Drapierprozess
Drapierfehler
Drapiersimulation: kinematisch (links), FEM (rechts)
Zusammenfassung vom Stand der Technik

Ausgangssituation

 

In Deutschland beschäftigen sich aktuell etwa 200 kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der FVK-Branche mit dem Preformingprozess und der anschließenden Harzinfusion.

Das Drapieren flacher textiler Halbzeuge in einem dreidimensionalen endkonturnahen Preform wird von KMU noch vielfach manuell durchgeführt. Gleichzeitig stellt das Drapieren den Schlüsselprozess bezüglich hoher Herstellungszeiten und -kosten sowie schwankender defizitärer Preformqualität dar. Während der Produktentwicklung können die textilen Einflussfaktoren für den Preformingprozess (Das Drapieren der Verstärkungstextilien über eine komplexe Form) für KMU oftmals nicht berücksichtigt werden.

Gründe hierfür sind zum einen die nicht vorhandene Erfahrung im Umgang mit Verstärkungstextilien und zum anderen die hohen Kosten für FEM-basierte Drapiersimulationssoftware, welches für KMU wirtschaftlich nicht tragbar sind. Dies führt oftmals zu Schwierigkeiten in der Umsetzung des Preformingprozesses. Drapierfehler und unzulässige Faserverschiebungen am textilen Preform sind die Folgen. Dies führt anschließend zu einem Materialwechsel, was zur wiederholten Geometrie- und Simulationsauslegung führt und die Gesamtentwicklungszeit und die Entwicklungskosten erhöht.

Vor dem Hintergrund dieser Herausforderung und der Tatsache, dass 1/3 der Gesamt-Bauteilteilkosten auf die Produktentwicklung und 2/3 der Gesamt-Bauteilteilkosten auf die Produktfertigung entfallen, besteht der Bedarf die FVK-Produktentwicklung, insbesondere die Textilauswahl, für KMU zu verbessern.

 

Stand der Technik

 

Die Drapierbarkeit ist als das Anpassen von flächigen Verstärkungstextilien an gekrümmte, dreidimensionale Oberflächen definiert. Verstärkungstextilien neigen zu einer Faltenbildung bei der Belegung von doppelt gekrümmten Geometrien. Diese im Fertigungsprozess entstehenden Drapiereffekte führen zu einer Reduktion der Bauteilfestigkeit und -qualität.

Das Drapieren von technischen Textilien wird nach dem heutigen Stand der Technik überwiegend mit kinematischen Modellen oder mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) auf Makro- oder Meso-Ebene durch eine Simulation erfasst. Diese unterscheiden sich in der Größe des betrachteten Volumens sowie im Grad der Vereinfachung der Modellbildung. Auf der Mikro-Ebene werden die Einzelfilamente modelliert, auf der Meso-Ebene die Rovings und auf der Makro-Ebene die textile Fläche.

Die FEM-Simulation bietet zwar den Vorteil, dass das Ergebnis sehr genau ist, jedoch sind die hierfür benötigten Aufwände (Personell, materiell, Rechenzeit, Softwarebeschaffung) und Kosten sehr hoch. Hier werden nur Materialverhalten von lokalen kleinen Textilbereichen (häufig Einheitszellen) berechnet. Die Drapiersimulation eines Verstärkungstextils in eine Bauteilgeometrie auf Meso-Ebene, also mit hohem Detailierungsgrad, bedarf wegen den numerisch aufwändigen Modellen mit vielen Kontakten sehr lange Rechenzeiten. Für die Anwendung sind Materialkarten mit den spezifischen Kennwerten notwendig. Wegen der langen Rechenzeiten bei den aufgeführten Modellen eignen sich diese nicht für eine Optimierungsschleife.

Dahingegen bietet der kinematische Ansatz den Vorteil, dass der Aufwand für die Erstellung der Materialkarten geringer ist. Nachteilig ist hier die geringe Aussagekraft der FEM-Ergebnisse zu nennen.