Was ist 3D-Weben? In drei Achsen gewebte Preforms

Worin sich 3D-Weben vom 2D-Weben unterscheidet

In herkömmlichen Geweben (Leinwand, Köper, Atlas) verlaufen Kett- und Schussfäden in einer einzigen Ebene über- und untereinander. Ein solches Gewebe ist meist nur Bruchteile eines Millimeters dick. Für ein dickes Verbundbauteil werden aus diesen Geweben zugeschnittene Lagen gestapelt, mit Harz verbunden und ausgehärtet. Das Ergebnis heißt Laminat.

In einem Laminat verlaufen die Fasern nur in der Ebene der jeweiligen Lage. Das Einzige, was die Lagen in Dickenrichtung zusammenhält, ist die dünne Harzschicht zwischen ihnen. Da Harz wesentlich weniger fest und zäh ist als die Faser, ist ein Laminat unter Lasten in der Ebene fest, unter Zug in Dickenrichtung und interlaminarem Schub aber schwach. Die Trennung der Lagen voneinander, bekannt als Delamination, ist die bekannteste Folge dieser Schwäche.

Beim 3D-Weben entsteht die Dicke durch den Webvorgang selbst. Die Webmaschine führt viele Kettfadenlagen gleichzeitig zu; Schussfäden werden zwischen diese Lagen eingetragen, und Bindefäden verlaufen durch die Dicke, um die Lagen miteinander zu verbinden. Die Struktur enthält keine voneinander unabhängigen Lagen: Die Preform ist vom Moment des Webens an ein einziges Stück.

Drei Achsen: Kette, Schuss und Bindefaden

• Kette (X): Fäden, die in Längsrichtung durch die Webmaschine laufen, also in Produktionsrichtung des Gewebes. Ein 3D-Gewebe enthält mehrere übereinanderliegende Kettfadenlagen.
• Schuss (Y): Fäden, die rechtwinklig zur Kette zwischen die Lagen eingetragen werden. Jeder Eintrag kann Schussfäden in mehreren Höhen platzieren.
• Bindefaden (Z): in Kettrichtung zugeführte Fäden, die sich durch die Dicke auf und ab bewegen. Sie verriegeln die Lagen mechanisch miteinander und sorgen für die Delaminationsbeständigkeit.

Die Achsbezeichnungen folgen der in der Verbundwerkstofftechnik üblichen Koordinatenkonvention: X und Y sind die Richtungen in der Ebene, Z ist die Dickenrichtung. Bindefäden machen meist nur einen kleinen Teil der gesamten Fasermenge aus; die Lasten in der Ebene werden weiterhin überwiegend von Kette und Schuss getragen. Mehr Bindefaden bedeutet eine festere Verbindung in Dickenrichtung, aber weniger Faser für die Richtungen in der Ebene. Dieses Gleichgewicht zu finden, ist eine der zentralen Entscheidungen bei der Auslegung eines Webmusters.

Wie 3D-Weben funktioniert

Eine 3D-Webmaschine behält die Grundoperationen des herkömmlichen Webens bei, wendet sie aber auf eine mehrlagige Kette an. Ein Webzyklus besteht aus folgenden Schritten in dieser Reihenfolge:

1. Fachbildung: Kett- und Bindefäden werden gemäß Webmuster auf unterschiedliche Höhen angehoben; zwischen den Lagen öffnen sich mehrere Fächer.
2. Schusseintrag: Schussfäden werden durch die geöffneten Fächer geführt.
3. Anschlag: Das Webblatt schiebt die neuen Schussfäden an den Warenrand.
4. Bindefadenbewegung: Die Bindefäden werden gemäß Muster zur Ober- oder Unterseite geführt und umschlingen die Schusssäulen durch die Dicke.

Das Webmuster ist eine Tabelle, die für jeden Schusseintrag festlegt, in welcher Höhe sich jeder Faden befindet; es wird häufig von computergesteuerten Fachbildesystemen ausgeführt. Das Muster kann sich während des Webens ändern, um dem Querschnitt des Bauteils zu folgen. So kann die Webmaschine nicht nur ebene Platten, sondern auch Preforms mit veränderlicher Dicke oder Krümmungen herstellen. Preforms für T-, Π- und H-Profile werden auf der Webmaschine geschlossen (flach gefaltet) gewebt und nach dem Abnehmen von der Maschine zum Querschnitt aufgeklappt.

Das mehrlagige Weben spröder, abriebempfindlicher Fäden wie Kohlenstofffasern erfordert eine sorgfältige Kontrolle von Fadenspannung und Reibung. Die Literatur weist darauf hin, dass beim Weben entstehende Fadenschäden und Ondulation die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs in der Ebene beeinflussen können (Mouritz und Cox, 2010). Konstruktion der Webmaschine und Webparameter wirken sich daher unmittelbar auf die Qualität eines 3D-gewebten Produkts aus.

Architekturen von 3D-Geweben

Der Weg, den die Bindefäden durch die Dicke nehmen, bestimmt die Architektur eines 3D-Gewebes. In der Literatur werden drei Haupttypen beschrieben (Tong, Mouritz und Bannister, 2002).

Orthogonales Gewebe

Die Bindefäden durchqueren die gesamte Dicke senkrecht; Kett- und Schussfäden bleiben weitgehend gestreckt. Gestreckte Fäden tragen zur Steifigkeit in der Ebene bei, während die Bindefäden Ober- und Unterseite direkt verbinden. Der Schnitt im obigen Diagramm zeigt diese Architektur.

Lagenweises Angle-Interlock-Gewebe (Layer-to-Layer)

Die Bindefäden durchqueren nicht die gesamte Dicke; jeder verbindet benachbarte Lagen unter einem Winkel. Die Lagen greifen wie Kettenglieder ineinander. Diese Struktur passt sich meist leichter an eine Form an, und die Dicke lässt sich durch zusätzliche Lagen erhöhen.

Durchgehendes Angle-Interlock-Gewebe (Through-Thickness)

Die Bindefäden durchqueren die gesamte Dicke unter einem Winkel. Diese Architektur liegt im Gleichgewicht zwischen Verbindung in Dickenrichtung und Eigenschaften in der Ebene zwischen den beiden anderen.

Die Architektur wird gewählt, indem Lastfall, Dicke, Anforderungen an die Formanpassung und Produktionsrate gemeinsam abgewogen werden. In verschiedenen Bereichen desselben Bauteils können auch unterschiedliche Muster verwendet werden.

Hybrides 3D-Weben

Da Kett-, Schuss- und Bindefäden der Webmaschine getrennt zugeführt werden, kann jede Achse eines 3D-Gewebes eine andere Faser verwenden. Kohlenstofffasern können in der lasttragenden Richtung für Steifigkeit sorgen, während Aramid in den Bindefäden oder an einer schlaggefährdeten Oberfläche und Glasfasern dort eingesetzt werden können, wo Kosten oder elektrische Isolation im Vordergrund stehen. Die unterschiedlichen Fasern werden in einer einzigen Preform durch die Bindefäden miteinander verriegelt; anders als bei einem Hybridlaminat aus gestapelten Lagen verschiedener Werkstoffe bleiben die Übergänge zwischen den Werkstoffen auch in Dickenrichtung verbunden. Hybride 3D-gewebte Strukturen werden in der Literatur umfassend untersucht. Da sich die Fasern in Steifigkeit und Bruchdehnung unterscheiden, werden Faser- und Musterwahl zusammen mit dem Lastfall und den Einsatzbedingungen des Bauteils bewertet.

Von der Preform zum Verbundbauteil

Was von einer 3D-Webmaschine kommt, ist eine trockene Faser-Preform, die noch kein Harz enthält. Um zu einem Verbundbauteil zu werden, wird die Preform in eine Form eingelegt, und Harz wird unter Druck oder Vakuum eingebracht. Die gängigsten Verfahren dafür sind das Harzinjektionsverfahren (Resin Transfer Moulding, RTM), das vakuumunterstützte Harzinjektionsverfahren (VARTM) und die Vakuuminfusion. Nach dem Aushärten des Harzes wird das Bauteil entformt und bei Bedarf auf einer CNC bearbeitet.

Eine einteilige trockene Preform erleichtert auch die Fertigung: Dutzende Lagen müssen nicht einzeln zugeschnitten und abgelegt werden, und Fehler wie verrutschte oder im falschen Winkel abgelegte Lagen können nicht auftreten. Andererseits erfordert die vollständige Tränkung einer dicken, dicht gewebten Preform eine sorgfältige Prozessauslegung. Ist der Harzfluss unzureichend, können trockene Stellen und Poren (Porosität) entstehen.

Vorteile und Grenzen

Die Literatur fasst die wesentlichen Merkmale 3D-gewebter Verbundwerkstoffe wie folgt zusammen (Mouritz et al., 1999; Tong et al., 2002):

• Interlaminare Bruchzähigkeit und Delaminationsbeständigkeit liegen deutlich über denen vergleichbarer 2D-Laminate.
• Schlagschäden bleiben auf eine kleinere Fläche begrenzt, und die Druckfestigkeit nach Schlag (CAI) ist höher.
• Fügebereiche wie T-, Π- und H-Querschnitte lassen sich in einem Stück weben; die Zahl der Klebefugen und Verbindungselemente sinkt.
• Da die Preform in einem Stück entsteht, entfällt der Aufwand für das Ablegen der Lagen.

Dieselben Quellen benennen ebenso klar die Grenzen:

• Ondulation durch die Bindefäden und Fadenschäden beim Weben können Steifigkeit und Festigkeit in der Ebene bei manchen Strukturen unter die eines vergleichbaren Laminats senken. Wie groß der Effekt ist, hängt von Architektur, Bindefadenanteil und Fertigungsqualität ab (Mouritz und Cox, 2010).
• Um die Bindefäden können harzreiche Bereiche entstehen, von denen Schäden ausgehen können (Cox et al., 1994).
• Auslegung von Webmaschine und Muster erfordert Spezialwissen, und die Bezugsmöglichkeiten sind enger als bei Standardgeweben.

3D-Weben ist daher nicht für jede Anwendung die richtige Wahl. Die größten Vorteile ergeben sich bei Bauteilen, deren Auslegung von Delamination, Schlagschäden oder Trennung an einer Fügestelle bestimmt wird.

Vergleich: 2D-Laminat und 3D-gewebter Verbundwerkstoff

Wo 3D-gewebte Verbundwerkstoffe eingesetzt werden

3D-gewebte Verbundwerkstoffe werden in Füge- und Verbindungsteilen der Luftfahrt, in schlagbeanspruchten Komponenten wie den Fan-Schaufeln ziviler Flugtriebwerke, in Raumfahrtstrukturen, im Verteidigungsbereich und ballistischen Schutz, in Schiffsstrukturen und in unbemannten Luftfahrzeugen eingesetzt oder untersucht. Gemeinsam ist diesen Anwendungen, dass das Bauteil interlaminaren Schäden durch Schlag, Vibration oder Spannungen an einer Fügestelle ausgesetzt ist. Der Übersichtsartikel von Mouritz und Mitautoren aus dem Jahr 1999 behandelt frühe Beispiele dieser Anwendungen und die Eigenschaften, derentwegen 3D-Weben gewählt wurde.

In der Praxis

3Dwovens betreibt seit 2011 F&E im 3D-Weben; die Webmaschinen werden im eigenen Haus konstruiert und gebaut. Die OWC 3D-gewebte Karbonplatte entsteht, indem eine auf diese Weise gewebte Preform mit Epoxidharz zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet wird. Die Platte misst 500 × 250 × 6,5 mm, hat eine Dichte von etwa 1,55 g/cm³; die Glasübergangstemperatur (Tg) des Harzes beträgt 140 °C.

Laut Prüfergebnissen erreichten 3D-gewebte RTM-Proben 813–993 MPa Zugfestigkeit und 94–107 GPa Biegemodul. In denselben Prüfungen erreichten Proben aus unidirektionalem (UD) Prepreg 718–819 MPa und 82–91 GPa, Proben aus Leinwand-Prepreg 420–454 MPa und 39–41 GPa. Diese Werte gelten für bestimmte Proben und Prüfbedingungen; prüfen Sie sie unter Ihren eigenen Lastbedingungen, bevor Sie sie als Auslegungswerte verwenden. Für T-, Π-, H- oder Kastenprofile, die nach Zeichnung gewebt werden, können Sie auf der Seite Sonderanfertigung ein Angebot anfordern.

Häufig gestellte Fragen

Quellen

• Mouritz, A. P., Bannister, M. K., Falzon, P. J., Leong, K. H. (1999). Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 30(12), 1445–1461.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
• Mouritz, A. P., Cox, B. N. (2010). A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven, stitched and pinned composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(6), 709–728.
• Cox, B. N., Dadkhah, M. S., Morris, W. L., Flintoff, J. G. (1994). Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metallurgica et Materialia, 42(12), 3967–3984.
• Chen, X. (ed.) (2015). Advances in 3D Textiles. Woodhead Publishing.
• ASTM D3039/D3039M. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.
• ASTM D7264/D7264M. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.