Faserverbundwerkstoffe
Endlosfaser- und textilverstärkte Verbundwerkstoffe bieten bei der Entwicklung material- und energieeffizienter Strukturbauteile zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Bauweisen. Dabei kommt insbesondere dem funktionsintegrierenden Leichtbau in textiler Mischbauweise ein enormer Stellenwert zu. Besonders die hohe Festigkeit und Steifigkeit bei extrem geringem Gewicht, die einstellbaren kurzzeitdynamischen Eigenschaften, die große Vielfalt textiler Verfahren und Strukturen sowie die wirtschaftliche Fertigung mit hoher Reproduzierbarkeit, die Serientauglichkeit und die Recyclingfähigkeit machen die noch junge Werkstoffgruppe der endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffe in einer Vielzahl von High-Tech-Anwendungen für zukünftige Leichtbauanwendungen in unterschiedlichen Branchen besonders interessant und aussichtsreich. Textilverstärkte Verbundwerkstoffe besitzen im Vergleich zu anderen Werkstoffgruppen die größte Flexibilität und sind damit für die im Leichtbau bei komplexen Anforderungen gebotene Mischbauweise mit optimalem Materialmix geradezu prädestiniert.
Textile Werkstoffe und Halbzeuge als innovative Werkstoffe weisen ein extrem vielfältiges Eigenschaftspotenzial auf und stellen in Gegenwart und Zukunft eine bedeutende Hightech-Werkstoffgruppe dar. Sie sind eine Grundvoraussetzung zur Schaffung von innovativen Produkten mit neuen skalierbaren Eigenschaften. Endlosfaserverstärkte Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine flexible Anpassbarkeit der Werkstoffstruktur und damit durch eine gezielte Einstellbarkeit der Werkstoffeigenschaften und der Eigenschaftsanisotropie an die bestehenden Verarbeitungs- und Bauteilanforderungen aus.
So können beispielsweise die folgenden Textilkonstruktionen für den Leichtbau mit maßgeschneiderten Eigenschaften durch das aktive und zielgerichtete Formen des textilen Werkstoffes erzielt werden:
- beliebige räumliche Anordnung der kraftaufnehmenden Fadensysteme (1D, 2D und 3D),
- kraftschlussgerechte Ausrichtung der Garne und Bestimmung der Anzahl der kraftaufnehmenden Fadensysteme je nach Belastungsfall, z. B. biaxial, multiaxial oder polar,
- Anpassung an die Bauteilgeometrie und Designgestaltung, z. B. Freiformflächen, komplexe Profile, schlauchförmige Strukturen, Spacer-Strukturen sowie
- Hybridisierung von mehreren Werkstoffen und Funktionsintegration zu beispielsweise Metall-FKV-Bauteilen in Multimaterialdesign.
Derzeit findet ein Paradigmenwechsel statt, aufgrund dessen sich die Industrie mehr und mehr von traditionellen monolithischen Werkstoffen, z. B. Aluminium und Titan, löst und sich stattdessen zunehmend auf Faserverbundwerkstoffe konzentriert. Dieser Entwicklungsprozess ist bereits weit fortgeschritten und wird durch das ITM mittels maßgeschneiderter Gestaltung der textilen Konstruktionen und flexibler Verarbeitung zu nahezu unbegrenzt komplexen Strukturen mit skalierbaren Eigenschaften und hoher Ressourceneffizienz revolutioniert.
Mit Hochleistungsfaserstoffen und lastangepassten Net-Shape-Textilstrukturen lassen sich ein breites Variationsspektrum und eine enorme Vielfalt von Anwendungen erzielen, die anforderungsgerechtes Maßschneidern von lasttragenden Strukturen zu Multimaterialverbunden im Hinblick auf Festigkeit, Steifigkeit und Impaktverhalten sowie Funktionsintegration erfordern.
Die F&E-Aktivitäten des ITM sind auf folgende moderne Werkstoffgruppen in Multimaterialdesign fokussiert und werden im Rahmen von mehreren Exzellenzinitiativen und Großvorhaben gemeinsam mit der Industrie vorangetrieben: