highSTICK: Konzept und Prüfung gestickter 3D-Strukturen

Das Ziel des Verbundprojektes, welches im Rahmen des innovativen regionalen Wachstumskerns "highStick" bearbeitet wird, besteht darin, unter Nutzung der Sticktechnologie dreidimensionale belastungsorientierte Strukturen herzustellen, die als Verstärkungsmaterial für Metall-Matrix-Composites (MMC) im allgemeinen Maschinenbau (vorzugsweise Automobilbau) dienen. Die belastungsgerecht gestickten 3D-Strukturen sollen als Randschalenverstärkung in eine Gussform eingebracht werden und so zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Bauteile bei gleichzeitiger Massereduzierung führen.

Seitens der Westsächsischen Hochschule Zwickau sind folgende Hauptaufgaben zu lösen:

1. Es ist eine Möglichkeit zu entwickeln, belastungsgerecht dimensionierte dreidimensionale Gesticke herzustellen und zu fixieren, so dass sie als starre Preform für ein  Faserverbundbauteil genutzt werden können.
2. Die gestickten 3D-Preforms sollen mittels eines speziellen Gießverfahrens (Hohlkörpergießen) in eine Metallmatrix eingebracht werden.
3. Dabei sind die Hochleistungsfaserstoffe auf ihre Verstickbarkeit zu prüfen und Wege zur Verbesserung der Verstickbarkeit zu suchen (durch Beschichtung der Materialien und/ oder konstruktive Änderungen an der Stickmaschine).
4. Die gestickten Strukturen sind auf ihre Festigkeitseigenschaften zu prüfen.

Es ist eine Lösung für die Herstellung gestickter 3D-Strukturen gefunden worden, die es ermöglicht, beliebige 3D-Verläufe (rotationssymmetrische und unregelmäßige Körper) nachzubilden, was an Beispielen für Testgeometrien, Demonstratoren und konkrete Bauteile nachgewiesen  werden konnte.

Weiterhin wurden verschiedene Wege zur direkten Übernahme von CAD-Daten aus Grafikprogrammen in das Punchprogramm untersucht. Es konnte an Beispielen gezeigt werden, dass diese Datenübernahme prinzipiell funktioniert, eine vollständige Automatisierung bedarf weiterer Entwicklungen.

Das Projekt umfasste auch die Untersuchung der Verstickbarkeit verschiedenster textiler und nichttextiler Materialien. So wurden herkömmliche Stickmaterialien und speziell beschichtete herkömmliche Stickgarne sowie Hochleistungsfaserstoffe und Drähte auf ihre Verarbeitbarkeit unter Nutzung der Mehrkopftechnik (Tajima und ZSK) getestet. Im Zuge dessen konnten Vorschläge für konstruktive Änderungen an den Mehrkopfstickmaschinen unterbreitet werden, welche auch umgesetzt worden sind.

Am Beispiel eines konkreten Bauteiles (Dämpfergabel) wurden gestickte 3D-Strukturen in einer Aluminiumlegierung vergossen. Hierfür ist das Gestick nicht nur verstärkungsgerecht ausgelegt worden, sondern es sind zusätzliche Halte- und Fixierungselemente eingebracht worden, die ein Verschieben in der Gussform verhindern sollten.

Für die im Rahmen des Projektes verwendeten Hochleistungsfaserstoffe (E-Glas-Zwirn, AR-Glas-Roving, Basalt-Roving, Carbon-Roving) wurden im Ergebnis textilphysikalischer Untersuchungen allgemein gültige Regressionsgeraden zur Bestimmung der Zugfestigkeit aufgestellt. Diese sind beispielsweise für die Ermittlung der zu erwartenden Verstärkungswirkung der 3D-Strukturen nutzbar.

Während der Bearbeitung des Projektes konnten die wesentlichen Probleme gelöst werden, es ergaben sich aber auch neue Themen, an deren Lösung in zukünftigen Projekten weitergearbeitet werden sollte (z.B. Klärung der Automatisierung der Datenübernahme vom Konstruktions- in das Punchprogramm; weitere Untersuchungen zur Beschichtung, um sowohl die Verstickbarkeit als auch die Einbindung in die Metallmatrix zu gewährleisten).

Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden erreicht.