Adaptive Faserverbundstrukturen auf Basis naturfaserverstärkter Kunststoffe mit PV-funktionalisierter Oberfläche

Die Forschungsarbeiten der beteiligten Institute zeigen, dass Faserverbundkunststoffe (FVK) aufgrund ihrer hohen zyklischen Festigkeit für nachgiebige Mechanismen in lasttragenden Bauteilen geeignet sind. Experimente mit duroplastischen und thermoplastischen Matrizes haben jedoch offenbart, dass in stark verformten Bereichen Spannungsspitzen auftreten, die die Festigkeit über die Gebrauchsdauer hinweg beeinträchtigen können. Durch die Integration von Elastomerschichten lassen sich diese Spannungsspitzen mindern, wodurch die zyklische Festigkeit erheblich verbessert wird (vgl. FlexaFold und FlectoSol). Ebenso konnte gezeigt werden, dass durch thermoplastische Matrizes die Veränderung der mechanischen Eigenschaften über den Bauteillebenszyklus aufgrund von reduzierter Matrixschädigung geringer ausfällt und folglich die Lebensdauer erhöht ist. Die Forschungsarbeit am ITECH Research Demonstrator 2018–19 und Projekt FVK-Gelenke bewies die Hypothese, dass unidirektionale (UD) FVK im Vergleich zu Gewebestrukturen besser für die Umsetzung von adaptiven Strukturen geeignet sind: Im Gewebe werden die Rovings an den Bindungspunkten geklemmt und fixiert, was ein Verschieben der Fasern zueinander auf Mikroebene verhindert.

Als Lösungsansatz, der die genannten Ergebnisse in einem Vorhaben bündelt und gleichzeitig Aspekte der Nachhaltigkeit berücksichtigt, werden im Projekt „BioSunShade“ innovative 3D-UD-Gewebes aus thermoplastischen Hybridgarnen auf Basis von Flachsfasern für adaptive Bauteile untersucht. Die neue Materialstruktur soll eine verbesserte zyklische Festigkeit bieten und gleichzeitig mit Photovoltaik und Sensorik funktionalisiert werden, um ein energieautarkes, selbstregulierendes Verschattungssystem zu realisieren. Die Entwicklungsarbeit umfasst die Charakterisierung der Materialeigenschaften und die Erstellung eines „Design-Tools“, das mechanische Eigenschaften und Formfindungsalgorithmen für adaptive Bauteile berücksichtigt. Damit bietet das Projekt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, nicht nur im Markt der Verschattungsbauteile, sondern auch in anderen Industriezweigen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Projektlaufzeit
September 2024 – August 2026

Projektteam
DITF Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Dr.-Ing. Hans-Jürgen Bauder, Hermann Finckh, Florian Fritz, Felix Wollenhaupt

ITFT Institut für Textil- und Fasertechnologien
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser, Dr.-Ing. Larissa Born, Lisa Weiß, Matthias Ridder

ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Dr.-Ing. Axel Körner, Edith Anahi González San Martín

Förderung
Das IGF-Vorhaben 01IF23371N/2 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Textil e.V., Reinhardtstraße 14-16, 10117 Berlin wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.