Ziel der Entwicklung
Das Ziel des Vorhabens war die Weiterentwicklung einer textilen Technologie für flächige Halbzeuge aus Stapelfasern mit einer belastungsgerechten topologischen Materialverteilung. Die Grundidee dafür war die neuartige Vor- bzw. Endverfestigung eines topologisch gestalteten Vlieses mittels definierter Lasertechnologie vor oder anstelle der Vernadelungstechnologie.
Es sollte untersucht werden, mit welchen Parametern hinsichtlich Intensität und Geometrie des Lasersystems gearbeitet werden muss, um Faservliese in Mischung mit thermoplastischen Fasern ohne zusätzliche Nachbehandlung weiterzuverarbeiten oder mittels Filznadeln zu fixieren. Dabei werden durch den Energieeintrag des Laserstrahls die thermoplastischen Fasern aufgeschmolzen, um die Kreuzungspunkte der Bewehrungsfasern gelegt und anschließend fixiert. Gleichzeitig dienen die thermoplastischen Fasern als Matrix der Faserverbundbauteile.
Die somit erreichbare, präzise Massenverteilung im Vlies kann einen Ausgleich der Verzüge in kritischen Umformbereichen (z. B. enge Radien) sowie ein höheres Niveau spezifischer Struktureigenschaften gewährleisten. Außerdem tragen eine signifikante Masseeinsparung und ein geringerer Energieaufwand durch das neue Verfestigungsverfahren zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei.
Vorteile und Lösungen
Die Kombination von Laserstrahlung in Verbindung mit der Verfestigung von Faservliesen wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens erstmals untersucht. Dabei konnten viele neue Erkenntnisse gewonnen werden, die weiter ausgebaut und erforscht werden müssen. Grundsätzlich ließen sich Gesetzmäßigkeiten herausarbeiten, die für weitere Anwendungen im Bereich der Lasertechnologie in Verbindung mit textilen Faserstoffen und Strukturen wichtig und notwendig sind.
Es wurde eine Laserquelle (1) durch die Firma LASER on demand GmbH, Burgdorf, quer zur Maschinenlaufrichtung (2) einer Labornadelanlage mit 500 mm Arbeitsbreite direkt nach der partiellen Ablage von Fasern (3) mittels eines 3D-Lofters (Oskar Dilo Maschinenfabrik KG, Eberbach) auf einer Vliesgrundbahn (4) installiert und angepasst. Die Laserstrahlung traf dabei auf ebenes oder topologisch gestaltetes Faservlies und verfestigte die obere Schicht linienförmig bis in eine Tiefe von 10 mm.
Vliese und Vliesstoffe aus thermoplastischen und hochfesten, nicht brennbaren Faserstoffen gingen mit den Laserstrahlen eine messbare Wechselwirkung ein, wobei PES-Biko-Fasern die besten Ergebnisse hinsichtlich der Verfestigung durch Laserstrahlen zeigten. Je nach Faserstoff mussten die Laserleistung und die -geschwindigkeit angepasst werden.
Naturfasern zellulosischen Ursprungs (Flachs) reagierten empfindlich auf die Laserstrahlung, d. h., sie begannen bei einer Bestrahlungsleistung von > 30 W zu brennen. Schlussfolgernd kann deshalb gesagt werden, dass ein ausreichender Anteil niedrig schmelzender PES-Biko-Fasern, die bei einer Laserleistung von < 30 W schmelzen, die gewünschte Verfestigung erzeugt.
Des Weiteren wurde festgestellt, dass nicht nur die Laserstrahlen entsprechend des Faserstoffes unterschiedlich einkoppeln, sondern auch die Dichte der Vliesstruktur in der Verfestigung eine entscheidende Rolle spielt.
Vliesstoffe im Flächenmassebereich bis 100 g/m², insbesondere aus PES-Biko-Fasern, können entsprechend der Leistung der Laserstrahlung vor- oder endverfestigt werden. Dabei wird die Eindringtiefe der Strahlen so gewählt, dass die Fasern nicht nur an der Vliesoberfläche, sondern bis in den Vliesquerschnitt aufgeschmolzen werden und somit das Vlies verfestigt wird.
Auch bei einer anschließenden Vernadelung von unbehandelten und laserbestrahlten Vliesen ist die Wirksamkeit der Laserstrahlung in den Prüfproben messbar. Verringerungen von Höchstzugkräften in Längs- und Querrichtung waren je nach Faserauswahl weniger als 10 %, in einigen Fällen unter 5 % messbar, Werte, die im Bereich der Standardabweichung von Vliesstoffen liegen. Schlussfolgernd kann deshalb gesagt werden, dass durch eine Laserbestrahlung partielle Faserverstärkungen so fixiert werden, dass die Festigkeiten und Fasern nicht beeinträchtigt werden.
Zusammenfassend können folgende Gesetzmäßigkeiten herausgearbeitet werden:
Je schneller der Laser ist, desto kleiner ist der Winkel der Laserspur.
Je schneller der Laser ist, desto enger sind die Laserspuren und desto höher ist die Verfestigungsdichte im Vlies.
Je geringer die Flächenmasse im Vlies ist, desto höher ist die Fixierung mittels Laserstrahlen.
Je schneller der Laser, desto geringer ist die Verweilzeit des Strahlers je Flächeneinheit im Vlies.
Je schneller der Laser ist, desto geringer ist der Energieeintrag je Flächeneinheit im Vlies.
Je schmaler der Laserstrahl ist, desto höher ist der Energieeintrag je Flächeneinheit im Vlies.
Je schmaler der Laserstrahl ist, desto höher ist der Verfestigungsgrad im Vliesquerschnitt.
Je breiter der Laserstrahl ist, desto geringer ist der Energieeintrag je Flächeneinheit im Vlies.
Je breiter der Laserstrahl ist, desto geringer ist der Verfestigungsgrad im Vliesquerschnitt.
Je höher der Anteil an Bindefaser ist, desto höher ist die Vliesverfestigung.
Je geringer die Dichte im Vlies ist, desto geringer ist der Verfestigungsgrad.
Fazit:
Die Laserbestrahlung ist eine weitere, innovative Möglichkeit, Faservliese und topologische Faserverstärkungen im Hinblick auf die Herstellung textiler Halbzeuge kontaktlos zu fixieren. Für jeden Faserstoff und jede Vliesstruktur ist eine individuelle Einstellung der Laserstrahlung notwendig. Geschwindigkeit, Leistung und Brennweite des Laserstrahlers sind auf Fasertyp und die zu verfestigende Struktur abzustimmen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen im Fahrzeugbau, in der Energiewirtschaft und im Bausektor wird aufgrund des enormen Leichtbaupotenzials im Vergleich zu herkömmlichen Materialien, wie Stahl und Aluminium, weiter stark zunehmen.
Im Automobilbereich unterliegen sowohl Textilien als auch Bauteile einem enormen Preisdruck. Bezogen auf die Ergebnisse des Projektes bedeutet das, dass Halbzeuge durch Nutzung der Forschungsergebnisse nicht nur kostengünstiger hergestellt werden könnten, sondern auch optimale mechanische Festigkeitsverhältnisse aufweisen.
Der Vorteil der neuen Vliesverfestigungstechnologie besteht in der vergleichsweise kostengünstigen Installation des Lasersystems nach der Vlieslegung. Außerdem bleiben die Fasern im Faservlies gegenüber der vertikalen Ausrichtung beim Vernadeln positionsgenau in horizontaler Ausrichtung erhalten, was zu höheren Zugfestigkeiten führt.
Die Forschungsergebnisse stellen eine generelle Basis für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der Erweiterung der textilen Prozesskette sowie der faserverstärkten Kunststoffe dar. Sie bilden die Voraussetzung für die Optimierung von Vliesstoffeigenschaften mittels angepasster Fasermischungen, die präzisierte Ablage von kraftaufnehmenden textilen Faserbereichen und die punktgenaue Fixierung dieser Bereiche durch Lasertechnologie. Bei erfolgreichem Abschluss der beschriebenen Forschungsarbeiten können aus den erreichten Ergebnissen heraus Nachfolgeprojekte zur Herstellung von belastungsgerechten textilen Vliesstoffen und Halbzeugen generiert werden.
Für das STFI bedeuten die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse einen Ausbau des Vorsprungs an Know-how auf dem Gebiet der Entwicklung und Nutzung von Technischen Textilien, insbesondere auf dem Gebiet der Vliesstoffentwicklung und -verfestigung in Verbindung mit Lasertechnologie. Damit verbunden ist eine Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit des Institutes und der Textilforschung in der Region. Die gewonnenen Ergebnisse schaffen einen wissenschaftlichen Erkenntnisvorsprung bei der Weiterentwicklung von Vliesstoffen durch Kombination artfremder Verarbeitungstechnologien. In künftigen Forschungsprojekten soll dieser Wissensvorsprung für die Erschließung weiterer Anwendungsfelder, z. B. Veredlung, Ausrüstung und Oberflächenbehandlung, genutzt werden.
Mit den im Projekt erworbenen Ergebnissen bietet das STFI Wissenstransfer auf dem Gebiet der Vliesverfestigung und Faserverbundherstellung an. Mit gezielten Variationen der Parameter des Laserstrahlprozesses und belastungsgerechter Gestaltung von textilen Halbzeugen können so spezielle Eigenschaften verändert werden. Die Erfahrungen der zahlreichen Projektbearbeitungen auf dem Gebiet der Vliesstoffherstellung sowie Laseranwendungen im textilen Bereich fließen in den Informationstransfer ein und können bei der Vorbereitung und Umsetzung in der industriellen Produktion bereitgestellt und transferiert werden.
Weitere Forschungsarbeiten in Kombination mit der Lasertechnologie werden im STFI auf dem Gebiet der Veredlung/Funktionalisierung, z. B. in der Trockenvorbehandlung zur Reinigung der Faseroberfläche und Haftverbesserung in Verbindung mit 3D-Druck auf textilen Warenbahnen, gesehen. Neben dem geplanten Einsatz der Lasertechnologie im Vliesstoffbereich sind auch Untersuchungen im Bereich Gewebe/Gewirke u. a. zur Reinigung der Faseroberfläche, vollflächiger oder partieller Änderung des Benetzungsverhaltens sowie der Entfernung von Fremdpartikeln in rezyklierten Carbonfasern zukunftsweisend.
Eine Einschätzung der Produktionskosten zur Vliesverfestigung mittels Laserstrahlen kann derzeit noch nicht gegeben werden, da diese Verfahrenskombination neu ist und es noch keine Erfahrungen im Herstellungsprozess gibt. Es könnten zwar die Kosten für die elektrische Leistung eines Laserstrahlers von 40 W errechnet werden; welche Parameter im Verfestigungsprozess (Geschwindigkeit, Durchdringung etc.) für optimale Produkteigenschaften nötig sind, muss bei Anwendung ermittelt werden.