FVK Aus textilen Halbzeugen werden Tailored Blanks

Autor / Redakteur: Gerd Rauenbusch und Hans-Peter Hartmann / Kirsten Nähle

Je stärker Funktion und Geometrie von FVK-Bauteilen in textilen Halbzeugen berücksichtigt sind, umso einfacher ist die Fertigung. Daher wird die Entwicklung bei Verstärkungstextilien in Richtung Tailored Blanks forciert. Funktionsangepasste Textilhalbzeuge gibt es auch im Formenbau.

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Bei einem Schlauchgewebe wird die Dehnbarkeit durch ein elastisches Schussgarn hergestellt. (Bild: Gerster)
Bei einem Schlauchgewebe wird die Dehnbarkeit durch ein elastisches Schussgarn hergestellt. (Bild: Gerster)

Seit dem Jahr 2004 finden technische Textilien des Geschäftsbereichs Techtex der Gustav Gerster GmbH & Co. KG, Biberach an der Riß, eine wachsende Anzahl von Anwendungen. Insbesondere Verstärkungstextilien für den Composite-Markt bieten neue Lösungen in der Bauteilgestaltung sowie in der Optimierung der Fertigung.

Zur Herstellung dieser textilen Halbzeuge werden zum Beispiel Carbon-, Glas- und Aramidfasern verarbeitet – getreu dem Firmengrundsatz „Wo Innovation Tradition hat“. Schon seit 130 Jahren fertigt Gerster Heim- und Schmucktextilien. Noch heute ist der Bereich der Heimtextilien am Standort das Hauptstandbein.

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Umkehrschuss hält Kanten bei Harzinfusion stabil

Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Herstellung bauteilangepasster Verstärkungstextilien, zum Beispiel mit lokalen Verstärkungen, sowie auf Schmaltextilien als textile Halbzeuge für die Produktion von Composite-Bauteilen. Werden hochwertige Bauteile im VAP-Verfahren produziert, kommen noch textile Fließhilfen als Fließkanäle oder flächige Fließmedia zur Anwendung.

Die von EADS patentierte VAP-Technik (vacuum assisted process) ist eine Weiterentwicklung des geschlossenen Infusionsverfahrens. Sie nutzt semipermeable Membransysteme, um die Wirkung des Vakuums auf die gesamte Bauteilfläche zu übertragen. Dadurch werden Luft- sowie Gaseinschlüsse in der duroplastischen Matrix zuverlässig und effizient entfernt. Lufteinschlüsse und Reaktionsgase in geschlossenen Infusionsverfahren führen zu Schwachstellen in den Leichtbauteilen.

Zur Produktpalette von Gerster gehören textile Bänder, die auch mehrlagig sein können. Die Faserausrichtung darf sowohl unidirektional als auch multiaxial sein. Die Bänder können eine Breite bis zu 30 cm haben. Innerhalb der Fertigung sorgt ein spezieller Umkehrschuss dafür, dass die Kanten der Bänder bei der Harzinfusion und in der Pultrusion stabil bleiben. Aufgrund der Stabilität findet man die Bänder insbesondere in lokalen Verstärkungen an Bauteilrändern oder in Hohlstrukturen wie Streben.

Textile Hohlstellen für Durchbrüche verringern mechanische Bearbeitung

Aufgrund der getrennten Faserführung kann Gerster multiaxiale Gelegebänder mit lokal unterschiedlichen Strukturen herstellen. Die Fasern werden einfach entlang der Bauteilgeometrie oder dem Lastverlauf geführt. So lassen sich bereits im Textil Hohlstellen für Bauteildurchbrüche und -löcher integrieren.

Dadurch kann der Aufwand für die mechanische Bauteilbearbeitung verringert werden. Über Hilfsgarne sind Schlaufen oder andere Strukturen darstellbar, die eine reproduzierbare, automatisierte Fertigung in Werkzeugen mit Positionierstiften ermöglichen.

Runde Spiralbänder als Band oder Schlauch gewoben

Eine Besonderheit sind runde Spiralbänder, die als Band oder mehrlagig als Schlauch gewoben werden. Bisher wurden runde Bauteile nicht fasergerecht produziert und mit Verschnitt aus Breitware geschnitten. Jetzt lassen sich runde Bauteile bereits als kontinuierliches Verstärkungstextil abbilden.

Die Fasern folgen dem Bauteil. Das heißt: Sie sind tangential (rund) und/oder radial (mittenzentriert) angeordnet. Die Fasern bilden also den Lastverlauf optimal ab. Besonders schnelllaufende Maschinenbauteile sind so steifer und mit weniger Masse zu realisieren.

Hohe Drapierbarkeit ohne Änderung der Gelegeeigenschaften

Eine Produktneuheit von Gerster Techtex ist ein nachdrapierbares Biaxialgelege. Bei der Umformung verändern sich die Faserabstände aufgrund von Faserverschiebungen nahezu nicht, so dass die Eigenschaften erhalten bleiben und keine Schwachstellen entstehen.

Auch die Variation unterschiedlicher Fasern, etwa Carbon- und Glasfasern, ist innerhalb des Geleges möglich. Insbesondere geometrisch anspruchsvolle Bauteile lassen sich jetzt ohne Zuschnitt deutlich rascher drapieren als zuvor. Sie bieten daher ein entsprechendes Rationalisierungspotential.

Mit dem nachdrapierbarem Biaxialgelege folgt Gerster Techtex dem Trend am Composite-Markt zu bauteilangepassten Textilien, die zu einer vereinfachten Bauteilfertigung führen. Zu den Anwendungsbranchen zählen der Maschinenbau, die Windkraftindustrie, der Maritimbereich, die Luftfahrttechnik und die Sportartikelbranche. Das Produkt wird von Gerster im März auf der JEC Europe Show 2012 präsentiert. Dort und auf vielen anderen Messen zeigt Gerster weitere textile Innovationen (Halle 1, Stand T46).

Bauteil- und Kostenoptimierung sind Ziele von Weiterentwicklungen

Die heutige FEM-Auslegung, Werkzeug- und Verfahrenstechnik bieten bereits heute Chancen, die technischen Vorteile von Faserverbundbauteilen wie chemische Beständigkeit, niedriges Gewicht und hohe Robustheit zu nutzen. Die Hindernisse liegen im hohen Zeitbedarf im Bereich Handling und Zuschnitt sowie bei den Duroplasten in der Aushärtung. Im Bereich Handling und Zuschnitt werden derzeit verstärkte Anstrengungen bei der Automatisierung unternommen. An den Aushärtungszeiten von Duroplasten wird ebenfalls gearbeitet.

Durch fortlaufende Weiterentwicklung bauteilangepasster und hochdrapierbarer Verstärkungstextilien trägt Gerster Techtex dazu bei, Prozesskosten weiter zu verringern und die Faserorientierung besser an den Lastverlauf anzupassen. Dadurch können Verschnittabfälle sowie der Zeitaufwand beim Zuschneiden verringert werden.

Ein wichtiger Produktzweig sind folgerichtig Preforms, die das Potenzial zu kurzen Fertigungszeiten sowohl in der textilen Herstellung als auch in der Weiterverarbeitung bieten. Diese Vorformlinge, die das Fasergerüst der Bauteile bilden, werden ins Werkzeug gelegt und in eine duroplastische Matrix eingebettet (Harzinfusion). Runde Spiralbänder, flächige 2D-Multiaxial-Preforms und 2,5D-Strukturen unterstützen die Optimierung von Bauteil und Produktion.

Unterschiedliche Faserorientierung in maschinell gefertigten 3D-Profilen

Maschinell gefertigte 3D-Profile ohne strukturelle Z-Verstärkung – wie bisher üblich – verringern den Verarbeitungsaufwand bei der Produktion von Composite-Bauteilen. Außerdem bieten sie eine höhere Reproduzierbarkeit. Insbesondere größere Profilmengen eignen sich ideal für die maschinelle Fertigung.

Eine Besonderheit liegt in der Möglichkeit, mehrlagig unterschiedliche Faserorientierungen zu vereinen und andere Strukturen – wie Füller oder Kabel – in das textile Profil einzubinden. Textile Profile lassen sich abhängig von der Dicke auf unterschiedliche Durchmesser rollen oder auf Länge schneiden, so dass Lauflänge und Lieferform flexibel handhabbar sind.

Profilartige Preforms für Vakuuminfusions- und RTM-Verfahren geeignet

Alle profilartigen Preforms sind für das Vakuuminfusions- und das RTM-Verfahren geeignet, aber auch für die Pultrusion. Ist das duroplastische Harz im Werkzeug ausgehärtet, erhält man mechanisch sehr belastbare Profile, die zudem noch sehr leicht sind. Diese Profile aus Faserverbundwerkstoffen sind besonders für Anwender attraktiv, die sich auf den Leichtbau spezialisiert haben, oder für Branchen, in denen es auf jedes Gramm ankommt.

Des Weiteren fertigt Gerster Techtex Preforms als Eckverstärkung, sogenannte Zwickel, zur lokalen Aufdickung oder als UD-Zugelement. Diese können undirektional oder als halbrunde Schnur bezogen werden. UD-Elemente bestehen aus parallel gebündelten Garnen, die zueinander fixiert sind. Halbrunde Elemente werden aus Garnen hergestellt, die zu einer oder mehreren Schnüren gedreht und auf ein Trägerband fixiert werden. Eckverstärkungen lassen sich auch beidseitig mit einem Trägertextil versehen, um die Lastüberleitung in der Kante zu verbessern.

Eine weitere Art von Profilen bilden gewobene oder geflochtene Schläuche zur Fertigung von Hohlbauteilen. Sie eignen sich als Schutz vor mechanischen und thermischen Belastungen. Auch dehnbare Schläuche sind herstellbar.

Textile Fließhilfen mit gewirkter Grundstruktur zur Verbesserung der Harzinfusion

Im Bereich Faserverbundwerkstoffe unterstützt Gerster Techtex die Anwendung von Vakuuminfusionsverfahren wie VAP mit textilen Fließkanälen und flächiger Fließmedia. Fließkanäle haben die Aufgabe, das Harzsystem möglichst gleichmäßig ins Bauteil einzutragen und dafür zu sorgen, dass die Luft aus dem Vakuumverbund entweicht. Die als Kanäle hergestellten Bänder bestehen aus gewirkter Grundstruktur und aus Monofilamenten gebildeten Schlingen.

Diese Schlingen fungieren als eigentlicher Fließkanal, der das Harzsystem gleichmäßig in das Preform im Werkzeug transportiert. Die Bänder werden zur Harzinfusion sowie zum Evakuieren der Luft und des überschüssigen Harzes verwendet. Sie lassen sich wegen des Abreißgewebes nach der Aushärtung ohne Rückstände und Abdrücke vom Bauteil entfernen. Kennzeichnend für die textilen Fließkanäle ist eine sehr gute Drapierfähigkeit infolge der gewirkten Grundstruktur.

Flächige Fließhilfe unterstützt Vakuuminfusionsverfahren

Als Fließmedia bezeichnet man eine flächige Fließhilfe, die bei der Harzinfusion als Harzverteilungsmedium verwendet wird. Sie besteht aus einer gewirkten Grundstruktur und aus Monofilamenten gebildeten Schlingen – und wird zu 100% aus Polyester gefertigt. Das Flächengewicht beträgt 100 g/m2. Die flächige Fließhilfe unterstützt zum Beispiel das Vakuuminfusionsverfahren, weil es das Harz im Bauteil gleichmäßig verteilt.

Außer als flächiges Verteilungssystem lässt sie sich bei der VAP-Technik auch als Vakuumschicht zwischen der semipermeablen Membran und der Vakuumfolie verwenden. Der besondere Vorteil liegt in der guten allseitigen Drapierbarkeit und der geringen Dicke, was die Verarbeitung erleichtert. Die Fließmedia kann mit den Fließkanälen kombiniert werden, sodass eine optimale Harzverteilung im Bauteil gesichert ist.

Carbonfasern auch für beheizbare Textilien genutzt

Der Geschäftsbereich Techtex von Gerster fertigt auch beheizbare Textilien an. Diese Heiztextilien bestehen aus einem gewirkten Trägertextil – meist aus Glasfasern oder Polyesterfasern – und integrierten Carbonfaserstrukturen. Zur Wärmeerzeugung wird das Heiztextil beidseitig elektronisch kontaktiert.

Weil Carbonfasern im Vergleich zu Heizdrähten einen höheren elektrischen Widerstand haben, ist eine geringere Spannung erforderlich. Weitere Kennzeichen der Heiztextilien sind die sehr gute Drapierbarkeit und Robustheit.

Je nach Anforderung können aus den textilen Heizelementen kundenspezifische Lösungen gefertigt werden. Es gibt jedoch auch Standardprodukte, die in wenigen Tage lieferbar sind. Zu den Aufgaben der Heiztextilien gehört das einfache und flexible Aufheizen von Formen und Materialien. Beispiele dafür sind beheizbare Werkzeugkavitäten, das Aufheizen von GFK-Laminaten sowie Heizmatten für den industriellen und privaten Gebrauch. So finden Heiztextilien konkret Anwendung in beheizten Böden und Flächen.

* Gerd Rauenbusch ist Sales Manager Composites im Geschäftsbereich Techtex der Gustav Gerster GmbH & Co. KG in 88400 Biberach/Riss. Hans-Peter Hartmann ist Sales Manager Heating Textiles im selben Geschäftsbereich

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