiterhin werden Infiltrationseigenschaften und Permeabilität durch Fluidsimulationen bestimmt. In Projektphase II wurden zwei Themenschwerpunkte untersucht. Der erste Schwerpunkt war die Vorhersage und Steuerung der Kompressionseigenschaften des Textils mit lokaler Einschnürung durch das Einbringen von Nähten. Insbesondere beim Einsatz als Polsterungs- und Dämpfungsmaterial ist die Bestimmung der Kompressionssteifigkeit von großem Interesse. Der zweite Schwerpunkt war die Modellierung der strömungsinduzierten Verformung des Abstandsgewirkes beim Einsatz als Filtermedium. Durch Druckgradienten im Fluid sind Biegungen der textilen Flächen bei der Durchströmung zu erwarten. Wir haben ein effektives Makroskalenmodell für die Fluid-Struktur Interaktion mit der komplexen Textilstruktur hergeleitet, mathematisch analysiert und FEM-Löser implementiert. Die angewandte Multiskalenmethode bezieht dabei die berechneten effektiven mechanischen Eigenschaften aus dem ersten Projektabschnitt als Modellparameter ein, so dass ein direkter Vergleich und Verbesserung der Textilherstellungsparameter bezüglich gewünschter Durchströmungseigenschaften in der Anwendung durchführbar sind.

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