Stets die richtige Spannung

Tuften von Glas in Glasgewebe

Textile Bodenbeläge lassen sich mit Tufting-Maschinen in großer Menge und kostengünstig herstellen. Bislang kann man wegen der wechselnden Zugkräfte aber nur elastische Garne verarbeiten. Dank eines am Aachener Institut für Bodensysteme (TFI) entwickelten elektronisch gesteuerten Moduls für die Garnzuführung aber lassen sich neuerdings sogar Basalt-, Glas- oder Edelstahlfasern per Tufting verarbeiten. Den Textilherstellern eröffnen sich damit neue Märkte und Anwendungen für Spezialtextilien.

Seit vielen Jahrzehnten ist die Herstellung von Teppichen mit dem in den 1930er Jahren in den USA entwickelten Tufting-Verfahren eine etablierte Alternative zum Weben. Beim Tufting wird das Garn in ein bereits vorgefertigtes Trägermaterial, beispielsweise einen Vliesstoff, von bis zu mehreren Meter Breite eingestochen. Da das Trägermaterial schon vorhanden ist und die Fäden nur eingestochen werden, ist für die Herstellung von dreidimensionalen Textilien das Tuften um ein Vielfaches schneller als Weben oder Wirken. Heute wird es vielfach für die Fertigung von Bodenbelägen aus Kunststoffgarnen wie etwa Polypropylen genutzt – neben Teppichen vor allem auch für textile Bodenbeläge für Autos. In den Tufting-Maschinen sitzen nebeneinander in einer langen Reihe bis zu 2 000 Nadeln, die zeitgleich abgesenkt werden und die Garne ins Trägermaterial einstechen. Dabei bilden sich kleine Schlaufen oder Pinsel, die dem Tufting-Textil zum Beispiel seine weiche Oberfläche verleihen.

Nur für elastische Garne geeignet

Große Maschinen können heute pro Minute mehrere Quadratmeter Tufting-Textilien liefern, wodurch eine kostengünstige Produktion von Bodenbelägen in großem Stil möglich ist. Doch bislang haben die Anlagen einen Nachteil. Auf ihnen lassen sich nur elastische Garne – insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff – einsetzen. Dehnungsarme Garne aus Aramid, Basalt, Glas oder Edelstahl für anspruchsvolle technische Anwendungen lassen sich bislang nicht verarbeiten. Um das Tuften auch für solche Applikationen zu öffnen, wurde am TFI, dem Institut für Bodensysteme an der RWTH Aachen e. V., eine technische Lösung entwickelt, die es möglich macht, auch diese, teils sogar spröden Garne einzusetzen.

Mit diesem Gerät, dem sogenannten eJerker, haben die Entwickler um Dirk Hanuschik, Experte für Maschinentechnologie und Digitalisierung am TFI, eines der grundlegenden Probleme des Tuftingprozesses gelöst, das mit der Führung des Garns in der Maschine zu tun hat. Das Garn wird über sogenannte Garnspeisewalzen zu den Nadeln geführt, die es dann in das Trägermaterial einstechen. Es wäre ideal, wenn das Garn stets dieselbe Spannung hätte, um die Tufting-Zone gleichmäßig zu versorgen. Tatsächlich aber ändert sich die Spannung des Garns permanent. Sticht die Nadel in das Material, zieht sich das Garn stramm. Wird sie zurückgezogen, lässt die Spannung nach. Experten beschreiben diesen Rhythmus als „Zwei Schritte vor, einen zurück“. Er führt dazu, dass das Garn einmal locker auf der Speisewalze liegt, dann aber wieder maximal belastet wird. „Elastische Garne halten dieser wechselnden Fadenspannung und den auftretenden Lastspitzen Stand“, sagt Dirk Hanuschik. „Einerseits weil das Material selbst elastisch ist, andererseits weil das Garn leicht gekräuselt verarbeitet wird und sich unter Zugbelastung in die Länge ziehen kann.“ Dehnungsarme und spröde Werkstoffe wie Basalt aber überstehen das nicht und reißen. Setzte man wiederum festere Garne ein, beispielsweise aus Edelstahl, dann könnten die Nadeln verbiegen. In diesem Fall stünde die Maschine still. Ein Produktionsausfall wäre die Folge.

Elektronisch geregeltes Vor und Zurück

Mit dem eJerker haben die TFI-Forscher das Problem des rhythmischen Wechsels der Fadenspannung gelöst. Der eJerker sitzt als kleines Modul zwischen den Garnspeisewalzen und den Nadeln. Er nimmt das Garn auf und bewegt sich dank eines präzise gesteuerten Servomotors so hin und her, dass das Garn perfekt nachgeführt wird. Weder wird es zu stark gespannt, noch hängt es schlaff durch. Eine Garnzuführung lediglich rein mechanisch mit der Tuftingmaschine zu verbinden, reiche nicht aus, sagt Dirk Hanuschik. Nur mit einer elektronischen Steuerung lasse sich die nötige Präzision bei der Zuführung des Garns erreichen.

In den TFI-Labors haben die Experten inzwischen spröde Basalt- und Glasfasern zu Tuftings verarbeitet. „Für die Textilhersteller bieten sich damit künftig ganz neue Märkte, da dreidimensionale Spezialtextilien zu deutlich höheren Preisen gehandelt werden“, sagt TFI-Institutsleiter Dr. Bayram Aslan. „So ließen sich zum Beispiel hitzebeständige Materialien für Hochtemperatur-Anwendungen in Kraftwerken herstellen.“ Denkbar sei auch eine Fertigung von robusten Geotextilien für die Stabilisierung von Böschungen oder für die industrielle Abwasserfilterung.

Voraussetzung dafür ist, das nicht nur die getuften Garne, sondern auch das Trägermaterial aus dem strapazierfähigen Werkstoff besteht. Darauf muss der Tufting-Prozess dann künftig jeweils abgestimmt werden. Dass das geht, haben die TFI- Forscher gezeigt. Unlängst haben sie ein getuftetes Textil ganz aus Glas hergestellt – dank des eJerkers ohne dass das Garn gerissen ist.

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