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Ausgewählte Ausgabe: 11-12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Gezielt einstellbare Festigkeiten

Aufgrund der starken Faserondulation haben Verbundwerkstoffe mit Geflechtverstärkung vergleichsweise niedrige Festigkeiten. Für festigkeitsdominierte Bauteile des chemischen Apparatebaus wie Rohre, Behälter, Flansche, Krümmer und T-Stücke hat sich diese Werkstoffklasse daher bislang noch nicht durchgesetzt. Eine geeignete Modifikation des Flechtprozesses zur Erhöhung der Flechtmustervariabilität und daraus resultierende höhere Festigkeiten lassen jedoch einen technischen Durchbruch erwarten.


Um den bei Bauteilen im chemischen Behälter- und Apparatebau gestellten hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Flexibilität gerecht zu werden, sind innovative Fertigungsverfahren notwendig, bei denen sowohl ein hoher Automatisierungsgrad als auch eine wirtschaftlich kostengünstige Fertigung möglich sind. Darüber hinaus sind im Hinblick auf die Reduzierung der Bauteilmasse faserverstärkter Komponenten prädestiniert, wobei für Bauteile mit komplexer Geometrie integrierte Verbindungstechnologien erforderlich sind. Die traditionell in der chemischen Industrie eingesetzte Wickeltechnik kann all diese komplexen Anforderungen nur in begrenztem Maße erfüllen.
Die Flechttechnik hat in jüngster Zeit bei kostengetriebenen Leichtbaulösungen einen hohen Stellenwert erlangt. Im Vergleich zum Wickelverfahren ist bei dieser besonders in Kombination mit einem direkt nachgeschalteten Infiltrationsvorgang im Schlauchblasverfahren eine wesentlich höhere Freiheit bei der Bauteilgestaltung und der Wahl der Verstärkungsarchitektur möglich. Ausgehend von innovativen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt setzen zunehmend auch die Automobilindustrie, die Medizintechnik sowie der chemische Apparate- und Anlagenbau auf die Flechttechnik.
Die heutzutage eingesetzten standardmäßigen Geflechtstrukturen bewirken im Verbund geringere Steifigkeiten und Festigkeiten im Vergleich zu gewickelten Verbunden [1]. Der Grund dafür liegt in der stärkeren Verflechtung der Einzelfasern, wodurch die Fasern durch den eintretenden Ondulationswinkel nicht ideal in der Verstärkungsebene ausgerichtet sind (Bild 1).

Bild 1 Ondulation von Standardgeflechten (links) und modifizierten Geflechten (rechts) im Querschnitt.

Bild 1
Ondulation von Standardgeflechten (links) und modifizierten Geflechten (rechts) im Querschnitt.

Neuartige Flechttechnologie

Am ILK ist die konventionelle Flechttechnologie in den letzten Jahren konsequent weiterentwickelt worden [2, 3]. Die Kernidee zur Erhöhung der Festigkeit von Geflechtverbunden besteht in der Optimierung der Fasergestaltung zur Erhöhung der Flechtmustervariabilität. Eine eigens entwickelte Anpassung der Flechttechnik zur Herstellung neuartiger Flechtmuster mit der parallelen Ablage mehrerer Fasern als Faserband ermöglicht es, die Textilarchitektur der Geflechtverbunde gezielt einzustellen und die Faserwelligkeit zu reduzieren. Dazu wird flechttechnisch die Kreuzungspunktanzahl im Geflecht reduziert, wobei der Nachweis erbracht wurde, dass sich diese theoretisch festigkeitsoptimierten Geflechte auch reproduzierbar fertigen lassen [4]. Es hat sich gezeigt, dass sich Geflechte mit reduzierter Kreuzungspunktanzahl etwa durch die Bestückung des Flechtrahmens, die gezielte Zuführung der Fäden und Festlegung der Spulentrajektorien, die Änderung des Flechtkerndurchmessers oder die Änderung des Flechtwinkels so stabilisieren lassen, dass keine Faserverschiebungen auftreten, die die gewünschten Lagenaufbauten und Flechtwinkel negativ beeinflussen. Es lassen sich daher auch komplexere Geometrien im derart modifizierten Flechtprozess herstellen.
Fertigungsstudien mit anschließender Werkstoffcharakterisierung zeigen, dass derartige Geflechtverbunde mit geringerer Faserondulation und hoher Streckung der Fasern stark erhöhte Festigkeiten aufweisen. Bei Bauteilen im chemischen Apparate- und Anlagenbau dominieren Innendruckbelastungen. Der Nachweis der Festigkeitssteigerung wurde daher für mehrachsige Belastungszustände erbracht, wobei Innendruck die primäre Beanspruchung darstellte [4]. Durch CT-Untersuchungen wurden drei versagensrelevante geometrische Faktoren ermittelt:
- Flechtmuster beziehungsweise Ondulationshäufigkeit,
- Faserquerschnitt mit Einfluss auf Ondulationswinkel und
- Übereinanderschichtung von Kreuzungsstellen (Stacking/Jamming).
Durch die Verringerung der Häufigkeit der Faserondulation bei den neuartigen Flechtmustern kann die Festigkeit um 8 % und die Steifigkeit um 16 % gesteigert werden. Durch eine Reduktion des typischen Ondulationswinkels modifizierter Flechtmuster von circa 15° bis 20° auf unter 10° ist eine weitere Steigerung der Belastbarkeit möglich. Insbesondere mit der Vermeidung von Inhomogenitäten bei der Faserablage wurde eine Steigerung der Belastbarkeit um circa 40 % nachgewiesen. Bei konventionellen Geflechten ist das Stacking nicht steuerbar. Bei den neuartigen Geflechten ist hingegen durch die reduzierte Anzahl der Kreuzungsstellen die gezielte Überlagerung beziehungsweise der gezielte Versatz der Ondulationsstellen durch eine geregelte Prozesssteuerung realisierbar. In den Untersuchungen konnte durch die Optimierung des Stackings die Belastbarkeit des Geflechtverbundes noch einmal um etwa 10 % gesteigert werden. Die Festigkeiten derartiger Verbunde mit verbesserter Geflechtverstärkung haben damit näherungsweise die Festigkeiten von Wickelverbunden erreicht und teilweise sogar übertroffen. Es überwiegen dann die deutlich günstigeren Fertigungseigenschaften der Geflechtverbunde, etwa die hohe Produktionsgeschwindigkeit sowie die Möglichkeit, kontinuierlich Profile zu fertigen beziehungsweise gezielt Verzweigungen einzubinden.

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Autoren

PD Dr.-Ing. habil. Robert Böhm

Leiter der Fachgruppe Materialmodelle am ILK

Kontakt:
Technische Universität Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
Holbeinstraße 3
01307 Dresden
www.tu-dresden.de

Dipl.-Ing. Andreas Gruhl

Ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter am ILK

Kontakt:
Technische Universität Dresden
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK)
Holbeinstraße 3
01307 Dresden
www.tu-dresden.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude

Professor für Leichtbaudesign und Strukturbewertung und Mitglied des Vorstandes am ILK

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