04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik
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Item Open Access Entwicklung einer Methode zur kontinuierlichen Bauteilüberwachung von Faserverbundwerkstoffen mittels piezoelektrischer Mehrlagengewebe(2022) Hofmann, Paul; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Eine Form der Beschädigung von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) ist die Delamination. Diese Beschädigung ist durch konventionelle, visuelle Prüfung oft nicht zu erkennen. Methoden, wie das zyklische Austauschen der Bauteile oder regelmäßige Inspektionen, sind zeitaufwendig und vor allem teuer. Daher soll in Zukunft Sensorik direkt in solche Bauteile integriert werden, um die Beanspruchung oder den Zustand der Bauteile kontinuierlich im Betrieb zu überwachen (Condition Monitoring bzw. Structural Health Monitoring). Herkömmliche, elektronische Sensorbauteile, integriert in einem FKV, stellen allerdings einen Fremdkörper in der textilen Verstärkungsstruktur dar und bilden daher eine mechanische Schwachstelle. Gleichzeitig gewinnen dreidimensionale Mehrlagengewebe als textile Verstärkung im FKV aus mechanischen, aber auch wirtschaftlichen Gründen immer mehr an Bedeutung. Diese Arbeit beschreibt daher die Entwicklung und Charakterisierung einer piezoelektrischen Biegesensorik auf Mehrlagengewebebasis als Teil der gewebten Verstärkungsstruktur von FKV. Weil die Verstärkungsstruktur an sich als Sensor fungiert, entstehen durch diese Sensorik keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Bauteileigenschaften durch Fehlstellen in der textilen Grundstruktur. Durch grundlegende Analysen zu Sensorprinzip und Sensoraufbau wird eine Methode entwickelt, wie textile Mehrlagenstrukturen partiell sensorisch ausgerüstet werden können. Die piezoelektrische Gewebestruktur wird auf eine möglichst gute sensorische Charakteristik bei möglichst geringem Einfluss auf die mechanischen Bauteileigenschaften hin entwickelt und optimiert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann an verschiedenen Mehrlagengewebestrukturen umgesetzt, analysiert und verifiziert. Abschließend werden die Sensorsignale der gewebten Piezoelemente an einem mechanischen Berechnungsmodell validiert: Vom Signal der sensorischen Gewebestruktur kann direkt auf die Bauteilbeanspruchung geschlossen werden. Durch die entwickelte textile Sensortechnologie wird eine kontinuierliche Überwachung von dynamisch belasteten Bauteilen während des Betriebs ermöglicht. So können bspw. künftig mit Hilfe der Sensorik aus einer piezoelektrischen Mehrlagengewebestruktur eine mögliche Überlast während des Betriebs erkannt, eventuelle Beschädigungen vermieden bzw. detektiert und damit Wartungs-, Reparatur- und Stillstandkosten erheblich reduziert werden.Item Open Access Improved micro-oil droplet coalescence for oil-water separation by spider silk-like structures(2023) Aliabadi, Maryam; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Entwicklung und Analyse einer selbstkühlenden und substratunabhängigen Beschichtung für technische Textilien unter Nutzung der energiefreien Strahlungskühlung(2024) Zimmermann, Lea; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Aufgrund des Klimawandels, des Bevölkerungswachstums und des städtischen Wärmeinseleffekts (UHI) ist der Bedarf an Kühlenergie insbesondere in städtischen Gebieten gestiegen und wird voraussichtlich auch in Zukunft weiter zunehmen. Bisherige konventionelle Kühlsysteme für Gebäude wie Klimaanlagen basieren auf thermodynamischen Kreisläufen, die einen großen Teil des Strombedarfs ausmachen und gleichzeitig Abwärme und Kohlendioxid (CO2) an die Umwelt abgeben. Technologien wie die Strahlungskühlung bieten eine nachhaltige und energiefreie Lösung, indem sie die Wellenlängenbereiche der Atmosphäre, die für elektromagnetische Strahlung transparent sind, das so genannte atmosphärische Fenster (8-13 µm), nutzen, um Wärmestrahlung in den kälteren (3 K) Weltraum abzugeben. Durch die Entwicklung von Beschichtungen, die selektiv Wärme durch die Atmosphäre abstrahlen und weniger Sonnenwärme absorbieren, ist eine Abkühlung unter die Umgebungstemperatur auch tagsüber möglich. Während sich bisherige Veröffentlichungen im Bereich der textilen Gebäudekühlung auf spezifische Faserstrukturen und textile Trägermaterialien sowie komplexe Mehrschichtaufbauten konzentrierten, was den Einsatz für hochskalierte Außenanwendungen einschränkt, zielt diese Arbeit auf die Entwicklung einer neuartigen, substratunabhängigen Beschichtung mit spektral selektiven Strahlungseigenschaften hin. Durch die detaillierte Abstimmung von Beschichtungsparametern wie der Partikelkonzentration, verteilung und -größe in Kombination mit niedrig emittierenden und solarreflektierenden Partikeln sowie einem stark im mittleren Infrarot emittierenden Matrixmaterial, wird eine substratunabhängige Kühlung unter die Umgebungstemperatur erreicht, gezeigt am Beispiel von drei für den Membran- und Zeltbau typischen Gewebetypen. Darüber hinaus ist die Beschichtung so konzipiert, dass sie einfach auf verschiedene textile Materialien appliziert werden kann und gleichzeitig eine geringe Dicke aufweist, um hohe Flexibilität und Skalierbarkeit zu gewährleisten. Um die Funktionsweise des entwickelten Beschichtungssystems weiter zu validieren, wurden Tests im Freien mit einem konzipierten Messaufbau durchgeführt, um Temperaturunterschiede und Kühlleistungen unter realen Wetterbedingungen zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur der Beschichtung (zwischen 7-19 Uhr) an einem heißen Sommertag um durchschnittlich 2 °C unter der Umgebungstemperatur liegt. Darüber hinaus wird ein thermisches Modell an textile Materialien angepasst und validiert, um die Kühlleistung für verschiedene Wetterszenarien zu simulieren und zu berechnen. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger textilbasierter Kühltechnologien und bietet eine vielversprechende Lösung für den wachsenden Bedarf an energieeffizienter Kühlung in städtischen Umgebungen.Item Open Access Design and analysis of methods to connect microelectronics to smart textiles(2022) Micus, Sebastian; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)The smart textiles market shows a high growth potential during the next ten years. However, the integration of conventional electronics in textiles requires a lot of manual work. As a result, the products tend to have very high prices, which inhibits the success. During the production processes, the joining step offers the greatest potential to reduce manual manufacturing, but a suitable connection method for the automated production of E-textiles does not exist, yet. For this reason, this thesis analyses different connection methods for joining electronic components to textile integrated litz wires. The selected processes show a high potential for automation. The chosen methods are thermode soldering, insulation displacement connections (IDCs), anisotropic conductive adhesives (ACA), laser soldering, ultrasonic soldering and ultrasonic welding. Various test methods were developed and used to evaluate the samples in order to ensure the reliability of the joinings, such as direct optical observation of the microstructure, a peeling tensile test, and a four-wire contact resistance measurement. The thesis consists of four peer reviewed paper. Each paper focuses on one or more connection methods. In the first paper, hot bar soldering, IDCs and ACA was investigated. The second paper focuses on the ultrasonic soldering. The third paper presents the development on laser soldering and the final paper shows the results of ultrasonic welding. Hot bar soldering initially showed great results. However, solder was drawn into the strands, which was not possible to prevent. Drawn-in solder has a clear negative effect on the textile properties close to the contact point. IDCs have good preconditions for an automated smart textiles production. The strands can slip into the IDCs even under a certain deviation in position. However, thin wires are important to ensure the textile properties of the smart textile, but the available connectors were not suitable to connect AWG 32 or thinner strand. At the current stage of development, anisotropic conductive bonding methods are only conditionally suitable for the usage in automated production. The bonding process has weaknesses due to inadequate contacting and process time. Ultrasonic soldering works with flux-free solder, which avoids embrittlement of the textile integrated wires trough drawn in solder. The influencing factors of the connection and the corresponding solder parameters were determined. The contact strength increases by reducing the operating temperature and the ultrasonic time. A lower operating temperature and a reduced ultrasonic time cause a more homogeneous metal structure with less defects, resulting in an improved mechanical strength of the samples. Contactless laser soldering is considered to be a good contacting method to reduce the joining zone on the textile. An ytterbium-doped fibre laser (1064 nm) was used and different sets of parameters were investigated by means of different designs of experiment. The copper strands in the textile tape were stripped by the laser and soldered to the printed circuit board (PCB) without any transport. Unfortunately, some conductors were poorly wetted by solder. The connection between flexible textiles and stiff electronic components has always been a structural weakness and a limiting factor to establish smart textiles in our everyday life. Therefore, the next chapter focuses on reliable connections between conductive textiles and conventional litz wires by ultrasonic welding. It shows a promising approach. The electrical and mechanical performance of the samples were investigated after both 15 and 30 wash and dry cycles in a laundry machine. The resistance of the joints increased by more than 300 %, because the silver coated wires suffered under the laundry cycles. While the mechanical strength during the peeling test decreased only about 20 % after 15 cycles and remained the same after 30 cycles. Ultrasonic welding showed good results for connecting conductive textiles to litz wires, which enables the production of smart textiles with textile sensors.Item Open Access Grundlagen für die Auslegung und Gestaltung eines Hybridmaterials für außen liegende, adaptive Fassadenbauteile aus Faserverbundkunststoff(2020) Born, Larissa; Gresser, Götz Theodor (Prof. Dr.-Ing.)Der Bau moderner, lichtdurchfluteter Gebäude, die damit verbundene Erwärmung im Gebäudeinneren und die daraus folgende hohe Klimaanlagennutzung, um die Temperatur möglichst konstant zu halten, hat einen zunehmenden Energieverbrauch zur Folge. Daher wird, im Kontext der Ressourceneffizienz, die Verschattung solcher Gebäude zunehmend relevant. Um ein Aufheizen im Gebäudeinneren zu vermeiden und somit den Energieverbrauch durch Klimaanlagensysteme zu reduzieren, sollten solche Verschattungssysteme nach Möglichkeit extern angebracht werden. Herkömmliche bewegliche Mechanismen beruhen auf Starrkörpermechanismen, die gelenkig miteinander verbunden werden. Insbesondere bei komplex gekrümmten Glasfassaden führen diese mechanischen Gelenke zu wartungsintensiven Konstruktionen. Eine robustere Lösung ist ein adaptives System, dessen Beweglichkeit aus lokaler Materialnachgiebigkeit resultiert. Steife Komponenten eines Bauteils können dabei um eine biegeweiche Rotationsachse bewegt werden. Für diesen Anwendungsfall wird in dieser Arbeit ein Hybridverbundmaterial bestehend aus Elastomer und duroplastischem Faserverbundkunststoff entwickelt, das die Integration lokal nachgiebiger Bereiche in ein steifes Bauteil erlaubt. Das Material wird so ausgelegt, dass es die Anforderungen an ein Außenfassadenbauteil erfüllt. Kern der Arbeit ist die Darstellung der innerhalb dieser Arbeit aufgebauten Methodik zur Entwicklung von Gelenkbauteilen aus Faserverbundkunststoff und die Vorstellung der Auslegungskriterien, die bei der Bauteilauslegung Berücksichtigung finden müssen. Innerhalb dieser Arbeit wird überdies ein zyklischer Biegeprüfstand entwickelt, der die Biegung eines Prüfkörpers, dessen Abmaße denen eines Zugprüfkörpers nach DIN EN ISO 527-4 entsprechen, um 180° in beide Rotationsrichtungen, erlaubt. Der Krafteintragswinkel ist während der Biegebewegung konstant und die Kraftmessung erfolgt direkt über Biegebalken ohne Reibungsverluste. Er ist die Grundlage für die experimentelle Untersuchung der Auslegungskriterien von FVK-Gelenkbauteilen. Im Anschluss an die Biegeprüfung ist, aufgrund der Abmaße des Prüfkörpers, eine Zugprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 527-4 möglich. So kann eine vergleichende Aussage über die Restzugfestigkeit zyklisch geprüfter FVK-Gelenkbauteile getroffen werden. Zunächst werden die Materialien hinsichtlich der Anforderungen an Außenfassadenbauteile geprüft und ausgewählt. Es erfolgt die Berechnung der Biegesteifigkeit und Zugfestigkeit des unsymmetrisch aufgebauten Hybridlaminats sowie die Festlegung der Auslegungskriterien. Abschließend wird, auf Basis von mechanischen Prüfungen der Auslegungskriterien und Regressionsanalysen, ein Modell aufgestellt, das die Prognose der mechanischen Eigenschaften eines FVK-Gelenkbauteils sowie die Festlegung der Bauteilgeometrie unter Vorgabe der Restzugfestigkeit nach 5.000 Lastspielen erlaubt.Item Open Access Grundlegende Ermittlung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Strukturknäuelprozess für technische Anwendungen(2022) Haigis, Kathrin; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Die Strukturknäueltechnik ist eine Technologie, um hochautomatisiert und wirtschaftlich leichte Strukturbauteile herzustellen, bei denen das Garn auf allen Seiten des Dornkörpers abgelegt wird. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmalig die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beim Strukturknäuelprozess für technische Anwendungen. Hierfür werden die Einflussfaktoren auf die Strukturknäuelbildung erstmalig definiert und erarbeitet, zu denen neben den knäueltechnologischen Aspekten auch die Maschinenelemente Flyer und Dorn sowie die garnseitigen Einflussfaktoren gehören. Die technologischen Zusammenhänge stellen die Grundlage für ein Berechnungsmodell dar, das in der Arbeit erarbeitet wird. Anhand dieses Modells und der gezeigten recheneffizienten Strategien erfolgt eine auf Dornkörpergrundformen abgestimmte Berechnung der Ablagepunkte.Item Open Access Design of fiber-composite/metal-hybrid structures made by multi-stage coreless filament winding(2022) Mindermann, Pascal; Müllner, Ralf; Dieringer, Erik; Ocker, Christof; Klink, René; Merkel, Markus; Gresser, Götz T.The methods presented in this study assist in fabricating load-bearing structures with high mass-specific mechanical performance at various scales. Possible applications include primary and secondary structures in engineering, architecture, automotive, or aerospace industries.Additive manufacturing processes, such as coreless filament winding with fiber composites or laser powder bed fusion with metals, can produce lightweight structures while exhibiting process-specific characteristics. Those features must be accounted for to successfully combine multiple processes and materials. This hybrid approach can merge the different benefits to realize mass savings in load-bearing structures with high mass-specific stiffnesses, strict geometrical tolerances, and machinability. In this study, a digital tool for coreless filament winding was developed to support all project phases by natively capturing the process-specific characteristics. As a demonstration, an aluminum base plate was stiffened by a coreless wound fiber-composite structure, which was attached by additively manufactured metallic winding pins. The geometrical deviations and surface roughness of the pins were investigated to describe the interface. The concept of multi-stage winding was introduced to reduce fiber–fiber interaction. The demonstration example exhibited an increase in mass-specific component stiffness by a factor of 2.5 with only 1/5 of the mass of a state-of-the-art reference. The hybrid design approach holds great potential to increase performance if process-specific features, interfaces, material interaction, and processes interdependencies are aligned during the digitized design phase.Item Open Access Self-cooling textiles : substrate independent energy-free method using radiative cooling technology(2024) Zimmermann, Lea; Stegmaier, Thomas; Kaya, Cigdem; Gresser, Götz T.Due to climate change, population increase, and the urban heat island effect (UHI), the demand for cooling energy, especially in urban areas, has increased and will further increase in the future. Technologies such as radiative cooling offer a sustainable and energy-free solution by using the wavelength ranges of the atmosphere that are transparent to electromagnetic radiation, the so-called atmospheric window (8-13 µm), to emit thermal radiation into the colder (3 K) outer space. Previous publications in the field of textile building cooling have focused on specific fiber structures and textile substrate materials as well as complex multi-layer constructions, which restrict the use for highly scaled outdoor applications. This paper describes the development of a novel substrate-independent coating with spectrally selective radiative properties. By adapting the coating parameters and combining low-emitting and solar-reflective particles, along with a matrix material emitting strongly in the mid-infrared range (MIR), substrate-independent cooling below ambient temperature is achieved. Moreover, the coating is designed to be easily applicable, with a low thickness, to ensure high flexibility and scalability, making it suitable for various applications such as membrane architecture, textile roofs, or tent construction. The results show a median daytime temperature reduction (7 a.m.-7 p.m.) of 2 °C below ambient temperature on a hot summer day.Item Open Access Fortschritte im kernlosen Wickeln für eine digitale Prozesscharakterisierung(2022) Mindermann, Pascal; Gresser, Götz T. (Prof. Dr.-Ing.)Das kernlose Wickeln ist ein aufstrebendes additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von duroplastischen Faserverbundstrukturen. Ein imprägniertes Faserbündel wird frei zwischen räumlich angeordneten punktförmigen Ankern frei aufgespannt, wodurch die Geometrie der herzustellenden gitterförmigen Bauteile definiert wird. In Verbindung mit der Automatisierung des Prozesses kennzeichnet diese Gestaltungsfreiheit das kernlose Wickeln als relevant unter den verfügbaren Leichtbautechnologien. Allerdings bedarf es noch mehrerer Weiterentwicklungen, um das Potenzial des kernlosen Wickelns für den Maschinenbau und die Architektur nutzbar zu machen. Im Maschinenbau werden effiziente Strukturen zur Erreichung der Klimaneutralität und hoch-leistungsfähige Strukturen für technische Innovationen benötigt. Hingegen besteht im Bauwesen aufgrund des Bevölkerungswachstums ein ansteigender Bedarf nach Gebäudeflächen, während die Produktivität jedoch infolge mangelnder Digitalisierung stagniert. Die technologische Verbreitung des kernlosen Wickelns wird durch die inhärenten Streuungen in Prozess- und Strukturparametern verlangsamt. Abweichungen im Material und Schwankungen in den Prozessparametern führen zu Unsicherheiten im Auslegungsprozess, welche durch eine Erhöhung der Sicherheitsfaktoren und des Ressourcenverbrauchs kompensiert werden. Daher ist die Aufgabe dieser Arbeit die Verbesserung der Charakterisierung des kernlosen Wickelprozesses. Dies wurde durch eine Weiterentwicklung der Methoden zur digitalen Erfassung umgesetzt, wobei das primäre Ziel in der Vergrößerung der Übereinstimmung zwischen dem digitalen Modell und dem physischen Gegenstück bestand. Durch die Implementierung von physikalischen und digitalen Anpassungen wurde das primäre Ziel erreicht. Zugleich wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Fortschritte in der Bauteilqualität und der Prozesseffizienz gemacht. Darüber hinaus wurde das Verfahren auf neue Funktionen und Anwendungen erweitert. Das kernlose Wickeln wurde ganzheitlich anhand von vier Forschungsansätzen betrachtet, welche auf das Fertigungssystem, das Materialsystem, die Lasteinleitung und die Datenverarbeitungsinfrastruktur ausgerichtet sind. Der kumulative Entwicklungsfortschritt, welcher anhand der Forschungsansätze aus den eingebundenen wissenschaftlichen Beiträgen gewonnen wurde, zeigt aufgrund der konsistenten digitalen Charakterisierung eine übergreifende Verbesserung in den Prozessbewertungskriterien. Zudem ermöglicht das vermehrte Verständnis über die Eigenheiten des kernlosen Wickelns eine effektivere Handhabung von zukünftigen spezifischen Anforderungen, indem die Entscheidungsfindung während des Auslegungsprozesses in allen Prozessaspekten vereinfacht wird.Item Open Access Development of an impregnation end-effector with fiber tension monitoring for robotic coreless filament winding(2021) Mindermann, Pascal; Bodea, Serban; Menges, Achim; Gresser, Götz T.The manufacturing process of robotic coreless filament winding has great potential for efficient material usage and automation for long-span lightweight construction applications. Design methods and quality control rely on an adequate digital representation of the fabrication parameters. The most influencing parameters are related to the resin impregnation of the fibers and the applied fiber tension during winding. The end-effector developed in this study allows efficient resin impregnation, which is controlled online by monitoring the induced fiber tension. The textile equipment was fully integrated into an upscaled nine-axis robotic winding setup. The cyber-physical fabrication method was verified with an application-oriented large-scale proof-of-concept demonstrator. From the subsequent analysis of the obtained datasets, a characteristic pattern in the winding process parameters was identified.