Entwicklung und Validierung eines gekoppelten Meso-Makro-Drapiermodells für Gewebe unter Berücksichtigung von komplexen Mechanismen auf der Rovingebene

• Antragsteller: Dr. Thomas Gereke
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498784926

Da der Stellenwert des Leichtbaus immer weiter zunimmt, werden neben klassischen Konstruktionswerkstoffen wie Aluminium oder Stahl zunehmend Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) insbesondere mit einer textilen Verstärkungsstruktur eingesetzt. In einem typischen Herstellungsverfahren für Schalenbauteile aus FKV im Flüssigimprägnierverfahren werden trockene textile Strukturen gestapelt, zur Preform umgeformt und mit einem duroplastischen Harzsystem z. B. im Resin Transfer Moulding (RTM) Verfahren imprägniert. Gewebe sind gegenüber unidirektionalen Gelegen besser umformbar, was die Herstellung von FKV-Bauteilen mit doppelt gekrümmten, komplexen Formen deutlich erleichtert. Bei der Preformherstellung entstehende Fehlstellen, wie Falten, Fadenwelligkeit, Gassen und Faserfehlorientierungen, mindern die mechanische Leistungsfähigkeit des Verbundbauteils. FKV-Strukturen und Preformen auf der Basis von Kohlenstofffasern weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, die den Einsatz der hochauflösenden Wirbelstrom-Technologie ermöglicht. Die Rekonstruktion des kompletten Fadenverlaufs erfolgte mittels Wirbelstrom bisher nur für in-plane gestreckt vorliegende Textilkonfigurationen (z. B. Gelege). Für Gewebe mit ihrer ausgeprägten out-of-plane Ondulation des Fadenverlaufs ist eine Fadenverlaufsrekonstruktion bisher nicht möglich. Numerische Untersuchungen erfolgen vor allem mit kontinuumsmechanischen Makromodellen. Mesoskopische Effekte, die durch Reibung, Gleiten, Stauchung oder Kompression von Rovings entstehen, können jedoch nicht abgebildet werden. Im kleineren Maßstab (Einheitszelle) wurden auch Mikro- und Mesoskalen-Modelle entwickelt, deren Defizite aber der hohe Rechenaufwand für Drapiersimulationen sind. Ziel ist es, ein tiefgreifendes Verständnis der Auswirkungen von Struktureffekten auf das Verhalten der textilen Struktur während der Drapierung zu schaffen und daraus eine an die Bauteilform und -anforderungen angepasste Materialführung und gradiente textile Struktur zu ermitteln. Dazu wird ein gekoppeltes Meso-Makro-Modell für 2D- und 3D-Gewebe entwickelt und validiert, mit dem die bei der Drapierung auftretenden Effekte auf Meso- und Makroebene (d. h. Falten, Welligkeiten, Gassen etc.) unter Einbeziehung der komplexen Mechanismen auf Rovingebene abgebildet werden. Das Makroskalen-Modell soll global die Geometrie abbilden, während das Mesoskalen-Modell lokal in Bereichen von besonderen Interesse (region of interest, ROI) angewendet wird. Dazu soll auch eine präzise und für flexible Konfigurationen nutzbare Validiertechnik mittels für Gewebe geeigneter 100 % Fadenrekonstruktion auf Basis der Wirbelstromprüftechnik entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen