Das Forschungsvorhaben MerVa (Methoden- und Prozessentwicklung zur Infiltration hochbelastbarer topologieoptimierter Faser-Kunststoff-Verbundbauteile mit variabelaxialer Faserarchitektur) beschäftigt sich mit der numerischen und experimentellen Untersuchung des Infiltrationsverhaltens tragwerksartiger Faser-Kunststoff-Verbund- (FKV-) Strukturen mit variabelaxialer Faserarchitektur. Diese FKV-Bauweise gilt als besonders materialeffizient und hochbelastbar, prinzipiell geeignet für viele tragwerksartige Strukturbauteile. Zur Auslegung kommen typischerweise Topologieoptimierungsansätze zum Einsatz. Die Fertigung der tragwerksartigen Strukturen geschieht in der Regel mit dem Tailored Fiber Placement (TFP)-Verfahren. Bisher stehen einer stärkeren Verbreitung eines solchen innovativen Faserverbunddesigns jedoch noch ungelöste Fragestellungen bei der Infiltration der textilen Preformen, z. B. mittels Resin Transfer Molding, entgegen. So lassen sich Angusspunkte und Fließrichtung des Injektionsharzes für eine Tragwerksstruktur bisher nur manuell und mit großem Aufwand bestimmen und optimieren, u. a. aufgrund des mehrskaligen Infiltrationsverhaltens der TFP-Halbzeuge sowie der komplexen Faserarchitektur an den Kreuzungsstellen der TFP-Roving.

In einem Gemeinschaftsvorhaben des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sollen diese bisher ungelösten Fragestellungen erforscht werden. Primäre Zielstellung des Vorhabens ist die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses des Infiltrationsverhaltens komplexer textiler TFP-Halbzeuge mit variabler Faserorientierung. Dafür wird die Mikro-Struktur von variabelaxialen TFP-Rovings experimentell analysiert. Des Weiteren werden hierzu experimentelle Untersuchungen des Imprägnierverhaltens auf der Meso- und Makroskala durchgeführt. Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Strömungssimulationsmethoden auf Mikro-, Meso- und Makro-Skala entwickelt. Zudem wird die Skalierbarkeit der auftretenden Effekte untersucht, und entsprechende Homogenisierungsansätze werden bewertet. Ziel der Modellierung auf Makroebene ist eine ausreichend genaue, möglichst effiziente Vorhersage des Füllverhaltens der tragwerksartigen TFP-FKV-Bauteile, um Infiltrationsprozesse zukünftig virtuell optimieren und validieren zu können.
 

Titel englisch:

Methods and process development for the infiltration of highly loadable topology-optimized fiber-reinforced composites with a variable-axial fiber architecture (MerVa)