Förderung:	AiF 13165 BG
Laufzeit:	01.01.2002 - 31.03.2004
Beteiligte Forschungseinrichtungen und Partner:	Institut für Textil- und Bekleidungstechnik der TUD (ITB), Prof. Dr.-Ing. habil. H. Rödel
	Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV), Prof. Dr.-Ing. H. Planck
	Cetex Chemnitzer Textilmaschinenentwicklung gGmbH
Ansprechpartner:	Dipl.-Ing. E. Haase

Einleitung

In den letzten Jahren gelangen zunehmend Maschenwarenprodukte auf den Bekleidungsmarkt, in denen durch anteilig eingearbeitete Elastanfäden die Rückstellfähigkeit der naturgemäß dehnbaren Maschenwaren unterstützt wird. Der körpernahe Sitz derartiger Produkte und die Trageeigenschaften werden wesentlich verbessert. Leider treten über die Gebrauchsphasen der Produkte Qualitätsverluste auf. Im Konfektionsprozess werden während des Zuschneidens auch die Elastanfäden getrennt. Die Elastanfadenenden sind zunächst in der Naht- und Bindungsstruktur geklemmt. Durch die Gebrauchsbelastungen und -verformungen beginnen diese Elastanfadenenden, sich aus den Randbereichen der Zuschnittteile zurückzuziehen. In der Folge verliert die Maschenware in diesen Bereichen des Produktes ihre elastische Rückstellkraft, was sich in reduzierter Passform und negativer Optik äußert. In einem Forschungsprojekt werden deshalb systematische Untersuchungen ausgeführt, die aus Qualitätsgründen besonders zweckmäßigen Maschenwarenkonstruktionen und Konfektionierungsvarianten herauszufinden. Für die effektive Beurteilung der Qualität der Proben ist eine zeitraffende Gebrauchsbelastungssimulation in Kombination mit Textilpflegeprozessen in Form von Waschen und Trocknen nach verschiedenen Techniken und Programmen konzipiert worden.
 
 

Prüfverfahren für Zug- und Scherungsprüfung

 
Für die Beurteilung des Verarbeitungs- und Gebrauchsverhaltens von textilen Materialien ist die Kenntnis ihres mechanischen Formänderungsverhaltens und ihrer elastischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Sie beeinflussen Tragekomfort und Optik der Endprodukte. Zu ihrer Ermittlung stehen verschiedene Prüfverfahren zur Verfügung. Herkömmliche Zugprüfmaschinen arbeiten meist nach dem Prinzip konstanten Verformungsgeschwindigkeit [1, 2].
 
Das bekannteste und in der Handhabung äußerst sensible System zur Scherungsprüfung ist die Gerätekomponente Shearing des KES-F-KAWABATA-Systems. Die rechtwinklig geschnittene Probe wird an zwei parallel gegenüberliegenden Klemmen eingespannt, eine dieser Klemmen wird in Richtung der Klemmlinie nach einer und anschließend nach der anderen Richtung um einen definierten Weg verschoben. Der sich durch die Verschiebung ergebende Winkel zur ursprünglich rechtwinklig ausgerichteten Probenkante wird als Scherwinkel bezeichnet. Die in der Probe auftretende Kraft über dem Verformungsweg wird in Form einer Hystereseschleife aufgezeichnet.
 
 

Konzept für eine Gebrauchsbelastungssimulation

 
Aus der praktischen Erfahrung ist bekannt, dass die Prozesse des An- und Ausziehens größere Verformungen als die Tragebelastungen verursachen. Andererseits erfolgen die Belastungen beim Tragen zyklisch und mit wesentlich höheren Verformungsgeschwindigkeiten als dies z. B. bei mehrzyklischen Zugelastizitätsprüfungen praktiziert wird. Die Bekleidung wird dabei durch Zug und Scherung belastet. Die maximalen Verformungen sowie auch die Scherwinkel können je nach Gebrauch unterschiedliche Werte annehmen. Diese dynamischen Dauerbeanspruchungen werden als Dauerschwingversuche bezeichnet. Im Unterschied zur mehrzyklischen Beanspruchung erfolgt hierbei eine schnelle Beanspruchung der Probe je Zyklus mit Frequenzen um 1 Hz und einer höheren Anzahl von Beanspruchungszyklen. Die Probe wird einer erzwungenen Schwingung ausgesetzt. Dabei wird nicht, wie bei herkömmlichen Zugprüfmaschinen, nach dem Prinzip der konstanten Verformungsgeschwindigkeit gearbeitet. Die mechanische Schwingungserregung kann über einen Kurbeltrieb oder mittels Kurvenscheibe erfolgen [3].
 
 

Gebrauchsbelastungssimulator GBS 600

 
Daraus schlussfolgernd ergab sich die Notwendigkeit der Anwendung eines Gerätes zur zeitraffenden realitätsnahen Gebrauchsbelastungssimulation, z. B. an Proben elastanhaltiger Maschenwaren, die in den Parametern und im zeitlichen Ablauf frei programmierbar ist und mit Zugdehnungs- und/oder Scherbeanspruchung sowie einer definierten, aber auch variabel wählbaren Vorspannung arbeitet. Ein entsprechendes Gerät steht mit dem Gebrauchsbelastungssimulator GBS 600 zur Verfügung (Hersteller: Cetex Chemnitzer Textilmaschinenentwicklung gGmbH). Das Gerät ist aus einem Grundgestell mit horizontal angeordneter Arbeitsplatte, Antriebseinheiten, den Klemmvorrichtungen für die x- und y-Achse, der Schutzverkleidung, der Steuerung und der Luftaufbereitung für die Antriebseinheiten aufgebaut. Die Antriebseinheiten bestehen aus 2 luftgelagerten Reluktanz-Linearmotoren und der zugehörigen Steuerung. Die einzelnen Antriebseinheiten setzen sich aus den Bestandteilen Stator, luftgelagerter Läufer und integriertes Wegmesssystem zusammen. Die beiden Läufer sind in der Ebene rechtwinklig zueinander angeordnet (Bild 1).
 
Auf den Läufern der Antriebseinheiten sind die beiden Klemmvorrichtungen für die Aufnahme der Proben montiert, die wiederum in kraftschlüssigen, prismenförmigen Horizontalklemmen die Aufnahme von bis zu 5 symmetrisch angeordneten Proben zulassen. Die Klemmen werden manuell bedient und können der jeweiligen Dicke der Prüflinge angepasst werden. Eine Einlegehilfe ermöglicht ein spannungsloses Einlegen und ohne Durchhängen der Proben. Sie muss nach Einspannung aller Prüflinge entfernt werden. In Anlehnung an die maximale Dehngrenze bei der Prüfung von Elastan-Garnen wird die maximal mögliche Dehnung (Einspannlänge: 200 mm) für Gebrauchsbelastungssimulationen auch auf 300 % festgelegt. Wird eine verkürzte Einspannlänge (100 mm) realisiert, so werden unter den gegebenen geometrischen Bedingungen noch größere Dehnungen mit dem GBS 600 möglich.

Bild 1: Arbeitsstelle des Gebrauchsbelastungssimulators GBS 600

Für die Realisierung der konzipierten Kombination von Zug- und Scherbelastung sind die Probenaufnehmer (Spanner) beweglich auszuführen, einer realisiert die Zugbewegung, der andere die Scherbewegung. Die Verformungsgeschwindigkeiten und die Frequenzen der Belastungszyklen für Zug und/oder Scherung liegen durch die Anwendung leistungsfähiger Linearantriebe über denen der üblichen Zugprüftechnik. Beide Bewegungen sind unabhängig voneinander frei programmierbar. Aus diesen vielen Freiheitsgraden ergibt sich die Möglichkeit, ein umfangreiches Untersuchungsprogramm für das aktuelle Forschungsprojekt durchzuführen. Parallel dazu sind auch Untersuchungen notwendig, um allgemeine Aussagen für die ergebnissichere Parameterwahl bei derartigen Versuchen zu gewinnen.
 
 

Einstellbare Parameter

Alle gewünschten Parameter werden über einen Berührungsbildschirm festgelegt. Wählbar sind:

Bewegungsfunktion:	als Kurven hinterlegt (Bild 2) x-Richtung: Kurve 1, Kurve 3, Kurve 4 y-Richtung: Kurve 2
Anzahl der Prüflinge:	1 bis 5
Weg für Vorspannung:	0 bis 20 mm
Dehnung (x-Richtung):	0 bis 300 %   (bei Einspannlänge l = 200 mm) 0 bis 600 %   (bei Einspannlänge l = 100 mm)
Einspannlänge:	300 % Dehnung   l = 200 mm 600 % Dehnung   l = 100 mm
Scherweg (y-Richtung):	-145 mm bis +145 mm
Frequenz in x-Richtung:	0 bis 60 Doppelhübe/min (Dehnung)
Frequenz in y-Richtung:	0 bis 60 Doppelhübe/min (Scherung)

Die zyklische Beanspruchung der geklemmten Proben erfolgt mittels einer virtuellen Kurvenscheibe, durch deren programmierte Form das Profil der Weg-Zeit-Funktion der Läuferpositionen festgelegt ist. Die dargestellten Wege (Bild 2) entsprechen den z. Z. eingerichteten Programmen. Der Läufer in x-Richtung bewegt sich zwischen der Nulllage und einem vorgegeben Maximalwert, der Läufer in y-Richtung schwingt mit dem vorgegebene Maximalwert um den Nullpunkt der y-Achse. Weitere Bewegungsabläufe sind je nach Erfordernis programmierbar. Die Kurve 4 realisiert während der Zugdehnung die konstante Verformungsgeschwindigkeit, die Entlastung erfolgt harmonisch.

 
 

Bild 2: Darstellung der z. Z. programmierten verfahrbaren Wege der in horizontaler Ebene rechtwinklig zueinander angeordneten Läufer

Erste Erfahrungen

 
Simulationen elastanhaltiger Maschenwaren werden an streifenförmigen Proben durchgeführt. Bei der Simulation können ein bis maximal 5 Proben gleichzeitig eingespannt werden. Dazu sind die Proben immer symmetrisch anzuordnen, da die Abtastung der Kraft an der mittleren Position des Läufers in Dehnrichtung (x-Richtung der Bewegung) erfolgt. Die Zugkraft ist als Momentananzeige auf dem Display sichtbar. Ihre wertmäßige Änderung im Laufe der Simulation ist ablesbar. Sie bezieht sich auf die Gesamtzahl der eingespannten Proben. Eine Darstellung in Form eines Kraft-Dehnungs-Diagramms ist denkbar, aber zur Zeit noch nicht realisiert. Den Zusammenhang der Einstellparameter veranschaulicht Bild 3. Einstellparameter wie die maximale verfahrbaren Wege in x- wie in y-Richtung und deren Einfluss auf die Gesamtlänge der Probe ermöglicht eine Vororientierung zur Wahl der Einstellparameter.

Bild 3: Einfluss des Scherwinkels bei Einspannlänge 100 mm (gleiche Frequenz von x- und y-Läufer, Kurve 1 bzw. Kurve 2)	Bild 4: Scherweg in Abhängigkeit vom Scherwinkel; ohne Zugdehnung

Die Abhängigkeit des maximal erreichbaren Scherweges vom Scherwinkel verdeutlicht Bild 4. Dabei ist hier bei den beiden möglichen Einspannlänge der Einfluss des Scherwinkels auf maximale Länge in Scherrichtung dargestellt.
 

Danksagung

 
ITB und Cetex Chemnitzer Textilmaschinenentwicklung gGmbH haben effektiv und partnerschaftlich kooperiert. Dem Projektpartner ITV Denkendorf danken die Autoren für die Anfertigung diverser elastanhaltiger Maschenwaren. Weiterhin danken wir dem Forschungskuratorium Textil e. V. für die finanzielle Förderung des Forschungsvorhabens (AiF-Nr. 13165 BG), die aus Haushaltmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto-von-Guericke" e. V. (AiF) erfolgte."

 

Literatur

[1]		Reumann, R.-D. (Hrsg.): Prüfverfahren in der Textil- und Bekleidungstechnik, Springer Verlage, S. 77 ff.
[2]		Elhammadi, A., Haase, E., Rödel, H.: Dehnverhalten elastanhaltiger Maschenwaren. Maschen-Industrie 53 (2003) 6, S. 22 - 23
[3]		Kirstein, T., Rödel, H.: Prüfmethoden für elastische Bänder. Mittex, Schweiz 108 (2000) 6, S. 8 - 10