Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

CF/AR/Thermoplast-Hybridgarne für anforderungsgerechte thermoplastische Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen

CF/AR/Thermoplast Hybridgarne für anforderungsgerechte thermoplastische Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen (Yarn Engineering). Aktuelle Composites werden entweder nach Steifigkeit und Festigkeit oder Impact- und Crasheigenschaften ausgelegt, sodass komplexe Lastszenarien nur sehr beschränkt berücksichtigt werden können. Bei Konzepten zur gleichzeitigen Kombination hoher gewichtsspezifischer Steifigkeiten und Festigkeiten und duktiler Komponenten zur Umsetzung der notwendigen Schadenstoleranz wird auf Makro- oder Mesoebene hybridisiert. Dabei resultieren jedoch erhebliche Nachteile aufgrund extrem aufwendiger und kostenintensiver Fertigungsprozesse und hinsichtlich bisher erzielter geringer mechanischer Eigenschaften. Das Ziel des Projektes ist daher die Kreierung einer neuen auf Mikroebene hybridisierten dreikomponentigen Werkstoffklasse für Leichtbauanwendungen, bei der die strukturmechanischen Compositeeigenschaften zur gleichzeitigen maximalen, kombinierten und lastfallgerechten Nutzung der carbonfaserbedingten extrem hohen Steifigkeiten und Festigkeiten und der aramidfaserbedingten, extrem hohen Crash- und Impacteigenschaften durch Variation der Verstärkungsfaseranteile und Faseraufmachung skalierbar ausgelegt werden können. Zur Erreichung des Ziels wird eine Prozesskette beginnend mit Krempel, über Strecke bis hin zur Verspinnung mittels Lufttexturier- und Flyerspinntechnologie zur schonenden Verarbeitung der CF, AR und thermoplastischen Fasern zu Engineered Garnen entwickelt. Dabei werden sowohl Stapelfasern, als auch Filamentgarne verwendet, um eine große Breitenwirkung in der Industrie zu erzielen. Als Stapelfasern sollen darüber hinaus in großem Umfang recycelte Verstärkungsfasern eingesetzt werden, wodurch zusätzlich ökologische und umwelttechnische Ziele mit großen wirtschaftlichen Vorteilen verwirklicht werden können. Damit eröffnet sich die Gelegenheit für die KMU der Textilindustrie, neue Produkte und Technologien für den Compositemarkt zu entwickeln und sich als Lieferant für die Automobil-, Schifffahrt-, Luftfahrt, Maschinenbau- und Sportgeräteindustrie zu etablieren.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden am ITM zwei Materialkonzepte auf Basis von zwei, in der Industrie etablierten Garnbildungstechnologien realisiert, um CF/AR/Thermoplast bzw. rCF/rAR/Thermoplast Hybridgarne für anforderungsgerechte thermoplastische Composites mit herausragenden, skalierbaren Steifigkeits-, Festigkeits-, Crash- und Impacteigenschaftskombinationen zu entwickeln. Nach erfolgreicher Weiterentwicklung der Technologien und Techniken wurden jeweils fünf verschiedene Engineered Garne mit jeweils einer resultierenden Volumenanteilskombination CF/AR/Thermoplast bzw. rCF/rAR/Thermoplast im Composite (50/0/50 %; 40/10/50 %, 25/25/50 %, 10/40/50 % und 0/50/50 %) pro Materialkonzept umgesetzt und aus der Vorzugsvariante ein Demonstrator gefertigt.

Mit den erarbeiteten Ergebnissen stehen zwei flexible und industrielle Fertigungstechniken zur Herstellung von Engineered Garnen auf Basis unterschiedlicher Aufmachung zur Verfügung. Es wurde erstmals die Herstellung von Engineered Garnen auf Basis der Filamentgarne oder der Stapelfasern für den breiten Industrieeinsatz von Composites mit verbesserten Impacteigenschaften ermöglicht, wodurch zahlreiche neue Anwendungen in verschiedensten Bereichen des 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 Technologien und die den daraus resultierenden Engineered Garnen 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 Engineered Garne basierte Produkte bspw. für die Bereiche Leichtbau, Kraftfahrzeugbau und Schiffbau realisieren.