Ziel der Entwicklung
Im Rahmen des Forschungsprojektes sollten in Anlehnung an die bekannten UD-Halbzeuge aus endlosen Verstärkungsfaserstoffen mattenähnliche Strukturen mit hohen Faserorientierungen auf Basis von Recyclingkarbonfasern entwickelt werden, um solche Fasern unterschiedlichster Herkunft und Charakters so hochwertig wie möglich wieder zur Verstärkung von Kunststoffen im Sinne des Leichtbaus nutzen zu können.
Vorteile und Lösungen
Aus den Verarbeitungsprozessen von Karbonfaserstoffen für den Leichtbau sowie End-of-life-Konzepten resultieren große Mengen endlicher Karbonrecyclingfasern, für die es gilt, diese wieder zu verwerten und dabei eine maximale Wertschöpfung zu erzielen. Im Rahmen des Projektes wurden Recyclingkarbonfasern aus der Pyrolyse von CFK sowie aus verschiedenen mechanischen Aufbereitungen von Geweben, Geflechten, Restrovings und Gelegen in verschiedenen Mattenbildungsprozessen getestet. Hier konnte gezeigt werden, dass verschiedene an die Besonderheiten der Recyclingkarbonfasern angepasste, konventionelle textile Mattenherstellungsverfahren genutzt und damit unterschiedliche, für den Einsatzzweck maßgeschneiderte Mattenhalbzeuge mit einem sehr hohen Umformverhalten für den Faserverbundsektor hergestellt werden können. Bedingung ist, dass die Recyclingkarbonfasern in einem mittleren Faserlängenspektrum von 30 – 70 mm verfügbar sind. Von geringer Bedeutung auf die Matten- und Verstärkungseigenschaften erwies sich die Herkunft der Recyclingkarbonfasern. Die untersuchten Mattenherstellungsverfahren erwiesen sich damit als universell für eine breite Palette von solchen Fasern einsetzbar. Für eine labor- und kleintechnische Fertigung der Matten wurde technisch eine modifzierte Krempeltechnik, ein neuartiges Verstrecksystem für dünne CF-Lagen sowie ein Faserspeiser/Füllschacht eingesetzt.
Zur Verfestigung kamen wahlweise eine Vernadelung oder bei Einsatz von Mischungen mit den thermoplastischen Fasern PA6 und PP als spätere Verbundmatrix ein Thermobonding zum Einsatz. Die verstärkende Wirkung der Mattenhalbzeuge wurde in den Thermoplastmatrices PA6 und PP untersucht. Hier konnten je nach Ausprägung der Orientierung Anisoptropiefaktoren in den mechanischen Verbundeigenschaften bis zum Faktor 4,5 nachgewiesen werden. Vor dem Hintergrund rasant gestiegener Rohstoff- und Energiepreise sowie unter dem Aspekt der Eindämmung des Klimawandels gewinnen Leichtbaukonzepte aus ökologischen und funktionalen Gründen immer mehr an Bedeutung. Neben diesen Aspekten spielen Recyclingkonzepte, die mit einem maximalen Wertschöpfungspotenzial gestaltet werden können, eine enorm wichtige Rolle im Sinne einer wirtschaftlich effizienten Gestaltung von Gesamtfertigungskonzepten. Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens soll der industrielle Trend hin zu hochleistungsfaserverstärkten Thermoplasten durch maßgeschneiderte Halbzeuge aus recycelten Karbonfaserstoffen unterstützt und vorangetrieben werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Seit Anfang der 90er Jahre beschäftigt sich das TITK mit der Verarbeitung von endlichen Verstärkungsfaserstoffen zu Halbzeugen für den Faserverbundsektor. Eine bedeutende Halbzeuggruppe sind dabei die Vliesstoffe beziehungsweise Matten. Bei den Vliesstoffen oder Matten unterscheidet man dabei klassisch eine isotrope und eine anisotrope Anordnung der verwendeten Fasern. Beide Technologien sind im TITK seit Jahren Bestandteil des Technikums und werden erfolgreich für die Entwicklung von Verfahren und Halbzeugen in Zusammenarbeit mit Industriepartnern genutzt. Diese im F&E-Projekt entwickelte, neuartige Verstrecktechnologie erweitert das Portfolie des TITK im Bereich der Vliesstoffe/Matten um einen Produkttyp mit weiteren Gestaltungsfreiräumen bei den maßgeschneiderten Halbzeugmatten für den Faserverbundsektor. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Know-how zur Erzeugung neuer Mattenstrukturen, insbesondere auf dem Gebiet der endlichen Carbonfaserstoffe wird im TITK zur Bearbeitung weiterer F&E-Projekte genutzt. Die Ergebnisse dienen dazu, das Leistungsspektrum des TITK als Dienstleister für die Industrie zu erweitern und weitere bilaterale Entwicklungsarbeiten mit der Industrie zu akquirieren.