Ziel der Entwicklung
Ziel des Forschungsprojektes war es, grundlegende Fragestellungen beim Einsatz von flächigen Halbzeugen aus Hochleistungsstapelfasern zu untersuchen. Dabei lag der Fokus auf dem Einsatz recycelter Carbonfasern (rCF), da es sich dabei um ein hochwertiges Produkt handelt, dass aufgrund des guten Eigenschaftsniveaus die Möglichkeit bietet, kostengüsntige Hochleistungsverbunde herzustellen und dadurch auch neue Anwendungsfelder in anderen Bereichen als der Luft- und Raumfahrt zu erschließen.
Dabei galt es zu klären, welche Einflüsse
- das angewendete Recyclingverfahren,
- die eingesetzte Faserlänge,
- die Technologie zur Halbzeugherstellung und
- das angewandte Verfahren zur Verbundherstellung auf die resultierenden Verbundkennwerte haben. Dazu wurden geschnittene Primärfasern und rCF aus unterschiedlichen Recyclingverfahren zu Nassvliesstoffen, Krempelvliesen und luftgelegten Wirrvliesen verarbeitet und mit Epoxidharz zu Verbunden konsolidiert. In Abhängigkeit von den eingesetzten Carbonfasern und dem angewandten Vlieslegeverfahren resultiert ein breites Kennwertespektrum. Es können mechanische Verbundeigenschaften erreicht werden, die sich mit GFK vergleichen lassen, wobei deutliche Gewichtsvorteile möglich sind.
Vorteile und Lösungen
Leichtbauanwendungen und Verbundwerkstoffe nehmen eine immer wichtigere Rolle in der Industrie ein. Damit begegnet man den großen Problemen unserer Zeit – Klimawandel und Rohstoffknappheit. CFK konkurrieren mit Glasfaserverstärkten Verbunden (GFK) und Leichtmetallen wie Aluminium. Bei der Substitution von Aluminium durch CFKs erreicht man höhere Festigkeiten bei geringerem Gewicht. So kann man etwa 40 Prozent Gewicht bei der Substitution von Aluminium durch CFK einsparen. Im Vergleich zu GFK haben CFK ebenfalls Gewichtsvorteile (Vergleich Dichte Glasfasern = 2,5 – 2,6 g/cm³; Dichte Carbonfasern = 1,75 – 1,91 g/cm³). Hauptkriterium für die Substitution von GFK durch CFK ist jedoch die wesentlich höhere Zugfestigkeit und vor allem Steifigkeit der Carbonfasern. Durch den zunehmenden Einsatz von CF und CFK kommt es verstärkt zu Abfällen, sowohl als CF, beispielsweise Rovingreste, als unausgehärtete/trockene CF, Stanz- und Schnittabfälle, und auch als gehärtete CFK , fehlerhafte Bauteile, Bauteile am Produktzyklusende). Aufgrund des hohen Preises von Primärfasern ist man seit längerem bemüht, effektive und kostendeckende Recyclingstrategien zu entwickeln. In Deutschland wurden zwei Pyrolyseanlangen zur Gewinnung von rCF aus CFK errichtet, aber auch die mechanische Aufbereitung trockener Stanzabfälle wurde bereits industriell umgesetzt. Ganz gleich, aus welchem Verfahren die anfallenden rCF stammen, es handelt sich immer um endliche Fasern, die nicht so verarbeitet und eingesetzt werden können wie Primär-CF und für die folglich gilt, entsprechende Einsatzgebiete zu erschließen. Dass rCF nicht nur als Mahlgut, sondern mit entsprechender Halbzeugfertigung aufbereitet, als effektive Verstärkungskomponente für CFK wieder einsetzbar sind, konnte durch die Projektarbeiten gezeigt werden. Der Einsatz von rCF trägt daher sowohl zum Umwelt- und Ressourcenschutz bei, Leichtbau und Recycling, als auch zur Stärkung von KMU aus den Bereichen Recycling, Vlies- und Mattenherstellung und Verbundherstellung.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der unmittelbare Nutzen für das TITK resultiert in der Erweiterung der Kompetenz auf dem Gebiet der Verbundwerkstoffe, insbesondere der Hochleistungsverbunde. In den letzten Jahren hat sich in der verantwortlichen Abteilung als wichtiger strategischer Schwerpunkt der Leichtbau mit Faserverbund Werkstoffen etabliert. Dieser Schwerpunkt wird durch die Ergebnisse gestärkt und ausgebaut. Auch zahlreiche weitere, aktuell laufende Projekte profitieren von den Ergebnissen dieses Vorhabens. Durch die Veröffentlichung der Ergebnisse in einschlägigen Fachzeitschriften und auf Kongressen erhöht sich der Bekanntheitsgrad des Institutes sowohl im deutschen Raum als auch auf internationaler Ebene. Alle Erkenntnisse, die eine über das Projekt hinausgehende wirtschaftliche Nutzung nahe legen, sollen mit Industriepartnern weiter bearbeitet werden. Die Projektergebnisse liefern damit einen wesentlichen Beitrag zu innovativen Vliesstoffen aus rCF als kostengünstige Ausgangsmaterialen für die CFK-verarbeitende Industrie.
Dieses Potential der rCF-Vliesstoffe kann im Nachgang an das FuE-Vorhaben an die spezifischen Prozesse und Anlagentechnik der Anwender angepasst werden. Vorteilhaft für den Antragsteller ist dabei, dass auf dem Gebiet des Carbonstapelfasereinsatzes Pionierarbeitet geleistet wurde und eine schnelle industrielle Umsetzung erfolgen kann.