Ziel der Entwicklung
Als faserorientierende, kostengünstige und marktverfügbare Technik wird das Krempeln zu dünnen Faserfloren in Kombination mit einer neuen Winkelablagetechnik von Faserfloren in 45°-, 90°- sowie 0°-Orientierung untersucht und verfahrensoptimiert. Der im TITK e.V. entwickelte Verfahrensansatz sollte hierbei bezüglich seines Potenzials getestet und umsetzbare Technologien für die Industrie erarbeitet werden.
Vorteile und Lösungen
Als endliche Verstärkungsfasern wurden para-Aramid-Reißfasern, Recyclingcarbonfasern und technische Flachsfasern eingesetzt.
Thermoplastische Matrices waren PP, PA6 und PET. Das folgende Bild 1 zeigt das Prinzip des Aufbauens winkelanisotroper Vlieshalbzeuge auf der Grundlage faserorientierter Krempelflore. Dargestellt sind die Versuchsvarianten zur Ablage der Vlieshalbzeuge in den Faserorientierungen 0°, und 90° sowie 45°.
Zur Realisierung dieser Produktaufbauten wurde ein Prototyp eines Speziallegers eingesetzt, der mit Endlosfaserflor von einer Krempel gespeist wird und das Krempelflor winkelgenau auf einem Florablageband lückenlos nebeneinander bis dachziegelartig überlappend für höhere Vlieshalbzeugflächenmassen ablegen kann.
Die erreichbaren Flächenmassen lagen im Bereich von 200 – 1000 g/m². Verfestigt wurden die Halbzeugmatten wahlweise durch Vernadeln oder thermisch. Auf diese Art und Weise resultierten mattenähnliche Faserverstärkungshalbzeuge mit definierten Faserorientierungen für den Einsatz im Faserverbundsektor.
Die verstärkende Wirkung der orientierten Faserhalbzeuge wurde in den Thermoplastmatrices PP, PA6 und PET untersucht. Hier konnten je nach Ausprägung der Orientierung Anisoptropiefaktoren in den mechanischen Verbundeigenschaften bis zum Faktor 3 nachgewiesen werden.
Mit der Technologie der Verarbeitung endlicher Fasern im Längenbereich von 30 – 100 mm zur Herstellung winkelanisotroper Vlieshalbzeuge für den Faserverbundsektor eröffnen sich einerseits für die stets in endlicher Form vorliegenden Naturfasern, andererseits für Recyclingfasern aus Aufbereitungsprozessen von Hochleistungsfaserverbunden und Produktionsabfällen völlig neue Möglichkeiten, Prozesschritte zu reduzieren und so wirtschaftliche Effekte zu realisieren.
Vor dem Hintergrund rasant gestiegener Rohstoff- und Energiepreise sowie unter dem Aspekt der Eindämmung des Klimawandels gewinnen Leichtbaukonzepte aus ökologischen und funktionalen Gründen immer mehr an Bedeutung. Neben diesen Aspekten spielen Recyclingkonzepte, die mit einem maximalen Wertschöpfungspotenzial gestaltet werden können, eine enorm wichtige Rolle im Sinne einer wirtschaftlich effizienten Gestaltung von Gesamtfertigungskonzepten.
Mit den Ergebnissen des Forschungsvorhabens soll der industrielle Trend hin zu hochleistungsfaserverstärkten Thermoplasten durch maßgeschneiderte Halbzeuge unterstützt und vorangetrieben werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Kombiniert mit bekannten Verfahrensschritten lässt sich diese neuartige Mattenbildung in folgendem Gesamtkonzept einer industriellen Nutzung schematisch darstellen:
Seit Anfang der 1990er Jahre beschäftigte sich das TITK mit der Verarbeitung von endlichen Verstärkungsfaserstoffen zu Halbzeugen für den Faserverbundsektor. Eine bedeutende Halbzeuggruppe sind dabei die Vliesstoffe beziehungsweise Matten. Bei den Vliesstoffen oder Matten unterscheidet man dabei klassisch eine isotrope und eine anisotrope Anordnung der verwendeten Fasern. Beide Technologien sind im TITK seit Jahren Bestandteil des Technikums und werden erfolgreich für die Entwicklung von Verfahren und Halbzeugen in Zusammenarbeit mit Industriepartnern genutzt. Diese im FuE-Projekt entwickelte, neuartige Legetechnologie erweitert das Portfolio des TITK im Bereich der Vliesstoffe/ Matten um einen Produkttyp mit völlig neuartigen Gestaltungsfreiräumen bei der Faserorientierung. Das im Rahmen des Projektes entwickelte Know-how zur Erzeugung neuer Mattenstrukturen, insbesondere auf dem Gebiet der endlichen Carbonfaserstoffe wird im TITK e. V. zur Bearbeitung weiterer FuE-Projekte genutzt. Die Ergebnisse dienen dazu, das Leistungsspektrum des TITK als Diensleister für die Industrie zu erweitern und weitere bilaterale Entwicklungsarbeiten mit der Industrie zu akquirieren.