Hightex Kompetenzfeld: Textile Präzision für komplexe Faserverbundbauteile
Das in unserem haus erfundene Tailored Fiber Placement (TFP) ist unser textilbasierter Schlüsselprozess, um Fasern in Verstärkungsstrukturen exakt entlang der Lastpfade zu legen – ressourcenschonend, reproduzierbar und endkonturnah. Mit TFP schöpfen wir das volle Potenzial faserverstärkter Materialien aus und ermöglichen eine mechanisch wie wirtschaftlich optimierte Bauteilgestaltung.
Kurzvorteile: beanspruchungsgerechte Faserorientierung · geringster Verschnitt · industrielle Reproduzierbarkeit · Unabhängig vom Faserwerkstoff · konturnahe Preforms
Tailored Fiber Placement (TFP) ist ein textiles Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer, beanspruchungsgerechter Verstärkungsstrukturen für Faserverbundbauteile. Technisch basiert TFP auf einem modifizierten Stickverfahren: CNC‑gesteuerte Automaten platzieren Rovings (z. B. Carbon‑, Glas‑ oder Aramidfasern) auf einem Trägermaterial („Stickgrund“) entlang beliebig gekrümmter Kurven und fixieren sie durch Nähstiche. Dadurch entstehen ebene Teil‑Preforms (Sub‑Preforms) mit variabler Faserorientierung in der Ebene – die Grundlage für eine beanspruchungsgerechte, optimale Bauteilmechanik.
Abgrenzung zu klassischen Faserlegeverfahren: Im Gegensatz zu Verfahren mit denen Preforms aus unidirektionalen, gewebten oder gelegten Halbzeugen gefertigt werdenermöglicht TFP die gezielte Führung von Rovings in frei definierbaren Kurven inklusive lokaler Aufdickungen durch wiederholtes Übereinandernähen. Das Ergebnis: lastpfadoptimierte Faserverläufe, minimierter Materialverbrauch und eine deutliche Reduktion der Aufwandes für die Herstellung der Preforms.
Grundprinzip in Kürze:
Die TFP-Technologie wurde Anfang der 1990er-Jahre am IPF Dresden entwickelt.Die Entwickler des TFP, Dr. Gliesche und Dr. Dirk Feltin gründeten 1993 das Unternehmen Hightex.
Ursprünglich entstanden die Verstärkungsstrukturen (Preforms) in Handarbeit, nachdem aus der Industrie der Bedarf an faserverstärkten Kunststoffbauteilen (FVK) mit spannungsoptimierter, gekrümmter Faserführung geäußert wurde. Mitte der 1990er Jahre passte man das Verfahren so an, dass es auf industriellen Stickmaschinen umsetzbar war, wobei deren Nähfunktionen gezielt genutzt wurden. Der Begriff „Tailored Fiber Placement“ (maßgeschneiderte Faserablage) bezieht sich auf die Möglichkeit, Fasern variabel, axial und endkonturnah zu positionieren.
TFP ist ein hochmodernes, CNC-gesteuertes Stickverfahren, das Verstärkungsfasern (wie Carbon oder Glas) exakt dort platziert, wo sie mechanisch benötigt werden.
Ableitung der gewünschten Faserverläufe aus Simulations- und Bemessungsdaten.
Überführung des Faserverlaufs in CNC‑Stickbahnen mit definierter Stichweite und Nähparametern.
Gekrümmte, beanspruchungsgerechte Ablage der Rovings auf dem Stickgrund, inkl. definiertem Spreizen der Rovings.
Festnähen der Rovings (Ober-/Unterfaden) – kompatibel mit späterem Harz-/Matrixsystem.
Bildung von Sub‑Preforms; ggf. Fügen mehrerer Teilstrukturen, Drapieren für doppelt gekrümmte Geometrien.
Infiltration mit einer duroplastischen Matrix oder thermoplastische Konsolidierung zum finalen Faser‑Kunststoff‑Verbund
Faserorientierung, Stichweite, Nähgeschwindigkeit, Faden-/Garnsystem, Trajektoriengenauigkeit, Rovingbreite (inkl. Spreizen), Übernähhäufigkeit zur lokalen Dickeneinstellung.
Carbon, Glas, Aramid sowie natur- und keramikbasierte Fasern. Der Stickgrund kann prozessbedingt nachgelagert entfernt werden und beeinflusst die spätere Struktur dann nicht.
TFP‑Sub‑Preforms lassen sich prozesssicher in alle Faserverbundbauteile integrieren und mit weiteren Preforming‑Technologien kombinieren. Für das Fügen und Montieren der Preforms sind anwendungsspezifische Werkzeuge sinnvoll (z. B. beheizte Formen), um Drapierfähigkeit, Radien, Faservolumengehalt und Schichtdickenverläufe optimal einzustellen.
Vorteile (Auszug):
Potenzielle Nachteile / Herausforderungen:
Fasern: alle textil verarbeitbaren Fasern können in Abhängigkeit von den konkretem Anforderungen an Mechanik, Temperatur- und Medienbeständigkeit genutzt werden
Matrixsysteme: alle Matrixsysteme möglich, Duroplaste und Thermoplaste; auch Hybridgarne und vorimprägnierte Systeme, wie Tapes oder Towpregs können verarbeitet werden
Eigenschaftsprofil (beispielhaft):
Luftfahrt: Rahmen- und Stringerstrukturen, Sitzkomponenten, Winglets – Gewichtsreduktion bei hoher struktureller Integrität.
Automobil: Crashrelevante Verstärkungen, lokale Versteifungen, lastpfadgerechte Leichtbaukomponenten.
Raumfahrt: hochtemperaturstabile Strukturen, Antennen‑ und Rahmenbauteile mit präziser Faserführung.
Industrie & Maschinenbau: Robotik‑Arme, Rotor‑/Druckbehälter‑Preforms, Sportgeräte und präzise Gehäusestrukturen.
Aus unserer Erfahrung zeigt sich: Tailored Fiber Placement entfaltet seinen größten Nutzen, wenn Lastpfade aus der Simulation konsequent in optimierte Verstärkungsstrukturen und Preforms überführt werden und die Chancen einer großserienfähigen Fertigung früh berücksichtigt werden. Zwei fiktive, aber realistisch angelegte Beispiele veranschaulichen typische Ergebnisse.
Aufgabe: Gewichts- und Verschnittreduktion bei einer Fensterrahmen‑Verstärkung in CFK.
Ansatz:
Ergebnis (typische Größenordnung):
Aufgabe: Leichtbau‑Verstärkung mit lokaler Energieaufnahme bei limitierter Einbauhöhe.
Ansatz:
Ergebnis (typische Größenordnung):
TFP (Tailored Fiber Placement) ist ein textilbasiertes Stick‑/Nähverfahren zur Ablage einzelner Rovings entlang gekrümmter Lastpfade auf Stickgrund. AFP (Automated Fiber Placement) legt vorgespreizte Tapes/Tows mittels Legeköpfen ab. TFP bietet hohe Trajektorienfreiheit und endkonturnahe Preforms auf textilem Substrat.
Die Stichweite beeinflusst die Fixierung und lokale Konsolidierung des Rovingverlaufs. Zu wählen ist eine Stichgeometrie, die die Faserlage sicher fixiert, ohne ungewünschte Kerb‑ oder Harzanhäufung zu begünstigen – abgestimmt auf Garn, Rovingbreite und Matrixsystem.
Carbon‑, Glas‑, Aramid‑, Natur‑ und Keramikfasern; Matrixsysteme aus Duro‑ oder Thermoplasten. Wichtig sind kompatible Garn‑/Unterfaden‑Systeme und ein prozessgeeigneter Stickgrund.
Die erreichbare Festigkeit ist bauteilspezifisch und hängt von Fasertrajektorien, Lagenaufbau, Rovingbreite, Stichbild sowie Harzsystem ab. Durch lastpfadgerechte Faserführung lassen sich herausragende mechanische Kennwerte bei geringer Streuung erzielen. Im Ergebnis sind die zulässigen Spannungen in TFP-Bauteilen üblicherweise höher als in klassischen FVK-Bauteilen.
Maximierte Materialeffizienz durch lastpfadoptimierte Mechanik, reproduzierbare Serienfähigkeit und konturnahe Preforms – insbesondere für komplexe Geometrien. Die endkonturnahe Fertigung der Preforms reduziert den Verschnitt und verbessert dadurch nicht nur die Kostensituation sondern ist auch ein signifikanter Nachhaltigkeitsvorteil.
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