Ziel der Entwicklung
Neben der Luft- und Raumfahrt etablieren sich hochleistungsfaserverstärkte Verbundbauteile aufgrund des hohen Leichtbaupotentials zunehmend in der Automobilindustrie. Für hochbelastete Strukturbauteile eignen sich endlosfaserverstärkte Verbunde zur Substitution schwerere Blechbauteile am besten. Während der Produktion von in der Regel harzgebundenen CFK-Bauteilen fallen zirka 20-30 Prozent an textilen Abfällen (Schnittreste von Geweben und Gelegen) an, die in der Vergangenheit meist entsorgt wurden. Eine großtechnische Umsetzung zur Wiederverwendung der Hochleistungsfasern stand bisher nicht zur Verfügung. Im TITK wurde ein Verfahren erarbeitet, in dem textile Halbzeugreste zunächst zerschnitten und mit einer modifizierten Mühlentechnik zu Faserbündeln und Einzelfasern aufbereitet werden. Anschließend können textile Verarbeitungsverfahren genutzt werden, um Verbundhalbzeuge aus den recycelten Fasern herzustellen. Idee und Ziel des Forschungsprojektes war die Entwicklung von thermoplastischen Halbzeugen aus endlich langen Hochleistungsverstärkungsfasern, wie sie beispielsweise in Carbonfaser-Recyclingprozessen anfallen. Die Halbzeuge sollen sich dadurch auszeichnen, dass sie eine hohe Faserorientierung aufweisen, eine gute Haftung zu Thermoplast-Materialien besitzen und ein optimales Verarbeitungsverhalten im nachfolgenden, thermischen Umformprozess zeigen.
Vorteile und Lösungen
Aufgrund des hohen Energiebedarfs und der hohen Kosten der Carbonfasern ist eine hochwertige Wiederverwertung im automobilen Massenmarkt ökonomisch und ökologisch sinnvoll und notwendig. Mit Hilfe textiler Verarbeitungsverfahren (Krempeltechnik) können aus Carbonfaserabfällen erfolgreich thermoplastische Halbzeuge hergestellt werden. Das Matrixmaterial wird bei der Halbzeugherstellung in Form von Stapelfasern hinzugefügt oder es wird zunächst ein Carbonfaservlies erzeugt, welches anschließend mit Vliesen aus Matrixfasern kombiniert wird. Die Verfestigung der Faser-Faser-Mischungen kann thermisch erfolgen oder durch Vernadelung. Die finale Konsolidierung von Verstärkungsfaser und Matrixmaterial lässt sich energie- und kosteneffizient zusammen mit der Bauteilformgebung in nur einem Prozessschritt realisieren. Aufgrund der endlich langen Fasern resultiert eine gute Drapier- und Tiefziehfähigkeit, sodass 3 dimensionale Bauteile hergestellt werden können. Mit Hilfe der im Projekt entwickelten Prozesse können anfallende Faserreste aus der CFK-Produktion zu hochwertigen Halbzeugen verarbeitet werden. Diese lassen sich anschließend zu faserverstärkten Leichtbauteilen für geringe bis mittlere mechanische Belastungen verpressen.
Zielgruppe und Zielmarkt
An der Herausforderung des Recyclings von Abfällen aus der CFK-Produktion in Kombination mit einer bestmöglichen Wiederverwertung wird gegenwärtig verstärkt gearbeitet. Aktuell werden für Carbonfaserabfälle Strategien und technische Verarbeitungslinien zur hochwertigen Wiederverwertung eingeführt. Diese Abfallwiederverwertungslinien werden in einer Reihe von Produkten darüber entscheiden, ob die vorteilhaften Leichtbaustrukturen auf Basis von Faserverbundwerkstoffen wirtschaftlich zum Großserieneinsatz kommen. Das FuE-Projekt wurde so konzipiert, dass die Ergebnisse für sehr unterschiedliche Zielgruppen in der Industrie nutzbar sind. Dies beginnt beim kleinen und mittelständischen Recycler, geht über die Vlieshersteller und Zulieferbetriebe bis hin zur Großindustrie in Automobilbau, Flugzeugfertigung und Windenergieanlagenbau. Insgesamt werden die Markteintrittschancen für das neue Verfahren und die daraus resultierenden innovativen Stapelfaser-Halbzeuge aus recycelten Carbonfasern als sehr erfolgversprechend angesehen, da in den verschiedenen Industriezweigen, insbesondere im Bereich der Automobilherstellung, das erforderliche Equipment zur Weiterverarbeitung der neuen Produkte vorhanden ist. Durch die Bearbeitung des Projektes konnte das TITK neue Erkenntnisse und Erfahrungen gewinnen, auf die mit bestehenden und zukünftigen Partnern zurückgegriffen werden kann. Dies sichert dem Institut zukünftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der faserverstärkten Kunststoffe sowie des Recyclings von Hochleistungsfasern. Weiterführende Forschungsvorhaben sowie Direktaufträge aus der Industrie konnten bereits initiiert werden.