Prozesskettenentwicklung zur Produktion dreidimensional geflochtener keramischer Strukturen für Hochtemperaturanwendungen

Oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe (engl.: Oxide-Fibre-Composites; OFC) sind aufgrund ihres quasi-duktilen Bruchverhaltens, der hohen Dauereinsatztemperatur sowie der chemischen und oxidativen Beständigkeit eine potenzielle Schlüsseltechnologie für zukünftige Anwendungen in Luftfahrt und Energietechnik. Die inhärente Schwäche von OFC, durch die der Einsatz eingeschränkt wird, ist die hohe Scheranfälligkeit. Das Ziel der Arbeit ist die Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit von OFC durch eine simulativ ausgelegte dreidimensional geflochtene Verstärkungsstruktur. Zur Verarbeitung spröder Oxidkeramikfasern wird ein faserschonender Klöppel mit adaptiver Fadenführung zur Minimierung der auf den Roving wirkenden Querkräfte entwickelt. Durch die Adaption eines auf magnetischen Näherungssensoren basierenden Fadenbruchdetektionssystems auf Rückspulklöppel kann auf zusätzliche Fadenleitelemente verzichtet werden. Die Prozessauslegung wird durch die Erstellung eines virtuellen Zwillings mittels der Kombination eines Auslegungstools und einer Mehrkörpersimulation ermöglicht. Zur Modellierung der textilen Struktur wird eine topologische Simulation mit einem Kompaktierungsalgorithmus erweitert. Durch die adaptive Fadenführung kann gegenüber einer herkömmlichen Fadenführung die Fadenspannungsschwankung um 43 % und die Filamentbruchrate um 55 % gesenkt werden. Im Rahmen eines Benchmarks von 2D-gewobenen OFC mit 3D-geflochtenen OFC wird bedingt durch einen z-Faseranteil von 13,1 % in Belastungsrichtung ein Anstieg der interlaminaren Scherfestigkeit von 96 % festgestellt. Durch das simulationsgestützte Auslegungstool ‚Virtual Braiding Simulation‘ (ViBraSi) ist die Variation der Preformarchitektur und die Erstellung eines digitalen Materialmodells auf Mikroebene möglich.