Tribologische Untersuchungen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Kohlenstofffasern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Modell entwickelt, um die tribologischen Größen Reibung und Verschleiß von Tribosystemen mit Kohlenstofffilamentgarnen zu ermitteln. Das Modell basiert auf einer in einem ebenfalls entwickelten Modellprüfstand erhobenen Datenbasis. Die Prüfkörper des Modellprüfstandes entsprechen Tribosystemen, welche in realen Verarbeitungsprozessen vorkommen, sowie Variationen hinsichtlich Form, Oberfläche und Werkstoff. Die drei Prüfstandskategorien realer Prozess, Nachbildung im Modellprüfstand und virtuelles Modell sind miteinander wechselseitig validiert. Daher kann eine Aussage über die tribologischen Größen des virtuellen Modells sowohl auf den Prüfstand als auch auf einen realen Prozess transferiert werden. Die Reibung wird durch Fadenspannungsänderung bestimmt. Für den Verschleiß wird die Abschattung einer Lichtschranke, welche das Garn streift, gemessen. Garnunregelmäßigkeiten, bspw. Dickenschwankungen, welche in einer Abhängigkeit zum Schaden des Garnen stehen, können somit gemessen werden. Für jedes Tribosystem ist somit ein Kennwert für die Reibung, der Reibwert Q, und für den Verschleiß, die Filamentbruchrate ηfil, messbar. Mittels Messungen der Tribosysteme in realen Maschinen/Prozessen und Messungen der Tribosysteme im Prüfraum des Messsystems kann ein Betriebsversuch durch einen Modellversuch ersetzt werden. Dies erlaubt eine bessere Handhabung und Variationsmöglichkeit bei der Messung des tribologischen Verhaltens. Die Abhängigkeit der Kenngrößen Q und ηfil von den Eigenschaften des Tribosystems wurde im Modellprüfstand gemessen. Es existieren Prüfkörper unterschiedlicher Form (Walze, Fläche, Fadenauge) aus unterschiedlichen Materialien (Metalle, Keramiken) und Oberflächenbehandlungen (z. B. chromiert, poliert, beschichtet). Die Prüfkörper wurden mit unterschiedlichen Fadenverlaufsgeometrien und Fadengeschwindigkeitsprofilen geprüft. Im Rahmen der Messgenauigkeit ist kein Einfluss der Beschleunigung des Fadens auf den Reibwert Q messbar. Jedes Geschwindigkeitsprofil kann somit aus seinen Einzelgeschwindigkeiten entwickelt werden. Weiterhin wurde ein virtuelles Modell (künstliches neuronales Netz) auf Basis der Messungen trainiert und validiert. Mithilfe des Modells ist es möglich, Reibwerte innerhalb des Untersuchungsraumes (u. a. Material, Umlenkungswinkel, Geschwindigkeit) vorherzusagen. Das virtuelle Modell bietet die Möglichkeit neue Fadenleitelemente effizient auszulegen. Eine Verbesserung heutiger Produktionsprozesse hinsichtlich Produktivität und Qualität ist mit Hilfe des virtuellen Modells zielgerichtet möglich. Aufbauend auf den Erkenntnissen der ersten Projektstufe von TriboCarbon werden zwei weiterführende Ansätze verfolgt: zum einen die garnseitige Betrachtung des textlien Flächenehrstellungsprozesses (zweite Phase von TriboCarbon), zum anderen die Betrachtung von keramischen Materialien und deren Material- und Oberflächeneigenschaften (DFG-Transfer-Projekt). In der zweiten Phase des TriboCarbon-Projekts soll eine Erweiterung des virtuellen Modells durch die Einflussgrößen des verwendeten Garnes realisiert werden. Dazu werden Avivage, Filamentanzahl und Filamentdurchmesser variiert. Die Ergebnisse werden dann mit Hilfe des virtuellen Modells dazu verwendet den textilen Flächenherstellungsprozess weiter zu verbessern. Im geplanten DFG-Transfer-Projekt sollen weiterführend Keramiken hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und Oberflächentopologie erfasst werden. Aus diesen Erkenntnissen werden dann in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner neue, für die Kohlenstofffilamentgarn-Verarbeitung besser geeignete, Keramiken entwickelt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Tribology at ITA. Dörfel, Annett (Ed.): Proceedings of the 4th Aachen-Dresden International Textile Conference, Dresden, November 25-26, 2010. - Dresden : Institute of Textile Machinery and High Performance Materials Technology (ITM), 2010, Paper: p74_rosiepen.pdf
Rosiepen, C.; Hehl, A.; Gries, T.
- Tribology of Textiles : Introducing a Unique Tribosystem. Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. (Hrsg.): Friction, Wear and Wear Protection : European Conference on Friction, Wear and Wear Protection and Related Areas, 26 – 27 Oct 2011, Karlsruhe, Germany
Rosiepen, C.; Hehl, A.; Walter, S.; Seide, G.; Gries, T.
- Textile Tribologie : Verarbeitung von Hochmodulfasern. Technische Textilien 3/2012, S. 102-104
Rosiepen, C.; Gries, T.
