Ziel der Entwicklung

Ziel der Entwicklung im Forschungsvorhaben InFormFVK war die Herstellung neuartiger faserverstärkter Kunststoffbauteile mit integrierten Formgedächtnislegierungen zur gezielten, thermisch aktivierbaren Formveränderung. Im Mittelpunkt stand die direkte Integration von Formgedächtnisdrähten in textile Flächengebilde und deren Überführung in faserverstärkte Kunststoffstrukturen. Dadurch sollten adaptive FVK-Bauteile entstehen, die ihre Geometrie durch temperaturinduzierte Formänderungen der eingebetteten Funktionselemente gezielt verändern können.
Die Formgedächtnisdrähte sollten während der textilen Herstellung positionsgenau in geeignete textile Trägerstrukturen, insbesondere Gewebe oder mehrlagige textile Halbzeuge, eingebracht werden. Entscheidend war hierbei die definierte geometrische Anordnung der Drähte in der Fläche sowie deren gezielte Platzierung im Schichtaufbau des späteren FVK-Bauteils. Nur durch die abgestimmte Lage der Formgedächtnisdrähte innerhalb des Verbundquerschnitts konnte eine wirksame Umwandlung der drahtinduzierten Stellbewegung in eine makroskopische Bauteilverformung erreicht werden.
Ein weiteres Entwicklungsziel bestand darin, textile Herstellungs- und Integrationsverfahren so anzupassen, dass die Formgedächtnisdrähte funktionsgerecht, reproduzierbar und verbundgerecht in die Textilstruktur eingebunden werden können. Dabei mussten textile Verarbeitbarkeit, Fixierung der Funktionselemente, mechanische Belastbarkeit des Halbzeuges sowie die spätere Einbettung in die Kunststoffmatrix berücksichtigt werden. Die integrierten Drähte sollten ihre Stellfunktion nach der Konsolidierung im FVK weiterhin ausüben können und zugleich kraftschlüssig in den Verbund eingebunden sein.
Durch die Kombination textiler Flächengebilde mit linienförmigen Formgedächtnislegierungen sollten zunächst zweidimensionale textile Halbzeuge erzeugt werden, die nach der Matrixeinbringung und Aushärtung als adaptive FVK-Strukturen nutzbar sind. Die thermische Aktivierung der Formgedächtnisdrähte, beispielsweise über Widerstandserwärmung, sollte eine gezielte dreidimensionale Verformung der Bauteile ermöglichen. Die Entwicklung zielte damit auf ein funktionsintegriertes Faserverbundsystem ab, bei dem die textile Struktur sowohl tragende als auch positionierende Aufgaben übernimmt und die Formgedächtnisdrähte als aktive Stellglieder wirken.
Im anwendungsbezogenen Kontext sollte das entwickelte Prinzip für adaptive Komponenten im Bereich der Ventilatortechnik untersucht werden. Hierzu war vorgesehen, die erforderlichen Verformungsgrößen strömungsmechanisch auszulegen und das Funktionsverhalten der instrumentierten FVK-Strukturen in Abhängigkeit von der Temperatur zu bewerten. Damit sollte die Grundlage für neuartige, textile hergestellte adaptive Faserverbundbauteile geschaffen werden, deren Geometrie gezielt an betriebliche Anforderungen angepasst werden kann.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel wurde durch einen kombinierten textiltechnischen und faserverbundtechnischen Lösungsansatz erreicht. Grundidee war es, Formgedächtnisdrähte nicht nachträglich auf ein Bauteil aufzubringen, sondern diese bereits während der Herstellung des textilen Halbzeuges gezielt in die textile Struktur zu integrieren. Das Textil übernahm dabei zwei Aufgaben: Es bildete zum einen die Verstärkungsstruktur für das spätere Faserverbundbauteil und diente zum anderen als Träger- und Positioniersystem für die aktiven Formgedächtnisdrähte.
Formgedächtnisdrähte besitzen die besondere Eigenschaft, sich bei Erwärmung in eine zuvor eingeprägte Form zurückzuverformen. Diese Eigenschaft wurde genutzt, um aus einem zunächst flächigen oder nur gering verformten textilen Halbzeug ein Bauteil mit gezielt veränderbarer Geometrie herzustellen. Die Aktivierung der Drähte kann beispielsweise durch elektrische Widerstandserwärmung erfolgen. Durch die Erwärmung entsteht eine Stellbewegung, die über den Verbund auf das gesamte Bauteil übertragen wird.
Der Lösungsansatz bestand zunächst darin, geeignete textile Grundstrukturen auszuwählen und hinsichtlich ihrer Eignung für die Integration der Formgedächtnisdrähte zu bewerten. Entscheidend war, dass die Drähte reproduzierbar, lagegenau und ohne Schädigung in die textile Fläche eingebracht werden konnten. Gleichzeitig musste die textile Struktur ausreichend offen und verarbeitbar bleiben, damit sie anschließend mit einer Kunststoffmatrix zu einem faserverstärkten Kunststoffbauteil verarbeitet werden konnte.
Ein wesentlicher Entwicklungsschritt war die definierte Positionierung der Formgedächtnisdrähte innerhalb der textilen Fläche. Dabei wurde nicht nur die Lage in der Ebene betrachtet, sondern auch die Position im Schichtaufbau des späteren Verbundbauteils. Diese Lage ist entscheidend, weil die Kraft der Drähte nur dann eine gezielte Bauteilverformung bewirken kann, wenn sie an der richtigen Stelle im Querschnitt eingebettet ist. Vereinfacht ausgedrückt wirkt der Draht dann ähnlich wie ein aktives Zugelement, das bei Erwärmung eine kontrollierte Krümmung oder Verformung des Bauteils auslöst.
Anschließend wurden Verfahren zur Fixierung der Drähte im textilen Halbzeug entwickelt. Ziel war es, ein Verrutschen während der weiteren Verarbeitung zu verhindern und gleichzeitig die Funktion der Drähte nicht einzuschränken. Die so hergestellten textilen Halbzeuge wurden danach in einen Faserverbund überführt. Dabei musste sichergestellt werden, dass die Formgedächtnisdrähte sicher in der Matrix eingebettet sind, ihre mechanische Stellwirkung aber weiterhin in das Bauteil einbringen können.
Zur Bewertung des Lösungsansatzes wurden Funktionsmuster und Demonstratoren hergestellt. An diesen wurde untersucht, ob die integrierten Formgedächtnisdrähte nach der Verarbeitung im Faserverbund noch aktivierbar sind und ob die erzeugte Bewegung auf das Bauteil übertragen wird. Parallel dazu wurden anwendungsbezogene Betrachtungen für den Bereich der Ventilatortechnik durchgeführt. Hierbei stand im Vordergrund, welche Verformungsgrößen erforderlich sind, um strömungstechnisch wirksame Geometrieänderungen zu erzielen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielmarkt der Entwicklung ist vorrangig der Industriebereich der Klima-, Lüftungs- und Ventilatortechnik. Adressiert werden insbesondere Hersteller von Ventilatoren, Lüftungsgeräten, Klimaanlagen und strömungstechnischen Komponenten, bei denen variable Betriebszustände, Energieeffizienz und geräuscharmer Betrieb eine hohe technische und wirtschaftliche Relevanz besitzen. Eine zentrale Zielgruppe bilden Unternehmen, die Ventilatorsysteme für Industrieanlagen, Gebäudetechnik, Kühl- und Klimasysteme sowie energieeffiziente Luftführungssysteme entwickeln und produzieren.
Der Markt ist durch hohe Stückzahlen, ein jährliches Produktionsvolumen im mehrstelligen Milliarden-Euro-Bereich sowie zunehmende Anforderungen an die Energieeffizienz geprägt. Insbesondere regulatorische Vorgaben, etwa im Rahmen der Ökodesign-Anforderungen, erhöhen den Bedarf an technischen Lösungen zur Wirkungsgradsteigerung. Bestehende Ventilatorsysteme erreichen ihren maximalen Wirkungsgrad häufig nur in einem begrenzten Betriebsbereich. Bei Teillast oder wechselnden Strömungsbedingungen sinkt die Effizienz deutlich. Hier setzt die entwickelte Technologie eines Nachleitrades mit adaptiver Geometrie an.
Durch die Integration von Formgedächtnislegierungen in faserverstärkte Kunststoffstrukturen können verformbare Schaufel- bzw. Leitelemente realisiert werden, die ihre Geometrie temperatur- bzw. elektrisch aktiviert an unterschiedliche Betriebspunkte anpassen. Dadurch ergibt sich ein erhebliches Potenzial zur Wirkungsgradsteigerung, vornehmlich im Teillastbereich. Bereits Effizienzverbesserungen im Bereich von etwa 5 % können bei industriellen Ventilatorsystemen zu relevanten Energie- und Kosteneinsparungen führen. Vor dem Hintergrund hoher Strompreise und zunehmender Anforderungen an CO₂-Reduktion besitzt die Technologie damit ein klares wirtschaftliches Verwertungspotenzial.
Neben der unmittelbaren Anwendung in Ventilatoren und Nachleiträdern eröffnet die Entwicklung weitere Zielmärkte im Bereich adaptiver Leichtbaustrukturen. Hierzu zählen insbesondere der Maschinen- und Anlagenbau, die Mobilität, die Energietechnik sowie industrielle Composite-Anwendungen. Der globale Markt für faserverstärkte Kunststoffe wächst weiter und wird durch den Bedarf an leichten, funktionsintegrierten und energieeffizienten Bauteilen getragen. Die im Projekt entwickelten textilbasierten FVK-Strukturen mit integrierten Formgedächtnisdrähten adressieren damit nicht nur die Lüftungstechnik, sondern auch angrenzende Märkte für adaptive, funktionsintegrierte Leichtbaulösungen.