Simulationsgestützte Entwicklung von ausformbaren 2D-Gelegen mit integrierten struktur-beeinflussenden Fadensystemen für 3D-Faser-Kunststoff-Verbunde

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif; Dr. Thomas Gereke
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567552967

Das zentrale Ziel des Strukturleichtbaus ist die Gewichtsminimierung bei hoher Belastbarkeit und Langlebigkeit. Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) bieten gegenüber Aluminium und Stahl eine Gewichtsersparnis von bis zu 70 % bei gleicher Leistungsfähigkeit. Diese Leichtbauweise bringt jedoch Herausforderungen mit sich, insbesondere bei der Herstellung komplexer Bauteilgeometrien auf Basis zweidimensionaler Textilien.Ein entscheidender Fertigungsschritt ist das Drapieren, das durch Formgebung, Technologie und Material beeinflusst wird. Bei komplexen Geometrien treten oft Drapiereffekte wie Gassen, Faltenbildung, Faserfehlorientierungen und harzreiche Zonen auf, die die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Eine Faserfehlorientierung von nur 10° kann die Steifigkeit eines FKV-Bauteils um bis zu 30 % reduzieren. Um dies zu kompensieren, wird oft mit zusätzlichen Materiallagen gearbeitet, was den Leichtbaugrad verringert und den Materialverbrauch erhöht.Multiaxialgelege, bestehend aus mehreren unidirektionalen Lagen, bieten eine vielversprechende Lösung zur industriellen Herstellung lastangepasster, maßgeschneiderter Textilstrukturen. Jedoch bleibt die Drapierbarkeit bei komplexen Bauteilen eine Herausforderung. Die Scherverformbarkeit und Biegesteifigkeit der Textilien sind entscheidende Faktoren, weshalb herkömmliche Verfahren zur Herstellung von Preformen häufig fehleranfällig und ressourcenintensiv sind.Das im Vorhaben angestrebte Fertigungsverfahren soll den Drapiervorgang durch Ausform- und Verdichtungsprozesse sowie entsprechende Simulationsmodelle erweitern. Ziel ist es, simulationsbasiert neuartige Gelege zu entwickeln, die sich optimal an komplexe Bauteilgeometrien anpassen, ohne dass Gassen oder Stauchungen entstehen. Ein zentraler Aspekt ist die Entwicklung von 2D-Gelegen mit integrierten Fadensystemen und Fadenreserven, die sich dreidimensional ausformen und durch thermische Schrumpfung verdichten lassen. Dabei soll der Faservolumengehalt auf bis zu 60 % erhöht, eine gleichmäßige Faserverteilung und eine geringe Faserabweichung (< 4°) erreicht werden. Dies soll mit weiterzuentwickelnder Wirbelstromtechnik analysiert werden.Forschungsschwerpunkte liegen auf simulationsgestützten Methoden zur Analyse der Material-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sowie auf der Entwicklung von Technologiemodulen zur Herstellung und anschließenden Ausformung sowie Verdichtung kontinuierlich aufwickelbarer, ausformbarer 2D-Gelege mit integrierten strukturbeeinflussenden Fadensystemen für komplexe 3D-Bauteile. Um die Wechselwirkungen zwischen den Fadensystemen, der Verdichtung und den mechanischen Eigenschaften besser zu verstehen, werden systematische Materialanalysen durchgeführt. Ausformsimulationen sollen ein tieferes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermöglichen, um gezielt Aussagen über das Verhalten der neuartigen Gelegestrukturen zu treffen und potenzielle Grenzen bei der Ausformung und Verdichtung zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen