Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von hochdrapierbaren Thermoplastfaserbandstrukturen aus recycelten Carbonstapelfasern mit hohem Leistungsvermögen für komplex geformte Composites

Der Einsatz von faserverstärkten Thermoplastbauteilen auf Grundlage von textilen Halbzeugen aus Hochleistungsfasern und Thermoplasten ermöglicht eine vielseitige Nutzung von Leichtbaustrukturen in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Bisher existieren am Markt aber keine textilen Halbzeuge für die breite Serienanwendung, die sowohl hohe mechanische Kennwerte, eine hohe Drapierbarkeit sowie geringe Material- und Fertigungskosten als auch die Nachhaltigkeit im FKV in sich vereinen.

Diese Problemstellung soll durch die Entwicklung von neuartigen hochdrapierbaren Thermoplastfaserbandstrukturen aus recycelten Carbonstapelfasern (rCF-TFS) im Rahmen des beantragten Projektes gelöst werden. Die rCF werden mit PA 6-Stapelfasern schonend zu Hybridkrempelbändern durch einen modifizierten Krempelprozess verarbeitet, mehrere Krempelbänder werden anschließend auf einer modifizierten Strecke mit Bandregulierung verarbeitet und schonend zu gleichmäßigen Streckenbändern verstreckt. Die unidirektional ausgerichteten Streckenbänder werden einem entsprechend zu modifizierenden Versuchsstand auf Basis einer Banddoubliermaschine zugeführt, wo diese zu einem homogen durchgemischten, gleichmäßigen flächigen thermisch stabilisierten rCF-TFS-Halbzeug mit skalierbaren Abmessungen überführt werden. Die rCF-TFS verfügen über zahlreiche Vorteile: Kostengünstige Fertigung, homogene Durchmischung der Fasern auf Mikroebene für sehr kurze Matrixfließwege, deutlich höhere Drapierbarkeit als bei Halbzeugen aus Endlosfasern durch die Möglichkeit zum Gleiten der trockenen Stapelfasern aneinander vorbei, Ausnutzung des Leistungspotenzial der rCF durch optimale unidirektionale Ausrichtung, Kompaktierung und hoher Faservolumenanteile bis zu 65 %.

Damit eröffnet sich die Gelegenheit für die KMU der Textilindustrie, neue Produkte und Technologien für den Faserverbundwerkstoffmarkt zu entwickeln und sich als Lieferant für die Automobil-, Maschinenbau-, Medizin- und Sportgeräteindustrie zu etablieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens wurde am ITM die gesamte Prozesskette der industriellen UD-rCF-TFS-Fertigungstechnologie entwickelt, beginnend von der Faseraufbereitung über den Krempelprozess zur Krempelbandbildung und den Streckprozess zur Streckenbandbildung bis hin zur Thermoplastfaserbandstrukturen aus rCF und Thermoplastfasern.

Mit den erarbeiteten Ergebnissen steht eine kostengünstige, flexible und industrielle UD-rCF-TFS-Fertigungsprozesskette zur Verfügung. Damit wird erstmals die kostengünstige Herstellung von hochdrapierbaren textilen Halbzeugen für den breiten Industrieeinsatz von Composites ermöglicht, wodurch zahlreiche neue Anwendungen in verschiedensten Bereichen des stark wachsenden Leichtbaus entstehen werden, die von einer Vielzahl von Firmen aus der Textil- und Verbundindustrie in den nächsten Jahren zur Marktreife gebracht werden können.

Mit der Entwicklung der Technologie und die den daraus resultierenden hochdrapierbaren Thermoplastfaserbandstrukturen können hauptsächlich kleinen und mittelständischen Unternehmen des Textilmaschinenbaus, der Kurz- und Langstapelfaserspinnerei, der textilen Flächenbildung sowie Carbon- und Thermoplastfaser-, FKV-Hersteller, Automobil- und Luftfahrtzulieferer, Anlagenbauer, Windenergieunternehmen, Recyclingunternehmen einen direkten Nutzen erlangen. Es lassen sich UD-rCF-TFS-basierte Produkte bspw. für die Bereiche Sport, Medizin oder Elektronik realisieren.

Durch die Prozessentwicklung wird zum einen eine hohe ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Produktion von Carbonfaser-Halbzeugen, zum anderen eine hohe Ressourceneffizienz durch exzellente Verbundeigenschaften erreicht. Diese erreichten Ziele kommen unmittelbar den kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) der Textilindustrie zugute, die mit neuen Produkten und Technologien ihren Führungsanspruch im Faserverbundwerkstoffmarkt unterstreichen.