Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von Heavy Tows aus recycelten Carbonfasern für kostengünstige duroplastische Composites mit hohem Leistungsvermögen

Zahlreiche Forschungsinstitute und Unternehmen entwickelten in den letzten Jahren verschiedene Lösungen im Bereich Vliesstoffe und Hybridgarne aus rCF ausschließlich in Kombination mit Thermoplastfasern für thermoplastische Composites. Im Bereich der rCF basierten duroplastischen CFK wurden bisher vorwiegend rCF-Vliesstoffe aus 100 % rCF entwickelt, mit denen jedoch prinzipbedingt aufgrund der geringen Faserorientierung sowie einer hohen Ungleichmäßigkeit der Faserstrukturen nur ein Bruchteil der ursprünglichen Kennwerte von CFK-Bauteilen aus Endlosfilamentgarnen im Verbund erreicht werden kann.

Aus diesem Grund besteht das Ziel des Projektes in der Entwicklung von rCF-Heavy Tows mit Feinheiten von 1200 bis 7000 tex für anforderungsgerechte duroplastische Composites, die über mindestens 85 % der mechanischen Eigenschaften und im Vergleich zu auf Primärfasern basierenden Halbzeugen signifikant erhöhter Drapierbarkeit verfügen sollen. Darüber hinaus werden funktionserweiternde Fasern in die rCF-Heavy Tows mit bis zu 4 Vol. % beigemischt, um Zusatzfunktionen, z. B. höhere Duktilität, verbessertes Splittingverhalten oder bessere elektrische Leitfähigkeit der rCF-Composites zu erzielen. Dazu wird im Vorhaben eine Prozesskette zur schonenden Verarbeitung von rCF zu rCF-Heavy Tows von der Faseraufbereitung bis zur Garnbildung entwickelt. Das Ziel ist es, eine geringe Faserschädigung und eine hohe Gleichmäßigkeit der rCF-Heavy Tows zu erreichen und diese drehungsfrei zu fixieren. Da auf vorhandene Maschinentechniken zurückgegriffen wird, ist eine gute Umsetzbarkeit sowie ein zügiger Transfer der Ergebnisse gewährleistet und eine hervorragende Möglichkeit zur Erweiterung bzw. Erschließung neuer Geschäftsfelder für die mittelständisch geprägte deutsche Textil- und FKV Industrie geboten.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des IGF-Forschungsvorhabens (21612 BR) wurde am ITM die gesamte Prozesskette bzw. Technologie zur industriellen Herstellung neuartiger, drehungsfreier rCF-Heavy Tows auf Basis von recycelten Carbonfasern (rCF, ≥ 90 Vol.-%) und Funktionskomponenten (< 10 Vol. %) konzipiert, konstruiert und erfolgreich umgesetzt. Dies umfasst die Faseraufbereitung, den Kardierprozess zur Bildung des Kardenbandes, den Streckprozess zur Bildung des Streckbandes sowie die abschließende Herstellung der rCF-Heavy Tows aus rCF und Funktionskomponenten in den neu entwickelten modular aufgebauten Versuchsständen. Zur Beseitigung von Konsolidierungsfehlern, wie z. B. große Lufteinschlüsse und nicht vollständig imprägnierte Stellen sowie geringe Verbundeigenschaften aufgrund der voluminösen Strukturen der rCF Heavy Tows, wurden drei Module zur Kompaktierung und Verfestigung von bis zu 100 % rCF-Streckenbändern zu rCF Heavy Tows entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Der Nachweis der Eignung der entwickelten Technologie erfolgt durch die Herstellung von rCF-Heavy Tows mit unterschiedlichen Faserlängen und Faservolumengehalten sowie eines Demonstrators. Die entwickelten rCF-Heavy Tows mit Feinheiten zwischen 3000 und 7000 tex und deren Weiterverarbeitbarkeit zu textilen Halbzeugen wurden erfolgreich demonstriert. Die entwickelten rCF Heavy Tows und darauf basierende Composites weisen hohe mechanische Eigenschaften auf. Die rCF Heavy Tows können somit für kostengünstige Duroplaste mit komplexen Geometrien eingesetzt werden. Damit bieten die entwickelten rCF Heavy Tows ein sehr hohes Innovations- und Marktpotenzial in den Bereichen Werkstoffe und Materialien, Leichtbau, Umwelt- und Nachhaltigkeitsforschung sowie Ressourceneffizienz. Damit eröffnet sich für KMU der Textilindustrie die Chance, neue Produkte und Technologien für den Faserverbundmarkt zu entwickeln und sich als Zulieferer für die Automobil-, Maschinenbau-, Luftfahrt-, Medizin- und Sportgeräteindustrie zu etablieren.