Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Multiaxialgelegen aus recycelten Carbonfasern - CarboReFab

Die stoffliche Verwertung produktionsbedingten Carbonfaserabfalls stellt eine wirtschaftlich und ökologisch unerlässliche Voraussetzung für die Erhöhung der Ressourcen- und Energieeffizienz carbonfaserverstärkten Kunststoffes dar. Derzeit ist solch eine Verwertung nur eingeschränkt möglich. Grund hierfür ist die endliche und teils stark unterschiedliche Faserlänge der recycelten Carbonfasern (rCF).

Industriell erfolgt hauptsächlich die Verarbeitung zu Füllstoffen für Spritzgussanwendungen oder Vliesstoffen. Bei der Zerkleinerung zu Füllstoffen kommt es zu einem weiteren Abbau der Faserlänge. Vliesstoffe sind derzeit noch in Hinblick auf die erzielbare Faserorientierung und den Faservolumengehalt eingeschränkt, was sich negativ auf das Leichtbaupotenzial auswirkt. Ein erneuter Einsatz von rCF im strukturellen Leichtbau ist somit nur bedingt möglich.

Ziel des Projektes ist es, den Einsatz von rCF im strukturellen Leichtbau durch die Entwicklung eines Multiaxialgeleges (MAG) auf Basis drehungsfreier rCF-Bänder zu ermöglichen. Das neue rCF-MAG lässt sich auf derzeit üblichen duromeren Prozessrouten weiterverarbeiten. Durch die Umsetzung faserschonender Verfahren entlang der gesamten Prozesskette sollen sehr hohe Faserorientierungen und Faserlängen innerhalb des textilen Halbzeuges erzielt werden. Innerhalb der Einzellagen des rCF-MAG werden ca. 85 % der Zugfestigkeit und 95 % des Zug-E-Moduls einer Endlosfaserverstärkung bei vergleichbarem Faservolumengehalt angestrebt. Insbesondere Gelegehersteller, meist KMU, erhalten einen weitaus günstigeren Rohstoff im Vergleich zu vCF. In dem Sektor Hersteller von Komponenten für Fahrzeugbau bestehen große Möglichkeiten für Existenzgründer (KMU) innovative Produkte zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes konnte erstmalig die technische Machbarkeit zur Nutzung von Stapelfaserbändern aus recycelten Carbonfasern mit einem Fremdfaseranteil ≤ 10 % in der Herstellung von multiaxialen Gelegen für duromere faserverstärkte Composites nachgewiesen werden. U.a. konnten die kritischen Stufen und Zwischenprodukte in der Prozesskette zur Halbzeugfertigung identifiziert werden. Dabei haben sich insbesondere der Krempelprozess in der Bandherstellung sowie das Tränkverfahren bei der Faserverbundherstellung als entscheidend herausgestellt. Der Krempelprozess ist hinsichtlich der Erzielung ausreichender Homogenität der Faserverteilung im Faserband und somit auch im Gelege entscheidend. Die Ergebnisse der Verarbeitungsversuche der Gelege geben Aufschluss über das einzusetzende Verfahren. Unter Einsatz von Infusionsverfahren kann keine ausreichende Komprimierung des Verstärkungshalbzeugs erzielt werden, wodurch der Faservolumengehalt auf ca. 15 % begrenzt ist. Die ursprünglich angestrebten Werkstoffkennwerte konnten hierdurch nicht erzielt werden. Durch Einsatz alternativer Verfahren (z.B. Hochdruckinjektion) können der Faservolumengehalt voraussichtlich gesteigert und das Potential der recycelten Fasern ausgeschöpft werden. Auf Grundlage umfassender Werkstoffuntersuchungen konnte ein Katalog an Werkstoffeigenschaften unter Einsatz des neuen Multiaxialgeleges im Vergleich zum Einsatz von Halbzeugen aus Primärfasern sowie Vliesstoffen aus recycelten Carbonfasern erstellt werden. Diese Untersuchungen bilden die Basis für eine industrielle Akzeptanz des neuartigen Werkstoffs. Ferner wurden erste Erkenntnisse bezüglich der Wirtschaftlichkeit der eingesetzten Verfahren sowie deren Nachhaltigkeit hinsichtlich des CO2-Fußabdruckes generiert.