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Carbonfaserverstärkte thermoplastische Halbzeuge im Nassvliesstoff-Verfahren

Das Ziel des gemeinsamen Forschungsvorhabens der PTS und des Cetex Instituts war die Entwicklung eines neuartigen hybriden Halbzeuges, welches aus einer thermoplastischen Matrix und einer Basis aus Recycling-Carbonfasern, überwiegend rückgewonnen im pyrolytischen Verfahren, und Neufasern besteht.

Projekttitel: » Neuartige hybride Halbzeuge auf Basis von Recycling- Carbonfasern für Anwendungen im Strukturleichtbau

Laufzeit: » 01.01.2017 - 30.06.2019

Projektart: » IGF 19281

Forschungsstellen: » Cetex Institut gGmbH Papiertechnische Stiftung (PTS) Projektleiterin: Franziska Gebauer

 

Ausgangssituation und Motivation

Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringer Dichte besitzen Carbonfasern ein hohes Potential zur Gewichtsreduktion von hochbelasteten Strukturbauteilen. Als einachsig ausgerichtetes Verstärkungsmaterial in Faser- Kunststoff-Verbunden für die Herstellung hochfester und schnell bewegter Leichtbaustrukturen, haben sie deswegen eine enorme Bedeutung in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Maschinen- und Anlagenbaubau, im Sport sowie in der Energietechnik.

Der weltweite Bedarf an carbonfaserverstärkten Kunststoffen verzeichnete in den vergangenen Jahren ein stetiges Wachstum auf geschätzte 141.500 Tonnen im Jahr 2019.

[1] Proportional dazu wächst einerseits die Abfallmenge aus der Weiterverarbeitung, wie z.B. Verschnittresten und Rest- Rovings. Andererseits steigt auch die Menge an End-of-Life-Bauteilen, welche in absehbarer Zeit dem Recyclingprozess zugeführt werden müssen. Bis dato stellt das pyrolytische Verfahren das Mittel der Wahl beim Carbon-Recycling dar. Pyrolisierte Carbonfasern sind für 60% bis 70% des Preises einer Primärfaser kommerziell erhältlich. Die Erforschung und Entwicklung geeigneter vollwertiger Einsatzgebiete dieser "minderwertigen" [2] CFK-Rezyklatfasern stellt momentan eine ebenso große Herausforderung dar, wie die Erforschung geeigneterer Recyclingprozesse.

Auf dieser Grundlage entstand die Motivation rezyklierte Carbonfasern zu einem geeigneten Halbzeug zu verarbeiten, das erneut als Verstärkungsmaterial in Strukturbauteilen zum Einsatz kommen kann. Dabei wurden rezyklierte Carbonkurzfasern mit Faserlängen bis 40 mm betrachtet, da für diese Fasern keine qualifizierten Strategien zur Wiederverwertung existierten.

Forschungsziel

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines neuartigen hybriden Halbzeuges mit thermoplastischer Matrix, dessen Basis Recycling-Carbonfasern, überwiegend rückgewonnen im pyrolytischen Verfahren, bilden. Bei den Untersuchungen standen vor allem zwei Hypothesen im Fokus:

• Mit dem gezielten Einsatz rezyklierter Carbonfasern lässt sich ein Hochleistungsprodukt erzeugen, welches die Performance eines Produktes auf Basis von Primärfasern aufweist.

• Durch die belastungsgerecht ausgelegte Kombination ungerichteter Organobleche auf Rezyklatfaserbasis mit belastungsgerecht angeordneten UD-Tapes ist es möglich, spezifische werkstoffliche Bauteillösungen mit optimaler Latenaufnahme und in hoher Stückzahl herzustellen, wodurch Bauteilgewicht und Kosten eingespart werden.

Vorgehensweise & Ergebnisse

Unter Nutzung des Papierprozesses, der eine gute Vereinzelung der Verstärkungsfasern und eine homogene Faserverteilung des Fasergemischs im Vliesstoff ermöglicht, wurden Hybridvliesstoffe verschiedener Konfigurationen erzeugt. Es wurden Faserlängen, Fasertypen und Mischungsverhältnisse von Matrix- und Verstärkungsfaser variiert. Die Nassvliesherstellung erfolgte im kleintechnischen Maßstab auf der Schrägsieb-Versuchspapiermaschine der PTS. Die Nassvliese wurden am Ende der Siebpartie mit Wasserstrahlbehandlung verfestigt. Die in der Papiermaschine vorhandene Trockenkapazität durch Kontakttrocknung reichte nicht aus, um die Nassvliesbahn zu trocknen. Aus diesem Grund und für eine optimale Aktivierung der thermoplastischen Matrixfasern wurde das erzeugte. Material am Ende der Papiermaschine feucht aufgewickelt und in einem nachfolgenden Schritt mittels Durchströmtrocknung getrocknet. Durch die dort wirkende Temperatur von 200 °C schmolzen die PA6-Fasern an, so dass diese eine verfestigende Wirkung auf das Vlies hatten. In der folgenden Abbildung 1 sind die gleichmäßig verteilten Faserstoffe sowohl in der Mischbütte, als auch im fertigen Nassvlies deutlich erkennbar.

Abb. 1: Mischbütte mit rCF und PA6-Fasern (li.), Versuchspapiermaschine mit Schrägsiebstoffauflauf (mi.), Hybridvliesstoff rCF-PA6 (re.) (Quelle: PTS)

Im weiteren Verlauf erfolgte die Verarbeitung der Vliesstoffe zu Organoblechen (Abbildung 2). Die Herstellung der Organobleche wurde im Heißpressverfahren mit anschließender Abkühlung realisiert und das entstandene neuartige Faserverbundmaterial mechanisch charakterisiert. Dabei wurden hervorragende Festigkeitskennwerte (𝜎M=350 MPa; Et=33 GPa) trotz geringer Verstärkungsfaserlängen (lrCF=10 mm) ermittelt.

Abb. 2: Organobleche aus Hybridvliesstoffen (Quelle: Cetex)

In den Materialuntersuchungen wurde eine ausgeprägte Anisotropie der Kennwerte festgestellt. Quer zur Produktionsrichtung traten demnach um ca 30% verminderte Zugkennwerte auf. Durch die Kombination mit unidirektional faserverstärkten Tapes konnte das neuartige Material zusätzlich belastungsgerecht verstärkt werden (Abbildung 3).

Die Kombination mit nur wenigen UDTapes steigerte insbesondere die Biegesteifigkeit des Faserverbundwerkstoffes massiv. Zur Validierung des neuartigen Materials wurden verschiedene Demonstratorstrukturen im Thermoform-Prozess realisiert (siehe Abbildung 4). Auf diese Weise konnte die Tauglichkeit des Materials unter Einsatzbedingungen nachgewiesen werden.

Abb. 3: Sandwichaufbau aus rCF-Hybridvliesstoff mit UD-Decklagen (Quelle: Cetex)

Abb. 4: Demonstratorstruktur aus rCF-Hybridvliesstoff (Quelle: Cetex)

Zusammenfassung und Schlussfolgerung

Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass es möglich ist über eine gesteuerte Rohstoffauswahl aus rezyklierten Carbonfasern und thermoplastischen Matrixfasern und der definierten Kombination mit UD-Tapes, Halbzeuge für faserverstärkte Leichtbaustrukturbauteile zu erzeugen. Konventionell am Markt verfügbare Faserhalbzeuge können damit ersetzt werden. Die sehr guten mechanischen Kennwerte und die Verarbeitung rezyklierter Hochleistungsfasern gelten hierbei als die treibenden Faktoren für eine erfolgreiche und nachhaltige Marktetablierung.

Die neuartigen hybriden Halbzeuge ermöglichen eine anwendungsspezifische Auslegung von Bauteilen mit kostengünstig erzeugten Nassvliesen aus rezyklierten Carbonfasern. Die Kombination der Nassvliese und UD-Tapes zeigt eine Kompensation möglicher Biegesteifigkeitsnachteile der Nassvliese mittels UDTapes . Es ist somit für die, überwiegend im KMU-Bereich befindlichen, Spezialpapier- und Halbzeughersteller möglich einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Wettbewerbern zu generieren, wenn die neu entwickelten Faserhalbzeuge erzeugt und eingesetzt werden.

Der Nutzen der Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen liegt in der Erschließung neuer Produkt- und Kundenfelder für die werkstoffliche Anwendung von Papieren und Nassvliesen. Die Ergebnisse des Vorhabens fließen direkt in weiterführende Forschungs und Entwicklungsaktivitäten des ZIMKooperationsnetzwerkes „RESSOURCETEX“ (www ressourcetex de) ein. Der Verbund mit seinen 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft entwickelt technische Lösungen für den textilen Leichtbau in der Großserie und Verwertungskonzepte von Faserrestmaterialien und rezyklierten Carbon- und Mineralfasern.

Franziska Gebauer,

franziska.gebauer@ptspaper.de

Johannes Tietze,

tietze@cetex.de

S.Nendel,

Nendel@cetex.de

Steffen Schramm,

steffen.schramm@ptspaper.de