Aufgrund der Klimakrise und der Notwendigkeit CO2-Emissionen zu reduzieren, ist in Zukunft mit einer steigenden Nachfrage an Leichtbaumaterialien wie textilverstärkten Verbundwerkstoffen zu rechnen. Aufgrund steigender Rohstoff- und Energiekosten verspricht der Einsatz von endkonturnahen Verbundwerkstoffen eine Reduktion der Herstellungskosten und des Abfalls. Herkömmliche Textiltechnologien sind nur begrenzt in der Lage die erforderlichen komplex geformten Textilien herzustellen. Um dieses Problem durch den Einsatz alternativer, noch nicht industriell etablierter Technologien zu lösen, beschäftigt sich diese Arbeit ausführlich mit der Entwicklung einer Häkelmaschine sowie der Untersuchung entsprechender Textilien.
Häkeln ist eine maschenbildende Technologie, bei der im Gegensatz zum Stricken die Schlaufen, die eine Masche bilden, sowohl vertikal als auch horizontal aus zuvor gebildeten Maschen entspringen. Mit dem vielseitigen Häkeln ist es insbesondere möglich, komplexe dreidimensionale (3D) Formen zu erzeugen, da an jeder beliebigen Stelle eines Textils neue Maschen gebildet werden können. Bisherige Häkelmaschinenansätze sind unzureichend und bezüglich ihrer Skalierbarkeit zu einer industriell einsetzbaren Maschine stark eingeschränkt. Industriell etablierte Maschinen, die Häkelmaschinen genannt werden, sind in ihrer Bezeichnung irreführend, da es sich um Wirkmaschinen handelt, die nur grob die Häkelstruktur nachahmen, aber keine echten Häkelmaschen bilden können.
Die hier entwickelte und patentierte Häkelmaschine namens Crochet Automaton (CroMat) ermöglicht erstmals die automatisierte Herstellung von Luftmaschen, Kettmaschen, festen Maschen, halben Stäbchen, Übergängen der Maschenreihen, Zunahmen sowie Abnahmen und auch anderen Operationen nach dem Prinzip des Flachhäkelns auf Basis einer Luftmaschenreihe. Darüber hinaus können neue Maschen durch ein manuelles Umhängen des produzierten Textils an nahezu beliebigen Stellen gebildet werden. Damit können komplex geformte 3D-Textilien entsprechend den Vorteilen des Häkelns hergestellt werden. Mit dem entwickelten CroMat-Prototyp lassen sich Formen herstellen, die für endkonturnahe Faserverbundwerkstoffe wie bspw. Doppel-T-Träger potenziell geeignet sind. Durch ein Aufhängen verschiedener Maschenreihen oder Textilien auf denselben Nadeln der Maschine ist es ebenfalls möglich diese mit dem Häkeln einer verbindenden Reihe zu fügen.
Neben dem mechatronischen Prototyp mit zehn Achsen wird das weltweit erste Software-Tool für den Entwurf von maschinell gehäkelten Textilien entwickelt. Es beinhaltet eine Fehlerüberprüfung, die automatische Generierung des G-Codes für die Maschinensteuerung und eine Vorschau der entworfenen Textilien. Neben einer grafischen Benutzeroberfläche mit standardisierten Häkelsymbolen wird auch die Möglichkeit zur automatischen Generierung der Häkelstruktur entsprechend der Form eines zweidimensionalen (2D) Polygons geboten.
Für die Vorschau wurde das erste Topologie-basierte Modellierungs-Framework für maschinell herstellbare Häkelstrukturen entwickelt. Eine ähnliche Modellierung wurde für manuell gehäkelte Stoffe entwickelt, die sich von den maschinell hergestellten nur darin unterscheiden, dass der Stoff nach jeder Reihe gewendet wird und somit die Maschen von verschiedenen Seiten aus gebildet werden. Beide Modellarten können als Grundlage für simulative Untersuchungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet werden, die in dieser Arbeit zum ersten Mal zur Simulation von gehäkelten Textilien eingesetzt wurde.
Darüber hinaus wurden erstmals die Zugeigenschaften von manuell gehäkelten Textilien systematisch untersucht und die Eigenschaften der ersten Faserverbundwerkstoffe mit gehäkelten Textilien erforscht. Gehäkelte Textilien (und entsprechende Verbundstoffe) haben grundsätzlich ähnliche Eigenschaften wie gestrickte Textilien, können aber tendenziell höheren Kräften standhalten. Zusammen mit den Formgebungsmöglichkeiten ist die CroMat-Häkelmaschine generell vielversprechend für die Automatisierung des Häkelns und insbesondere für die zukünftige Produktion von endkonturnahen Faserverbundwerkstoffen.:1 Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Aim 2
1.3 Work structure 3
2 Technical and scientific background 4
2.1 Crochet 4
2.1.1 Technique and stitch formation 5
2.1.2 Crocheting a fabric 8
2.1.3 Applications of crochet 11
2.1.4 Research overview on crochet 11
2.2 Knitting machines 15
2.2.1 Weft knitting 16
2.2.2 Warp knitting 19
2.2.3 Crochet gallon machines 21
2.3 Existing crochet machine approaches 23
2.3.1 First approach to automate crochet 23
2.3.2 Circular crochet machine approach 25
2.3.3 Crocheting with a robotic arm 27
2.3.4 Further attempts to automate crocheting 29
2.4 Rapid prototyping 30
2.4.1 Development approach 30
2.4.2 3D printing 31
2.5 Electric motors 33
2.5.1 Stepper 33
2.5.2 Servo motors 34
2.5.3 G-code 35
2.6 Textile composites 37
2.6.1 Composite production 37
2.6.2 Near net-shaped composites 38
3 Crochet machine development 39
3.1 CroMat innovation process 39
3.1.1 Development phases 39
3.1.2 Analyzing the first crochet machine approach 41
3.1.3 Definition of crochet machine prototype requirements 43
3.1.4 Crochet needle insertion process 47
3.1.5 Suspending stitches on auxiliary needles 55
3.1.6 Yarn guide and patent 57
3.2 Improvements beyond the patent 60
3.2.1 Analyzing the yarn feeding problem 60
3.2.2 Systematic identification of possible solutions 61
3.2.3 Implementation of the most suited solution 64
3.3 Automated crochet stitch formation 67
3.3.1 Initial situation 67
3.3.2 Slip stitch 68
3.3.3 Single crochet 71
3.3.4 Half double crochet 73
3.3.5 Turn 75
3.3.6 Chain stitch and skipping a stitch within a course 77
3.3.7 Increase stitches 79
3.3.8 Decrease stitches 82
3.3.9 Further methods for changing the fabric’s width 84
3.3.10 More complex stitches 87
3.4 Technical implementation of CroMat prototype 89
3.4.1 CroMat machine overview 89
3.4.2 Auxiliary needles 94
3.4.3 Crochet needle 100
3.4.4 Yarn guide 106
3.4.5 Stress on yarn and machine elements 109
3.4.6 Yarn tension 115
3.4.7 Firmware and motor control 117
3.5 Crocheting with the CroMat prototype 120
3.5.1 Producing an exemplary crocheted fabric 120
3.5.2 Movements for SC formation 122
3.6 Development of CroMat crochet design tool 125
3.6.1 Tool overview 125
3.6.2 User interface 126
3.6.3 Error checking 129
3.6.4 Preview of the fabric 130
3.6.5 Generating G-code 130
3.6.6 Discussing the design tool 132
3.7 CroMat requirement fulfillment 134
4 Research on crocheted fabrics 137
4.1 Modeling and simulation of manually crocheted fabrics 137
4.1.1 Modeling approaches for textiles 137
4.1.2 Developed modeling of crochet structures 138
4.1.3 FEM investigations 143
4.2 Mechanical characteristics of manually crocheted fabrics 146
4.2.1 Study overview 146
4.2.2 Materials and Methods 146
4.2.3 Influence of the crocheter 148
4.2.4 Influence of the crochet structure 150
4.2.5 Crochet composite 152
4.2.6 Evaluation of the results 155
4.3 Modeling and simulation of machine-crocheted fabrics 157
4.3.1 Modeling machine-crocheted fabrics 157
4.3.2 Modeling of INC and DEC 159
4.3.3 Simulative comparison of hand- and machine-crocheted fabrics 161
4.4 Generating machine producible crochet patterns in shapes of 2D polygons 164
4.4.1 Background 164
4.4.2 Developed polygon subdivision algorithm 165
4.4.3 Improving the subdivision’s quality 168
4.4.4 Crochet subdivision results for exemplary polygons 170
4.4.5 Discussing the results 176
4.5 Exemplary machine-crocheted fabrics 178
4.5.1 Basic fabric structure 178
4.5.2 Advanced possible structures 181
4.5.3 Poisson’s ratio investigation 185
5 Conclusion 189
5.1 Summary 189
5.2 Outlook 191
6 References 193
6.1 References of the author 193
6.2 Further references 193 / In the future, due to the climate crisis and the need to reduce CO2 emissions, an increasing demand for lightweight materials such as textile reinforced composites can be expected. Because of rising raw material and energy costs, the application of more near net-shaped composites is promising for reducing manufacturing costs and waste. However, conventional textile technologies are limited in their ability to produce the necessary complex-shaped textiles. In order to address this problem by using alternative technologies that have not yet been industrially established, this thesis deals extensively with the development of a crochet machine and the investigation of respective textiles.
Crochet is a stitch-forming technology in which, unlike knitting, the loops of a stitch originate both vertically and horizontally from previously formed stitches. With versatile crochet, it is especially possible to create complex three-dimensional (3D) shapes because new stitches can be formed at any point on a fabric. Previous crochet machine approaches are inadequate and severely limited in scalability to an industrially applicable machine. Industrially established machinery called crochet machines are misleading in their designation because they are knitting machines that can only roughly mimic crochet structure but cannot form true crocheted fabrics.
The Crochet Automaton (CroMat) crochet machine developed and patented here enables for the first time the automated production of chain stitches (CHs), slip stitches (SLs), single crochet stitches (SCs), half double crochet stitches (HDCs), turns (T1 and T2), increase stitches (INCs) as well as decrease stitches (DECs) and other operations according to the principle of flat crocheting based on a chain line. In addition, by manually removing and re-hanging the produced fabric, new stitches can be formed at almost any point to produce complex-shaped 3D textiles according to the capabilities of crochet. For example, it is possible to produce shapes relevant for near net-shaped composites such as double T-beams with the developed CroMat prototype. With manually suspending different stitch rows or fabrics on the machine, it is also possible to join them by simultaneously crocheting a course through them.
In addition to the mechatronic prototype with ten axes, the world's first tool for designing machine-crocheted textiles is developed. It includes error checking, generation of the G-code for machine control and a preview of the designed fabrics. Beyond a graphical user interface (GUI) with standardized crochet symbols, a higher-level programmability is added through specifying a shape by 2D polygons and automatically generating corresponding, machine-crochetable patterns.
The first topology-based modeling framework for machine-producible crochet structures was developed for the preview. A similar modeling was developed for manually crocheted fabrics, which differ from the machine-produced ones only in the fact that the fabric is turned after each row and thus the stitches are formed from different sides. Both models can be used as a basis for simulative finite element method (FEM) investigations, which were used in this work to simulate crocheted fabrics for the first time.
Furthermore, the tensile properties of manually crocheted fabrics were systematically investigated for the first time and the properties of the first crochet composites were researched. Crocheted textiles (and corresponding composites) have basically similar properties as knitted textiles but have a tendency to withstand higher forces. Together with the shaping capabilities, the CroMat crochet machine is generally highly promising for the automation of crochet and especially for the future production of near net-shaped composite reinforcements.:1 Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Aim 2
1.3 Work structure 3
2 Technical and scientific background 4
2.1 Crochet 4
2.1.1 Technique and stitch formation 5
2.1.2 Crocheting a fabric 8
2.1.3 Applications of crochet 11
2.1.4 Research overview on crochet 11
2.2 Knitting machines 15
2.2.1 Weft knitting 16
2.2.2 Warp knitting 19
2.2.3 Crochet gallon machines 21
2.3 Existing crochet machine approaches 23
2.3.1 First approach to automate crochet 23
2.3.2 Circular crochet machine approach 25
2.3.3 Crocheting with a robotic arm 27
2.3.4 Further attempts to automate crocheting 29
2.4 Rapid prototyping 30
2.4.1 Development approach 30
2.4.2 3D printing 31
2.5 Electric motors 33
2.5.1 Stepper 33
2.5.2 Servo motors 34
2.5.3 G-code 35
2.6 Textile composites 37
2.6.1 Composite production 37
2.6.2 Near net-shaped composites 38
3 Crochet machine development 39
3.1 CroMat innovation process 39
3.1.1 Development phases 39
3.1.2 Analyzing the first crochet machine approach 41
3.1.3 Definition of crochet machine prototype requirements 43
3.1.4 Crochet needle insertion process 47
3.1.5 Suspending stitches on auxiliary needles 55
3.1.6 Yarn guide and patent 57
3.2 Improvements beyond the patent 60
3.2.1 Analyzing the yarn feeding problem 60
3.2.2 Systematic identification of possible solutions 61
3.2.3 Implementation of the most suited solution 64
3.3 Automated crochet stitch formation 67
3.3.1 Initial situation 67
3.3.2 Slip stitch 68
3.3.3 Single crochet 71
3.3.4 Half double crochet 73
3.3.5 Turn 75
3.3.6 Chain stitch and skipping a stitch within a course 77
3.3.7 Increase stitches 79
3.3.8 Decrease stitches 82
3.3.9 Further methods for changing the fabric’s width 84
3.3.10 More complex stitches 87
3.4 Technical implementation of CroMat prototype 89
3.4.1 CroMat machine overview 89
3.4.2 Auxiliary needles 94
3.4.3 Crochet needle 100
3.4.4 Yarn guide 106
3.4.5 Stress on yarn and machine elements 109
3.4.6 Yarn tension 115
3.4.7 Firmware and motor control 117
3.5 Crocheting with the CroMat prototype 120
3.5.1 Producing an exemplary crocheted fabric 120
3.5.2 Movements for SC formation 122
3.6 Development of CroMat crochet design tool 125
3.6.1 Tool overview 125
3.6.2 User interface 126
3.6.3 Error checking 129
3.6.4 Preview of the fabric 130
3.6.5 Generating G-code 130
3.6.6 Discussing the design tool 132
3.7 CroMat requirement fulfillment 134
4 Research on crocheted fabrics 137
4.1 Modeling and simulation of manually crocheted fabrics 137
4.1.1 Modeling approaches for textiles 137
4.1.2 Developed modeling of crochet structures 138
4.1.3 FEM investigations 143
4.2 Mechanical characteristics of manually crocheted fabrics 146
4.2.1 Study overview 146
4.2.2 Materials and Methods 146
4.2.3 Influence of the crocheter 148
4.2.4 Influence of the crochet structure 150
4.2.5 Crochet composite 152
4.2.6 Evaluation of the results 155
4.3 Modeling and simulation of machine-crocheted fabrics 157
4.3.1 Modeling machine-crocheted fabrics 157
4.3.2 Modeling of INC and DEC 159
4.3.3 Simulative comparison of hand- and machine-crocheted fabrics 161
4.4 Generating machine producible crochet patterns in shapes of 2D polygons 164
4.4.1 Background 164
4.4.2 Developed polygon subdivision algorithm 165
4.4.3 Improving the subdivision’s quality 168
4.4.4 Crochet subdivision results for exemplary polygons 170
4.4.5 Discussing the results 176
4.5 Exemplary machine-crocheted fabrics 178
4.5.1 Basic fabric structure 178
4.5.2 Advanced possible structures 181
4.5.3 Poisson’s ratio investigation 185
5 Conclusion 189
5.1 Summary 189
5.2 Outlook 191
6 References 193
6.1 References of the author 193
6.2 Further references 193
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:90454 |
| Date | 26 March 2024 |
| Creators | Storck, Jan Lukas |
| Contributors | Kyosev, Yordan, Ehrmann, Andrea, Paetzold-Byhain, Kristin, Technische Universität Dresden, Hochschule Bielefeld |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1177/15280837221139250, 10.1177/15589250231203381, 10.25367/cdatp.2023.4.p254-272, 10.14502/tekstilec.66.2023062 |
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