Hier laufen viele Fäden zusammen

Wissenschaftler des Bundesexzellenzclusters MERGE der TU Chemnitz optimieren mit numerischen Methoden die Charakterisierung von Abstandsgewirken aus Polyester, die in Polsterungen zum Einsatz kommen

Weich und bequem, stabil und leicht, sicher und sauber sollen sie sein – an Polster stellen Kunden viel­fältige Ansprüche. „80 Prozent ist Sicherheit, 20 Prozent ist Komfort“, überschlägt Prof. Dr. Frank Helbig die Anforderungen, denen sich Wissen­schaftler bei der Entwicklung eines Fahrzeug­sitzes konfrontiert sehen. Helbig ist seit 2013 Inhaber der Stiftungs­professur Textile Kunst­stoff­verbunde an der Technischen Universität Chemnitz. Mit Polster­materialien für ebenso sichere wie komfortable Fahrzeug­sitze beschäftigt er sich aber schon viel länger: Ende der 1990er-Jahre entwickelte er im Mitarbeiter­team der Cetex gemein­nützige GmbH, seit 2008 ein An-Institut der TU Chemnitz, ein Verfahren und eine Maschinen­technik, mit denen Abstands­gewirke in neuen Dimensionen produziert werden können. Die voluminösen 3D-Textilien bestehen zu 100 Prozent aus Polyester – zwischen zwei gewirkten Deckflächen werden Tausende leicht gebogene Fäden gespannt. Die KARL MAYER Textil­maschinen­fabrik GmbH in Oberts­hausen ist im Jahr 2001 als Lizenznehmer in die Entwicklung eingestiegen und hat die Fertigungs­anlage innerhalb von drei Jahren zur Marktreife gebracht. Eingesetzt werden die 3D-Gewirke sowohl für Fahrzeug­sitze - vom PKW bis zum Flugzeug - und für Polstermöbel, wie auch in der Medizin für Roll­stühle und Liegen oder im Sport. Die voluminösen Abstands­gewirke enthalten bis zu 95 Prozent Luft, sind allseitig diffusions­offen und besitzen somit beste Klima­eigenschaften und hohes Leichtbau­potenzial. Da sie sortenrein aus Polyester gefertigt werden, sind sie gut recycelbar.

Für eine produkt­orientierte Markt­überleitung der textil­technischen Entwicklung erarbeitete Helbig innerhalb seiner Dissertation ein analytisches Modell, mit dem das Form­änderungs­verhalten der Gewirke unter einer für Polster­materialien typischen Druck­belastung bestimmt werden kann. Aktuell ist die Stiftungs­professur – zu deren Stiftern unter anderem die KARL MAYER MALIMO Textil­maschinen­fabrik GmbH zählt – in drei Teil­projekten im Bundes­exzellenz­cluster "Technologie­fusion für multifunktionale Leichtbau­strukturen" (MERGE) der TU Chemnitz eingebunden. Und auch hier spielen die Abstands­gewirke in Helbigs Forschung eine zentrale Rolle. Innerhalb von MERGE hat er gemeinsam mit Vicente Jaime Dura Brisa daran gearbeitet, das analytische Modell weiter zu qualifizieren. Entstanden ist ein numerisches Berechnungs- und Simulations­modell, das genauer aufzeigt, wie sich ein einzelner Faden verhält, wenn eine typische Form­änderungs­kraft auf ihn einwirkt. Ausgangspunkt ist, dass ein nach analytischem Modell berechneter Kraft-Verformungsweg-Verlauf immer etwas unterhalb einer am vergleich­baren Abstands­gewirke gewonnenen Messkurve liegt. „Da die Differenzen zwischen den berechneten und den praktisch ermittelten Kurven­verläufen weitestgehend gleichbleibend proportional sind, lässt sich das analytische Modell auf die Textil­technologie und die praxis­taugliche Produkt­auslegung von 3D-Gewirken zuverlässig übertragen“, erklärt Helbig. Dennoch wollen die Forscher die bestehende Lücke zwischen den beiden Kurven immer weiter verkleinern. Mit seinem numerischen Berechnungs­modell konnte Dura Brisa aufzeigen, dass ein einzelner 3D-Faden unter der Belastung nicht wie bislang angenommen kreisbogen­förmig sondern vielmehr in Form eines ellyptischen Bogens gekrümmt wird.

Dadurch verändern sich unter anderem die in die Berechnung einfließenden Hebel­arme, es resultiert eine höhere Struktur­steifigkeit – die so berechnete und die reale Kurve nähern sich weiter an. Veröffentlicht haben die MERGE-Wissenschaftler diese „Numerische Charakterisierung des mechanischen Verhaltens eines vertikalen Abstands­fadens in dicken Abstands­gewirken“ in einem Fachartikel im „Journal for Industrial Textiles“. Hierin deuten die Autoren aber auch an, dass die Forschung weiter geht – denn: Ganz deckungsgleich sind die Kurven weiterhin nicht. Hier spielen vor allem Effekte eine Rolle, die sich aus der Anhäufungs­dichte ergeben, in der die 3D-Fäden im Abstands­gewirke platziert sind – unter anderem die Reibung zwischen den mehreren tausend Fäden pro Quadrat­dezimeter. „Wir wollen die Ergebnisse aus dem numerischen Modell zunächst wieder in das analytische Modell überführen, um den Anwendern in der Praxis ein verbessertes Werkzeug zur Auslegung und Berechnung ihrer 3D-Gewirke an die Hand zu geben“, sagt Helbig und ergänzt: „Außerdem wollen wir das numerische Modell vom einzelnen Faden auf die räumliche Mehrfach­anordnungen erweitern.“ Denn: „Je präziser unsere Modelle sind, um so verlässlicher kann noch das eine oder andere Gramm in innovativen Produkten eingespart werden“, spricht Helbig das Ziel im Leichtbau an.

Innerhalb von MERGE arbeiten die Wissen­schaftler der Stiftungs­professur Textile Kunststoffverbunde an einem Demonstrator eines Fahrzeugsitzes, bei dem Abstandsgewirke eine zentrale Rolle spielen. Mit dem Bundes­exzellenz­cluster "Technologie­fusion für multifunktionale Leichtbau­strukturen" zählt die TU Chemnitz zu den Gewinnern der Bundes­exzellenz­initiative. Etwa 100 Wissenschaftler arbeiten unter Sprecherschaft von Prof. Dr. Lothar Kroll an einer Technologie­fusion im Leichtbau. Ihr Ziel ist es, heute noch getrennte Fertigungs­prozesse bei der Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoff­gruppen wie Textilien, Kunststoffe und Metalle zusammenzuführen. Mehrkomponenten­bauteile können dann in Großserie kostengünstiger und energie­effizienter produziert werden. Der Bundes­exzellenz­cluster wurde 2012 im Rahmen der Exzellenz­initiative des Bundes und der Länder eingerichtet und wird bis 2017 mit 34 Millionen Euro gefördert.

Die Forschungs­ergebnisse wurden im „Journal for Industrial Textiles“ veröffentlicht: Vicente Jaime Dura Brisa, Frank Helbig, Lothar Kroll: Numerical characterisation of the mechanical behaviour of a vertical spacer yarn in thick warp knitted spacer fabrics. Journal of Industrial Textiles; doi: 10.1177/1528083714523164

Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Frank Helbig, Telefon 0371 531-36681, E-Mail frank.helbig@mb.tu-chemnitz.de.

Katharina Thehos
02.02.2015

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