Analyse des Nahtbildungsprozesses von Verstärkungstextilien für Faserverbundkunststoffe

Faserverbundkunststoffe werden in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen und in Sportartikein eingesetzt. Dabei werden häufig Verstärkungstextilien aus Glas, Aramid oder Carbon mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Matrixsystem umgeben. Durch diese Materialkombinationen können lastaufnehmende und sehr leichte Bauteile hergestellt werden. In den letzten Jahren begannen Untersuchungen zum Einsatz von konventionellen und einseitigen Nähtechnologien zur Herstellung von Textilhalbzeugen. Diese vorliegende Dissertation untersucht in einem ganzheitlichen Ansatz die Einflüsse der Materialien und Nähprozesse auf die Endfestigkeit der Faserverbundkunststoffbauteile. Zunächst werden Nähverfahren zur Ermittlung der Einflussparameter mittels einer Prozessstrukturierung untergliedert. Im Anschluss erfolgt die Analyse der Nahtbildung mit Hilfe von Festigkeitsuntersuchungen an Nähfäden und dem vernähten FVK- Bauteil. Die Fadenleit-Elemente im Nähprozess beeinflussen die Nähfadenkräfte wesentlich. Die Festigkeitsuntersuchungen vernähter FVK-Bauteile ergaben, dass die Nahtanzahl eine Verringerung der statischen Zugfestigkeit bewirkt, aber die dynamische Zugschwellfestigkeiten sich bei den untersuchten Materialien nicht verändern. Durch den Einsatz der Nähtechnik lassen sich Verstärkungen senkrecht zur Hauptorientierung (out-of-plane) der Fasermaterialien in den Verstärkungstextilien erzielen. Es wurde ein mathematischer Zusammenhang zwischen der Schlingenfestigkeit von Nähfäden und der Winkelschälfestigkeit der Nähte im Faserverbundkunststoffbauteil gefunden. Ein weiteres entwickeltes mathematisches Modell stellt einen ersten Ansatz zur Beschreibung der Festigkeitsreduktion durch eine mikromechanische Betrachtungsweise vernähter Faserverbundkunststoffbauteile dar. Die exemplarische Produktionskostenberechnung zeigt auf, dass der einseitige nähtechnische Prozess in der FVK-Herstellung kostenintensiv bleibt, weil zur Zeit keine hohen Produktionsstückzahlen in der Herstellung von Faserverbundkunststoff-Strukturbauteilen vorliegen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Einsatz der Nähtechnologie in der FVK-Herstellung Einflüsse auf die Bauteilfestigkeiten haben kann. Die Festigkeiten werden durch das Verstärkungstextil, den Nähfaden, die Faserorientierung und das Matrixmaterial beeinflusst. Durch eine zukünftige gesicherte Aussage über Festigkeitszuwachs oder -minderung und einzusetzende Anlagentechnologien inklusive Konstruktionshinweisen für die Gestaltung und Fertigung vernähter FVK-Bauteile wird sich langfristig die Nähtechnologie in unterschiedlichen Sparten zur Herstellung von FVK etablieren.