Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozess- und Strukturmodellierung für neuartige Airlay-Carbonfaservliesstoffe und deren Isotropieverhalten (ProStAir)

Ein seit Jahren anerkanntes Problem des technischen Fortschritts der Mobilität ist der Abgasausstoß. Da Masse gleich Trägheit bedeutet, sind Abgase z. B. von KFZ wesentlich von dessen Gewicht abhängig. Der Leichtbausektor nimmt sich diesem Problem an und setzt carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) ein. So können Kraftstoffverbrauch und Abgasausstoß reduziert sowie die Umwelt geschont werden.

Dem gegenüber steht die kritisch zu betrachtende CO2-Ökobilanz von originären Carbonfasern (CF) aufgrund der energieintensiven Herstellung welche das Material zudem teuer macht. Kostengünstiger ist die Verwendung von zu Vliesstoffen verarbeiteten recycelten Carbonfasern (rCF) für CFK-Bauteile. Deren Festigkeitseigenschaften sind jedoch geringer als auf CF-Gelegen basierenden CFK.

Technologisch und wirtschaftlich vorteilhaft sind rCF-Vliesstoffe mit gezielt den geforderten Bauteileigenschaften angepassten partiell anisotrop ausgerichteten Fasern. Das Airlay-Verfahren ist äußerst wirtschaftlich und für die Verarbeitung von rCF geeignet. Zudem bietet es die Möglichkeit, die Fasern in der Fläche und sogar im Raum gezielt auszurichten. Bislang wurden die komplexen Maschineneinstellungen nur empirisch gefunden. Diese Vorversuche kosten Zeit, Material und Energie.

Das Vorhaben hat daher zum Ziel, die rCF-Vliesstoffherstellung mittels Airlay modellieren und simulieren zu können. Mit der daraus entstehenden Einstellhilfe können entsprechende KMU unter Einsparung von Ressourcen die Maschinenparameter für gewünschte Anisotropieverhältnisse gezielt finden. Die vereinfachte Möglichkeit der rCF-Vliesstoffherstellung mittels Airlay wird den Markt zudem für neue KMU interessant machen. Der Projekterfolg wird eine Steigerung der rCF-Nachfrage bewirken und somit der Vliesstoffherstellung vor- und nachgelagerte KMU positiv beeinflussen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde der Vliesbildungsvorgang mittels der Airlay-Technologie für Carbonfasern und rezyklierte Carbonfasern untersucht. Zentrale Frage war, ob und wie sich die Isotropieeigenschaften des Vliesstoffes durch Variation der Prozessparameter gezielt beeinflussen lassen. Das komplexe Projektziel wurde durch die iterative und stufenweise konzipierte Projektarbeit der eng zusammenarbeitenden Forschungsstellen erreicht.

Im Ergebnis wurde zweifelsfrei nachgewiesen, dass die Orientierung der Carbonfasern durch Veränderung der Parameter Querstromgebläse, Absaugung, Materialdurchsatz und Siebbandgeschwindigkeit manipuliert werden kann. An einer exemplarischen Anlage wurde aufgezeigt, bei welchen konkreten Einstellungen sich welche Faservorzugsrichtung und Ausprägungsstärke dieser Vorzugsrichtung reproduzierbar einstellt. Darüber hinaus wurde festgestellt und quantifiziert, welche Prozesseinstellungen die Homogenität der Ausbildung des Vlieses negativ beeinflusst. Auch ungünstige Relationen von Absaugung und Drehzahl Querstromgebläse, welche zum "wegfliegen" der Fasern führen, wurden definiert.

Nicht zuletzt wissenschaftlich-technische Erkenntnisse, wie simulationskritische Parameter (z. B. Geometrietreue, Initialisierungswinkel der Fasern), Messkonzepte für das Strömungsverhalten der Anlage oder numerische und visuelle Analyse der Faserorientierung sind wichtige Ergebnisse des Projektes, da sie die Weiterentwicklung der Airlay-Technologie sowie den wirtschaftlich sinnvollen Einsatz von rezyklierten Carbonfasern im Leichtbausektor fördern.

Die Anwendungsmöglichkeiten der erzielten Ergebnisse sind vielfältig, z. B.:

- gezielte Beeinflussung der Faserorientierung zur Herstellung von Vliesstoffen zur Weiterverarbeitung zu lastpfadoptimierten CFK-Bauteilen,

- ermittelte Strömungsprofile und -felder helfen Hersteller für Airlay-Anlagen, diese zu optimieren,

- besseres Verständnis über Spezifika von Airlay-Anlagen für Vliesstoffhersteller zur Optimierung der Produktion.