Multi-Material-Design und Mass Customization

Wissenschaftler des Forschungsfeldes IRD C5 (Textile-/Kunststoffbasierte Technologien) des Bundesexzellenzclusters MERGE erforschen derzeit eine neuartige Materialkombination für individuell maßgeschneiderte Leichtbausitze in Fahrzeugen. Ein spezielles Multi-Material-Design aus textilen 3D-Gewirken und Polyurethan(PUR)-Schäumen sorgt dafür, dass Autositze trotz Massenfertigung individuell auf das Komfortverhalten des Käufers und späteren Fahrers eingestellt werden können.

Klassische Autositze bestehen aus einer Stahl-Schweißkonstruktion, die mit einem Sitzpolster aus PUR-Weichschaum und einem Bezug ausgerüstet wird. Die Grundlage für die Chemnitzer Innovation bildet ein integraler Leichtbausitz aus glasfaserverstärktem Kunststoff für die tragende Schalenstruktur. Dessen Sitzpolsterung besteht aus textilen 3D-Gewirken, die für die Anpassung des Komfort-Charakters lokal mit einem Weichschaum ausgefüllt und in einem Fertigungsschritt mit der Schalenstruktur verbunden werden. Die verwendeten 3D-Gewirke sind aus zwei textilen Wabenflächen aufgebaut, die von senkrecht angeordneten Monofilen auf einer bestimmten Distanz zueinander gehalten werden.

Der textile Aufbau lässt sich in seiner Struktur und seinen druckelastischen, mechanischen Eigenschaften bereits gezielt herstellen und berechnen. Gegenstand der aktuellen Forschungsarbeit des Teams um Song Ren, Kay Schäfer und Jonas Stiller ist die Untersuchung der Einflussfaktoren und das Verhalten des PUR-Schaums auf den Verbund mit den Abstandsgewirken sowie dessen Verarbeitungsverhalten. Von Interesse sind dabei insbesondere die Abhängigkeit der Schaumexpansion von Faservolumengehalt und Architektur der 3D-Verstärkungstextilien sowie die Wirkung textiler Mikrostrukturen auf die Verbundherstellung. Diese Messergebnisse werden in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) analysiert und in eine computergestützte Prozesssimulation integriert. Zur Optimierung der Software werden dann die entstehenden struktur- und komponentenvariablen Simulationsmodelle durch Experimente validiert und verifiziert. „Sobald die Simulation verlässliche Werte liefert, wird sie zur individualisierten Herstellung der Verbunde unter Berücksichtigung aller Parameter der Gewirke und des Schaums eingesetzt“, erklärt Jonas Stiller. „Durch prozess- und anwendungsgerechte Anpassung des Verhältnisses aus Volumengehalten textiler 3D-Verstärkungen und Schaumstoff-Raumgewichten kann so das Leichtbaupotenzial der Verbundwerkstoffe optimal genutzt werden“, so der Wissenschaftler weiter.

Die gemeinsamen grundlegenden Forschungsarbeiten der Ingenieure in MERGE mit dem Fraunhofer ITWM zur Simulation des Ausbreitungsverhaltens von PUR-Schaum haben unlängst zu einer Veröffentlichung in dem renommierten Journal „Physics of Fluids“ geführt:

E. Ireka, D. Niedziela, K. Schäfer, J. Tröltzsch, K. Steiner, F. Helbig, T. Chinyoka, L. Kroll:
Computational modelling of the complex dynamics of chemically blown polyurethane foam
Physics of Fluids 27, 113102 (2015); DOI: 10.1063/1.4935788
http://dx.doi.org/10.1063/1.4935788

Weiterführende Veröffentlichungen:

K. Schäfer, S. Valentin, B. Meier, I. Roth, F. Helbig:
Comparing composites made from hard and soft materials: Increasing the performance of rigid, hard pur foams by incorporating soft, elastic 3D warp-knitted textiles.
Kettenwirk-Praxis - Technical Textiles, 2014, 4: 32-35.

V. J. Dura Brisa, F. Helbig, L. Kroll:
Numerical characterisation of the mechanical behaviour of a vertical spacer yarn in thick warp knitted spacer fabrics.
Journal of Industrial textiles, 2014, 0 (00): 1-17; DOI: 10.1177/1528083714523164.