FVK-Gelenke – Adaptive 3D-gewebte Faserverbundstrukturen mit hoher Dauerfestigkeit

Das Projekt zur Entwicklung adaptiver 3D-gewebter Faserverbundstrukturen mit hoher Dauerfestigkeit wurde durch den stetig wachsenden Energieverbrauch von Gebäuden motiviert. Dieser ist begründet durch den Klimawandel gefolgt von steigenden Temperaturen und einem wachsenden Bedarf für die Klimatisierung von Innenräumen bei unzureichender Verschattung. Um dem steigenden Energieverbrauch entgegenzuwirken, werden neue Verschattungssysteme benötigt, die sich selbst stufenlos regulieren und auch komplexe Fassadengeometrien (moderne Architektur) verschatten können. Hier kommen standardisierte Fassadenverschattungssysteme an die Grenzen im Hinblick auf die volle Flächenabdeckung und ebenso die Dauerfestigkeit, da herkömmliche Beschattungen auf Starrkörpermechanismen beruhen, die über mechanische Gelenke miteinander verbunden sind. Diese Gelenke können – Umweltbedingen ausgesetzt – zu einer hohen Wartungsintensität durch Reibung und Verschleiß führen.

In der Biologie sind viele Ansätze für gelenklos funktionierende Bewegungsapparate zu finden (vgl. Projekte A03 und A04 sowie BIAG), die in die technische Anwendung übertragbar sind und somit zu einem robusteren Gesamtsystem führen. Bei der Integration von expandierenden, pneumatischen Aktuatoren in den Lagenaufbau können Delaminationen im Faserverbund auftreten, die zu einem frühzeitigen Versagen des adaptiven Bauteils bzw. zu einer Veränderung von dessen Verformungseigenschaften führen. Die 3D-Webtechnik bietet die Möglichkeit zwischen den Einzellagen des Faserverbundkunststoffes interlaminare Verbindungen durch Abbindungen im Gewebe zu integrieren. So kann effektiv eine Delamination in der Aktuierungsebene verhindert werden.

Im Projekt FVK-Gelenke hat ein interdisziplinäres Team aus Architekten, Bau- und Textilingenieuren basierend auf o.g. Ansatz ein dauerfestes Mehrschicht-Faserverbundgelenk entwickelt. Innerhalb des Projektes konnte ein weiterer Vorteil der 3D-Webtechnik in Bezug auf adaptive FVK-Bauteile gezeigt werden: Die Herstellungszeit den Faserverbundbauteils wird erheblich verkürzt, da auf den zeitaufwändigen Stacking-Prozess (Einzellagen-Schichtaufbau) verzichtet werden kann. Die mechanische und simulative Anlayse von verschiedenen Bindungen und Gradienten im und am Übergang des bewegten Flaps zum Gelenk führte zu der Entwicklung eine ±45°-Bindung – in dieser Form erstmalig auf einer 3D-Webmaschine umgesetzt. Das Projekt wurde mit der öffentlichkeitswirksamen Präsentation des Demonstrators abgeschlossen.

Projektlaufzeit
August 2020 – November 2022

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, Lena Schwill

ITKE Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen
Universität Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Mona Mühlich, Axel Körner

Förderung
Das IGF-Vorhaben 21293 N 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.

Öffentlicher Abschlussbericht
Der Abschlussbericht des Forschungsvorhabens 21293 N ist an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) erhältlich.