Maschinelles Häkeln für Textilien und Bauteile
Beim Stichwort „Häkeln“ denken viele Menschen an ein Freizeithobby, das seit Jahrzehnten mal mehr mal weniger Anhänger begeistert. Dabei lassen sich mit dieser Technik durchaus eindrucksvolle Produkte herstellen wie zum Beispiel Bauteile aus Faserverbundstoffen. Im Interview mit dem K-Mag erklärt Jan Lukas Storck von der Hochschule Bielefeld wie die entwickelte Häkelmaschine funktioniert und wie sie zur Automatisierung beiträgt.
CroMat: Wie zwei Nadeln pro Masche automatisiertes Häkeln ermöglichen
Herr Dr. Storck, wie genau funktioniert die Technologie des CroMat und welche technologischen Aspekte ermöglichen es, diese bisher als nicht automatisierbar geltende Textiltechnik umzusetzen?
Dr. Jan Lukas Storck: Bisher galt die Häkeltechnologie aufgrund der Komplexität der notwendigen Bewegungsabläufe und aufgrund des Problems die Häkelnadel korrekt einführen zu können als nicht automatisierbar. Der Mensch kann die genaue Bewegung der Häkelnadel intuitiv entsprechend der visuellen und taktilen Wahrnehmung anpassen, um sicher – auch bei einem sich verformenden Textil – einstechen zu können. Eine direkte maschinelle Adaption würde eine aufwendige und teure Bildverarbeitung erfordern.
Um diese Hürde zu umgehen und eine möglichst simple Maschine zu entwickeln, haben wir die Bedingungen beim Häkeln insofern angepasst, dass die Maschen, in die eingestochen werden soll, an vorhersagbaren Positionen liegen. Ein einfaches Aufhängen einer Masche auf einer Nadel, wie beim maschinellen Stricken, genügt hier nicht, weil sich das Textil während der Produktion verzieht und so der ideale Punkt zum Einführen der Häkelnadel nicht immer an derselben Position ist.
Der Trick beim CroMat ist das Aufhängen einer Masche auf zwei Nadeln. Damit ist gewährleistet, dass genau zwischen den Nadeln eines Paares immer die richtige Position zum reproduzierbaren Einführen der Häkelnadel liegt. Dies ermöglicht einen Verzicht auf die umständliche Bildverarbeitung und erlaubt einen relativ simplen sowie wirtschaftlichen Aufbau der Häkelmaschine.
Dennoch benötigen wir aufgrund der Komplexität der Bewegungsabläufe zehn motorisierte Achsen, die per Software entsprechend der gewünschten Maschenart gesteuert werden. Dies lässt sich jedoch mit gängiger Technologie, wie sie beispielsweise in CNC-Fräsen oder 3D-Druckern verwendet wird, implementieren.
CroMat: Anforderungen an Garne und Potenziale für 3D-Textilien
Welche Arten von Textilfasern lassen sich mit dem CroMat verarbeiten?
Storck: Auf dem aktuellen Stand des CroMat-Prototyps treten Probleme bei zu hoher Garn-an-Garn-Reibung auf, was die Bandbreite der geeigneten Garne etwas einschränkt. Da eine gehäkelte Masche aus mehreren Schlaufen (beispielsweise drei bei halben Stäbchen) besteht, kommt es unweigerlich zu vielen Kontaktpunkten des Garns mit den Nadeln und mit sich selbst. Um ein resultierendes Aufbauen hoher Kräfte, die das Häkeln einschränken, zu verhindern, ist ein dynamische Anpassung der Fadenspannung während der Maschenbildung notwendig. Weil dies bei dem aktuellen Stand noch nicht final implementiert ist, sind wir momentan gezwungen Garne mit relativ geringen Reibwerten zu verwenden. Nähgarne eignen sich hier sehr gut. Ob Natur- oder Kunstfaser, ist dabei egal.
Eine Einschränkung, die auch mit einer dynamisch anpassbaren Fadenspannung nicht umgangen werden kann, ist die Biegesteifigkeit des Garns. Aufgrund der engen Biegeradien des Garns beim Häkeln eignen sich steife Materialien wie Metall- oder Glasfasern weniger.
Generell unterliegt das Garn bezüglich der simplen Kettmaschen, aus denen im Gegensatz zum manuellen Häkeln mit der Maschine ganze Textilien gefertigt werden können, weniger Einschränkungen. Denn hier gibt es weniger Verschlingungen und die Biegeradien sind größer als bei den komplexeren, momentan herstellbaren Maschenarten (feste Maschen und halbe Stäbchen).
Der CroMat soll auch bei dreidimensionalen Textilien zum Einsatz kommen, Sie sprechen von der Herstellung von endkonturnahen Faserverbundstoffen. Wo und wie könnte der CroMat hier zum Einsatz kommen?
Storck: Der große Vorteil des manuellen Häkelns liegt in der Möglichkeit an jeder beliebigen Stelle des bereits produzierten Textils einstechen zu können. Denn damit lassen sich komplexe 3D-Strukturen häkeln. Der CroMat ist hier etwas eingeschränkter, weil generell nur reproduzierbar neue Maschen an Maschen beziehungsweise Stellen, die an Nadeln aufgehängt sind, gebildet werden können. So muss die gewünschte Stelle erst manuell auf einem Nadelpaar aufgehängt werden, bevor dort die Häkelnadel einstechen kann. Mit einem entsprechenden manuellen Umhängen des Textils in der Maschine während der Fertigung können 3D-Sturkturen wie etwa Doppel-T-Träger – als auch komplexere Formen – automatisiert gehäkelt werden.
Durch die maschinelle Fertigung können gehäkelte Textilien erstmals als technische Textilien eingesetzt werden. Aufgrund der Möglichkeiten des maschinellen Häkelns bezüglich komplexer Formen stellen endkonturnahe Faserverbundwerkstoffe eine vielversprechende Anwendung dar. Bei diesen wird das als Verstärkung genutzte Textil bereits in der (komplexen) Form des späteren Bauteils gefertigt.
Das genaue Potenzial der jungen Technologie lässt sich noch nicht final abschätzen. Hierzu ist deutlich mehr Forschung notwendig. Was wir schon sagen können, ist, dass sich Aramid mit der Häkelmaschine verarbeiten lässt und dass allgemein die Eigenschaften gehäkelter Textilen – und einfacher Composites aus diesen – mit gestickten vergleichbar sind.
In diesem Zusammenhang kann der CroMat konkret zum Einsatz kommen, um einerseits als Grundlage für Weiterentwicklungen von Häkelmaschinen zu dienen. Andererseits können mit diesem Proben hergestellt werden, um die Eigenschaften maschinell gehäkelter Textilien weiter zu erforschen.
CroMat: Potenziale für technische Textilien und lokale Produktion
Inwiefern unterscheidet sich die Verarbeitung von Kunstfasern im CroMat von anderen Materialien wie Wolle oder Baumwolle?
Storck: Ich schätze, dass das Potenzial der CroMat-Häkelmaschine insbesondere bei technischen Anwendungen und damit eher bei der Verarbeitung von Kunstfasern liegt. Bezüglich Heimtextilien oder Bekleidung hat das automatisierte Häkeln den Nachteil einer geringeren Produktivität im Vergleich zu etablierten Textiltechnologien (wie Stricken, Wirken oder Weben). Denn, wie beim manuellen Häkeln, kann mit der Maschine auch nur eine Masche nach der anderen gebildet werden. Die parallele Bildung von Maschen einer ganzen Reihe wie beim maschinellen Stricken ist nicht möglich.
Nichtsdestotrotz ist die Automatisierung der Produktion kommerzieller Häkelprodukte aus Naturfasern auch ein denkbares Anwendungsfeld, weil die maschinelle Produktion ähnlich schnell, wie die manuelle sein und darüber hinaus weitere Vorteile mit sich bringen wird. Besonders interessant schätze ich jedoch die neuartigen Verarbeitungsmöglichkeiten von technischen Garnen zu technischen Textilien und damit neuen Produkten ein.
Gibt es ökologische oder wirtschaftliche Vorteile, die mit dieser Technologie verbunden sind?
Storck: Wie jede Innovation bietet auch die Entwicklung des CroMat wirtschaftliche Vorteile. Die Maschine ermöglicht zum ersten Mal die technische Nutzung des Häkelns und die reproduzierbare Erzeugung gehäkelter Textilien. Der entsprechende Technologievorteil kann auf verschiedenste Weisen ausgebaut und wirtschaftlich genutzt werden. Der nächste Schritt auf dem Weg zur konkreten Ausschöpfung dieser Vorteile ist die Weiterentwicklung des Prototyps zu einer industriell einsetzbaren Maschine.
Ökologische Vorteile sehe ich in dem Potenzial der Häkelmaschine die langen Lieferketten bei der Herstellung kommerzieller Häkelprodukte mit einer heimischen Produktion umgehen zu können. Dies hat auch den Vorteil für solche Produkte nicht länger auf eine manuelle Produktion unter schlechten Arbeitsbedingungen in Drittweltländern angewiesen zu sein. Es bleibt zu hoffen, dass durch die Automatisierung langfristig die Arbeits- und Lebensbedingungen auch in solchen Ländern steigt.
