Das nötige Know-how der idealen Faseranordnung in faserverstärkten Kunststoffen (FVK) stellt für kleinere Unternehmen eine hohe Hürde dar. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Textiltechnik (ITA) und dem Institut für Unternehmenskybernetik (IfU) in Aachen entwickelte das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM nun ein mathematisches Simulationsverfahren zur Optimierung der Drapierbarkeit (Verformbarkeit) von Textilien.
„Es gibt unzählige Möglichkeiten, die Textilfasern im Kunststoffbauteil anzuordnen: Welche Fasern liegen wie dick wie zueinander und wie sind sie miteinander verbunden? Jede Kombination hat erheblichen Einfluss auf Drapierbarkeit, Optik und Stabilität des Bauteils.“
(Dr. Julia Orlik, Projektleiterin Fraunhofer ITWM)
Bisher werden dazu Probeteile hergestellt und man nähert sich über Versuch und Irrtum dem Optimum der Faseranordnung. Das führt dazu, dass ein Drittel der Gesamtbauteilkosten auf die Entwicklung und zwei Drittel auf die Produktfertigung entfallen. Diesen hohen Personal-, Zeit- und Materialaufwand scheuen kleinere Unternehmen oft.
Eine realitätsnahe Simulation könnte Aufwand und Ressourcen deutlich reduzieren. Das ist das Ziel des Projektes OptiDrape.
Zunächst untersuchte das ITA verschiedene Fasern und Textilien und ermittelte Zug-, Schub- und Biege-Eigenschaften sowie deren kritischen, je nach Struktur unterschiedlichen Scherwinkel. Das Fraunhofer ITWM simulierte nun anhand einer umfangreichen mathematischen Analyse parallel die Eigenschaften virtuell mit eigener Software. Mit den Ergebnissen des ITA konnten die errechneten Ergebnisse validiert werden.
„Die Ergebnisse sprechen für sich: Die von uns entwickelte Textil-Software Texmath berechnet die charakterisierenden Eigenschaften – und das im gleichen Toleranzbereich wie physische Testverfahren. Beide kommen auf eine Varianz von rund 5% – das bedeutet, auch rechnerisch kann der kritische Scherwinkel auf zwei bis drei Grad genau vorab ermittelt werden.“
(Stephan Wackerle, Wissenschaftler Fraunhofer ITWM)
Die neue Software Optidrape findet mithilfe Maschinellen Lernens das optimale Textil für die jeweilige Drapieranwendung, auf Wunsch optimiert sie auch die Bauteilgeometrie. Die Simulation erlaubt es Unternehmen, alle Designparameter kontinuierlich zu variieren und somit Textilauslegung und -design zu optimieren. Der Bedarf an experimentellen Testergebnissen wird effektiv minimiert.
Das Projekt wird begleitet von einem Ausschuss aus Automobil- und Flugzeugbauzulieferern und Softwareherstellern. Durch deren Input konnte das Fraunhofer ITWM bereits passende Kataloge von Drapieralternativen für Baufirmen und Karosseriebauer zusammenstellen. OptiDrape erlaubt es zukünftig vor allem auch klein- und mittelständischen Unternehmen, die Vorteile faserverstärkter Kunststoffe zu nutzen.
Bild oben: 45°-Schrägzugversuch eines dichten Glasfaser-Gewebes, in einem Rahmen fixiert. Versuch durchgeführt bei ITA. (Quelle: Fraunhofer ITWM)
Quelle und weitere Infos: Fraunhofer Institut
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