Transferprojekt T9

Technologie zur Verarbeitung von carbon fiber heavy tows zu textilen Betonbewehrungen

Leitung

Prof. Dr.-Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Chokri Cherif
Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik 

Mitarbeiter

Dr.-Ing. Jan Hausding
Dipl.-Ing. Ulrike Berger
Dipl.-Ing. (FH) Thomas Engler

Projektpartner

SGL Technologies GmbH
Karl Mayer Malimo Textilmaschinenfabrik GmbH 

Ziele

Das Teilprojekt T9 beschäftigt sich mit beanspruchungsgerechten Betonbewehrungen aus carbon fiber heavy tows (CFHT). Durch den Einsatz von CFHT können der Arbeitsaufwand und die Kosten der bautechnischen Umsetzung reduziert werden. Um das Potenzial der gitterartigen Fadenlagennähwirkstoffe aus CFHT maximal auszunutzen, müssen sowohl der Flächenbildungsprozess als auch die prozessintegrierte Beschichtungstechnologie angepasst werden. Das primäre Projektziel ist die Schaffung hierfür erforderlicher wissenschaftlich-technischer Grundlagen. Dabei sind die Einflüsse von Maschinen- und Prozessparametern auf die Fadenlagennähwirkstoffe sowie den Verbund aus Bewehrungsgitter und Beton zu untersuchen.

Zur schädigungsarmen Verarbeitung der CFHT sind insbesondere die Anpassung der Fadenführung und des Fadentransportes an der Nähwirkmaschine erforderlich. Des Weiteren müssen die Fadenqualität, Fadengeometrie und die Lage der Fäden bis zur Nähwirkstelle erhalten bleiben.

Für die Verbesserung des Verbundverhaltens zwischen Bewehrungsgitter und Beton ist u.a. der Einsatz von hochfesten Carbonwirkfäden vorgesehen. Die dadurch an der Oberfläche ausbildbaren Rippen sollen der mechanischen Verankerung dienen. Durch eine Weiterentwicklung von Beschichtung und Applikationstechnologie lässt sich der innere und äußere Verbund stärken.

Eine weitere Möglichkeit das Verbundverhalten zu steigern, besteht in der Erweiterung des Nähwirkprozesses mit der Möglichkeit eines Nadelversatzes. Damit können symmetrische Bewehrungsgitter hergestellt werden. Mit diesem Gitteraufbau lässt sich die im Verbund wirksame Fläche maximieren.

Aufbauend auf den erworbenen Kenntnissen werden Standardbewehrungen für den baupraktischen Einsatz definiert, textiltechnologisch umgesetzt und für Folgeuntersuchungen bereitgestellt.

Ergebnisse

Die Herstellung der verwendeten Fadenlagennähwirkstoffe (FLNWS) erfolgt bisher auf der Multiaxial-Nähwirkmaschine MALIMO 14024 der Firma KARL MAYER Textilmaschinenfabrik GmbH (Deutschland). Diese Technikumsmaschine hat eine Arbeitsbreite von 50“ (Abbildung 1, links) und ist für die Verarbeitung von Glasfaserrovings ausgelegt. Durch umfangreiche Arbeiten innerhalb der Teilprojekte A1 und T1 erfolgte die Anpassung der Maschine für die Herstellung von Bewehrungstextilien aus AR-Glas- und 12K CF-Garnen (800 tex). Besonders die Integration einer geeigneten Online Beschichtungs- und Trocknungseinheit ermöglicht eine zusätzliche Fixierung und Stabilisierung des Bewehrungstextiles und verbessert das Verbundverhalten. Die so ausgestattete Maschine eignet sich nur bedingt für die Verarbeitung von Carbon Fiber Heavy Tows (CFHT). Bei der Verarbeitung dieser Garne auf der Maschine kommt es zu Schädigungen und Verschleiß an den Maschinenelementen (Abbildung 2) und CFHT. Außerdem sind die Aufnahmeelemente der Transportkette nicht in der Lage Garne mit so vielen Einzelfilamenten vollständig aufzunehmen, da die Aufnahmeelemente aus kurzen, eng beieinander stehenden Nadeln bestehen (Abbildung 3). Aufgrund des abweichenden Tränkungsverhaltens der CFHT eignet sich die vorhandene Anlage nicht für eine optimale Beschichtung und Trocknung der CFHT Bewehrungsstrukturen unter Beibehaltung der Produktionsgeschwindigkeit. Zur Speicherung der FLNWS dient ein Umfangswickler, welcher über Druck und Reibung das Bewehrungstextil auf eine Rolle wickelt. Bei den offenen FLNWS aus CFHT führt das zur Schädigung der berührenden Maschinenteile sowie des FLNWS. Eine Verarbeitung der CFHT auf diesen Maschinen ist prinzipiell möglich. Allerdings bieten bisherige Nähwirkmaschinen keinen Bauraum um die erforderlichen Anpassungen zur schädigungsarmen CFHT Verarbeitung durchzuführen.

Abbildung 1: Multiaxial-Nähwirkmaschinen der Firma KARL MAYER Textilmaschinenfabrik GmbH (Deutschland)


Abbildung 2: Schädigung und Verschleiß von Maschinenteilen bei der Verarbeitung von CFHT auf der MALIMO 14024
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Abbildung 3: Unvollständige Aufnahme von Carbon Fiber Heavy Tows in die Aufnahmeelemente der Transportkette

Zukünftig erfolgt die Verarbeitung der CFHT auf einer MALITRONIC Multiaxial Nähwirkmaschine (Fa. KARL MAYER Textilmaschinenfabrik GmbH, Deutschland) (Abbildung 1, rechts). Diese Maschine entspricht dem neusten Industriestandard, auch bezüglich der Arbeitsbreite von 100“. Durch den modularen Aufbau der Nähwirkmaschine ist eine individuelle Integration zusätzlicher Arbeitsschritte wie Beschichten oder Schneiden möglich (Abbildung 4). Für den vorliegenden Anwendungsfall werden nach der Nähwirkstelle zusätzliche Module integriert um Platz für eine Beschichtungs- und Trocknungseinheit zu schaffen. Durch die Einführung von Kompensationsfadenspannelementen am Leger und Kettfadenlieferwerk ist eine kontinuierliche Verarbeitung der CFHT von der Spule unter konstanter Fadenspannung möglich. Die Aufnahmeelemente der Transportkette bestehen aus vertikal und horizontal angeordneten Stiften. Diese längeren, dickeren Stifte besitzen einen größeren Abstand untereinander, somit ist die sichere Aufnahme und der sichere Transport der CFHT gewährleistet (Abbildung 5). Im Anschluss an die Nähwirkstelle wurde eine eigens entwickelte Beschichtungs- und Trocknungseinheit für die Verarbeitung von CFHT Bewehrungstextilien integriert (Abbildung 6). Für die schädigungsarme Speicherung der FLNWS kommt ein Zentrumswickler zum Einsatz.

Abbildung 4: Integration von Arbeitsschritten in die modular aufgebaute MALITRONIC Multiaxial Nähwirkmaschine.

Abbildung 5: Transportelemente und Transportkette an der MALITRONIC Multiaxial Nähwirkmaschine

Abbildung 6: In die MALITRONIC Multiaxial Nähwirkmaschine integrierte Beschichtungseinheit

Veröffentlichungen

2011

• Berger, U.; Hausding, J.; Quinones, V.; Plaggenborg, B.; Zeidler, G.; Cherif, Ch.; Weiland, S.: Production concepts for textile reinforcements made of 50K carbon filament yarn for civil engineering applications. In: SAMPE Europe SEICO 11. Paris, 2011

2010

• Berger, U; Cherif, Ch.: Textile Hochleistungswerkstoffe zur Betonbewehrung. In: 2. Anwendertagung Textilbeton, Dresden, 1.10.2010, S.18, CD-Rom.
• Berger, U.; Hausding, J.; Jesse, F.; Plaggenborg, B.; Cherif, Ch.: High performance textile reinforcements based on carbon fiber heavy tows. In: ACI 2010 Fall Convention. Pittsburgh, Pennsylvania, USA, October 24-28, 2010