S. Nendel, S. Schramm:
Neuartige hybride Halbzeuge auf Basis von Recycling-Carbonfasern für Anwendungen im Struktur- leichtbau
(rCF-Hybrid)
PTS-Forschungsbericht 04344/17
Papiertechnische Stiftung (PTS) Pirnaer Straße 37
D – 01824 Heidenau www.ptspaper.de
Download-Information:
Diese Studie steht auf der Homepage der PTS zum Download bereit:
www.ptspaper.de/forschungsdatenbank
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Steffen Schramm Tel. (03529) 551-679
steffen.schramm@ptspaper.de
Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Nendel Tel. 0371/5277-200
nendel@cetex.de Papiertechnische Stiftung PTS
Institut für Zellstoff und Papier IZP Pirnaer Straße 37
01809 Heidenau
Cetex Institut gGmbH
an der Technischen Universität Chemnitz Altchemnitzer Str. 11
09120 Chemnitz
Das Forschungsvorhaben IGF 19281 BG der AiF-Forschungs- vereinigung PTS und Cetex wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen für die Probenbe- reitstellung und für die freundliche Unterstützung bei der Projekt- durchführung.
Neuartige hybride Halbzeuge auf Basis von Recycling-Carbonfasern für An- wendungen im Strukturleichtbau
S. Nendel, S. Schramm
Inhalt
1 Zusammenfassung 2
2 Abstract 3
3 Einleitung 4
4 Versuchsdurchführung 8
5 Laborphase (vgl. AP1) 9
5.1 Rezepturentwicklung rCF-Nassvlies (vgl. Arbeitspaket 1a) 9
5.2 Rezepturentwicklung CF-UD-Tape (vgl. AP 1b) 11
5.3 Parameterermittlung für die Herstellung flächiger Halbzeuge aus UD und NV (vgl. AP 1c) 14 5.4 Mechanische/optische Charakterisierung der Plattenhalbzeuge (vgl. AP 1d) 16 5.5 Herstellung von Multi-Material-Verbunden als Organoblech (NV + UD) (vgl. AP 1e) 17 5.6 Mechanische/optische Charakterisierung des Multi-Material-Verbundes (vgl. AP 1f) 19
6 Technikumsphase 21
6.1 6.1 Überführung auf die Pilot-PM/ Papiercharakterisierung (vgl. AP 2a) 21 6.2 Herstellung der CF-UD-Strukturen im kontinuierlichen Prozess (vgl. AP 2b) 24
6.3 Herstellung des Multi-Material-Verbundes (vgl. AP 2c) 26
6.4 Optimierung der Herstellungstechnologien Nassvlies und CF-UD (vgl. AP 2d) 28
6.5 Herstellung Demonstratorbauteil (vgl. AP 2e) 29
6.6 Mechanische Charakterisierung des Demonstratorbauteil unter Einsatz-bedingungen (vgl.
AP 2f) 31
7 Simulationsmodell-Ergebnis (vgl. AP 3) 33
7.1 Entwicklung eines Simulationsmodelles für die Einzelstrukturen (vgl. Arbeitspaket 3a) 33 7.2 Simulation/Untersuchung zum Drapierverhalten der Einzelstrukturen (vgl. AP 3b) 34 7.3 Ableitung eines Berechnungsmodells für den Multi-Material-Verbund (vgl. AP 3c) 35
8 Auswertung - Transfer (vgl. AP 4) 36
8.1 Modellierung des Recyclingkreislaufes (vgl. AP 4a) 36
9 Schlussfolgerungen 39
10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 40
Literatur 43
1 Zusammenfassung
Thema Neuartige hybride Halbzeuge auf Basis von Recycling-Carbonfasern für An- wendungen im Strukturleichtbau
Ziel des Projektes
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines neuartigen hybriden Halbzeuges mit thermoplastischer Matrix, dessen Basis Recycling-Carbonfasern, überwiegend rückgewonnen im pyrolytischen Verfahren, und Neufasern bilden.
Wesentliche Ergebnisse und Schlussfolgerun gen des
Projektes
Die Ergebnisse des Projektes zeigen, dass es möglich ist über eine gesteuerte Rohstoffauswahl aus rezyklierten Carbonfasern und thermoplastischen Matrixfa- sern und der definierten Kombination mit UD-Tapes , Halbzeuge für Faserver- stärkte Leichtbaustrukturbauteile zu erzeugen. Konventionell am Markt verfügba- re Faserhalbzeuge können damit ersetzt werden.
Die sehr guten mechanischen Kennwerte und die Verarbeitung recycelter Hochleistungsfasern gelten hierbei als die treibenden Faktoren für eine erfolgrei- che und nachhaltige Marktetablierung.
Die neuartigen hybriden Halbzeuge ermöglichen eine anwendungsspezifische Auslegung von Bauteilen mit kostengünstig erzeugten Nassvliesen aus rezyklier- ten Carbonfasern. Die Kombination der Nassvliese und UD-Tapes zeigt eine Kompensation möglicher Biegesteifigkeitsnachteile der Nassvliese mittels UD- Tapes.
Es ist somit für die, überwiegend im KMU-Bereich befindlichen, Spezialpapier- und Halbzeughersteller möglich einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber Wett- bewerbern zu generieren, wenn die neu entwickelten Faserhalbzeuge erzeugt und eingesetzt werden. Der Nutzen der Forschungsergebnisse für kleine und mittlere Unternehmen liegt in der Erschließung neuer Produkt- und Kundenfelder für die werkstoffliche Anwendung von Papieren und Nassvliesen. Davon profitie- ren vor allem die stark KMU-geprägten Branchen der Spezialpapierhersteller und der Kunststoffverarbeiter.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
2 Abstract
Theme Novel hybrid semi-finished materials based on recycled carbon fibers for use in structural lightweight design
Project aims The aim of the research project was to develop a new type of hybrid semi- finished product with a thermoplastic matrix based on recycled carbon fibers, mainly recovered in a pyrolytic process, and new fibers.
Essential results and conclusions of the project
The results of the project show that it is possible to produce semi-finished products for fibre-reinforced lightweight structural components by controlled raw material selection from recycled carbon fibres and thermoplastic matrix fibres and the defined combination with UD-tapes. Conventionally available semi-finished fibre products on the market can thus be replaced.
The very good mechanical properties and the processing of recycled high- performance fibers are considered to be the driving factors for a successful and sustainable market establishment.
The novel hybrid semi-finished products enable an application-specific design of components with cost-effectively produced wet laid nonwovens made of recycled carbon fibers. The combination of wetlaid nonwovens and UD-tapes shows a compensation of possible bending stiffness disadvantages of wetlaid nonwovens by means of UD-tapes.
It is therefore possible for specialty paper and semi-finished product manufactur- ers, mainly in the SME sector, to generate an economic advantage over their competitors if the newly developed semi-finished fibre products are produced and used. The benefit of the research results for small and medium-sized companies lies in the development of new product and customer fields for the material application of papers and wet laid nonwovens. The sectors of special paper manufacturers and plastics processors, which are strongly influenced by SMEs, will benefit most from this.
The aim of the project was achieved.
3 Einleitung
Ausgangs- situation
Carbonfasern sind durch höchste Festigkeits- und Steifigkeitswerte bei ver- gleichsweise geringem spezifischem Gewicht gekennzeichnet. Als einachsig ausgerichtetes Verstärkungsmaterial in Faser-Kunststoff-Verbunden für die Herstellung hochfester und schnell bewegter Leichtbaustrukturen, besitzen sie deswegen eine enorme Bedeutung in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Maschinen- und Anlagenbaubau, im Sport sowie in der Energietechnik. Die Weltjahresproduktion an Carbonfasern wächst kontinuierlich (ca. 9% p.a.). Von derzeit ca. 45.000 Tonnen über voraussichtlich 65.000 Tonnen im Jahr 2020 ist auch darüber hinaus ein stetiger Anstieg zu erwarten. Eine zu erwartende Kostensenkung für Faserverbundbauteile von ca. 30% bis zum Jahr 2025
ermöglicht eine umfangreiche Serienproduktion, welche weit über die Herstellung von Nischenprodukten hinausreicht. Dadurch ist ein jährliches Wachstum des weltweiten Produktionsvolumens an hochfesten CFK-Bauteilen von 17% zu erwarten [1]. Proportional dazu wächst einerseits die Abfallmenge aus beispiels- weise Verschnittresten, Webkanten, Rest-Rovings und andererseits die Menge an End-of-Life- Bauteilen, welche in absehbarer Zeit dem Recyclingprozess oder der thermischen Verwertung zugeführt werden müssen. Schon jetzt entstehen mehr als 30% Produktionsabfall des teuren CFK-Materials, dessen Kilopreise sich zwischen 15€ und 80€, (teilweise auch deutlich darüber für ultrahochfeste Fasern) bewegen. Vor allem aus dem Bereich der Luftfahrt und zunehmend auch von Automobil- und Windkraftanlagenherstellern fallen bereits Bauteile an, deren Lebenszyklus beendet ist.
Carbonfasern resultieren aus kosten- und energieintensiven Herstellprozessen.
Entsprechend bedeutsam wird die Wiedereingliederung der CFK-Abfälle in den Stoffkreislauf. Die europäische Automobilindustrie muss derzeit bereits eine Recyclingquote zwischen 85% und 95% erfüllen. Bis dato stellt das pyrolytische Verfahren das Mittel der Wahl beim Carbonrecycling dar. Pyrolytische Carbonfa- sern sind für 60% bis 70% des Preises einer Neufaser kommerziell erhältlich. Die Erforschung und Entwicklung geeigneter vollwertiger Einsatzgebiete dieser
"minderwertigen" [2] CFK-Rezyklatfasern stellt momentan eine ebenso große Herausforderung dar wie die Erforschung geeigneterer Recyclingprozesse.
Genau diese Lücke soll das angestrebte Forschungsvorhaben schließen..
Möglichkeiten des Carbonfaser- Recyclings
Man unterscheidet Carbon-Rezyklatfasern zunächst nach ihrer Herkunft. Ver- schnitt und Produktionsausschuss, welcher noch nicht in Kontakt mit Matrixwerk- stoffen gekommen ist, kann meist ohne weitere Nachbehandlung verarbeitet werden („trockener Verschnitt“). Fasermaterial, welches durch Imprägnierung etc. zu End-of-Life-Bauteilen verarbeitet wurde, wird meist pyrolytisch oder chemisch von der Matrix getrennt [3]. Bei der chemischen Aufbereitung (Solvoly- se) werden die CFK-Abfälle durch eine speziell auf das Matrixpolymer eingestell- te Lösung von sämtlichen Additiven gereinigt, hierfür müssen jedoch sortenreine Abfälle vorliegen, um die Matrixwerkstoffe vollständig zu entfernen. Eine Faser- schädigung konnte hierbei nicht nachgewiesen werden [4]. Das Pyrolyse- Verfahren kann dagegen unabhängig vom Matrixpolymer alle CFK-Abfallstoffe behandeln, schwächt jedoch die Einzelfaserfestigkeit der resultierenden Rezyk- latfasern und macht eine Rückgewinnung des Matrixwerkstoffes unmöglich.
Beiden Verfahren gleich ist die reduzierte Länge der resultierenden Fasern – dies stellt einen erheblichen Nachteil hinsichtlich der Verarbeitungsmöglichkeiten und Leistungsfähigkeit als Verstärkungsfaser dar. Die CarboNXT Gmbh [5] stellt kommerziell verfügbare pyrolytisch behandelte Fasern bereits im industriellen Maßstab her, hier sind sowohl geschnittene (chopped) als auch gemahlene (milled) Produktvarianten verfügbar.
Nassvlies- herstellung mit Carbon-
rezyklaten
Innerhalb des Projektes „CFK-Halbzeuge“ (PTS/LCC, IGF 401ZN) wurde ge- zeigt, dass es möglich ist, aus rezyklierten Carbonfasern im Nasslegeverfahren homogene Halbzeuge für faserverstärkte Composite herzustellen. Dabei konnten bis zu 90% Verstärkungsfasern über das Schrägsiebprinzip ins Papier gebracht werden. Auf Basis der flächigen Halbzeuge konnten Composite hergestellt werden, die in Ihren Festigkeitseigenschaften vergleichbar und besser als gängige SMC-Materialien sind [6]. Die Composite (Epoxidmatrix) auf Basis mehrerer Lagen Papier mit 75% 6mm Carbonfrischfasern erreichten Zugfestig- keiten bis 290 N/mm² und auf Basis von 75% 6mm Carbonrezyklatfasern konn- ten Zugfestigkeiten bis 215 N/mm² erreicht werden – im Vergleich dazu liegen gängige SMC-Materialien auf Basis von Carbon bei ca. 190 N/mm² [7].
Der Nassvlies-Prozess bietet im direkten Vergleich zur Trockenvliesherstellung diverse Vorteile:
Verwertungsoption für ohnehin anfallende Kurzschnittfraktionen des Re- cycling-Prozesses
Schonende Verarbeitung der infolge des Pyrolyseschrittes spröderen rCF-Fasern (minimale Fasereinkürzung)
Geringer Staubbelastung infolge der „nassen Verarbeitung“ (Arbeitssi- cherheit)
Optimale Faservereinzelung resultierend in konstanter und homogener Vliesdicke, konstanten mechanischen Eigenschaften und hoher Oberflä- chengüte des Verbundes
Erlaubt einfache und homogene Mischung unterschiedlicher Materialien (Faser, Additive, funktionale Füllstoffe)
Mischung Verstärkungsfaser und Thermoplast-Matrix in einem Prozess- schritt
Auch innerhalb des EU-Projektes „Wet-laid technology application for textile residues revalorization in composites industry“ [8] beschäftigte man sich mit der Verbundherstellung auf Basis des Nassvliesprozesses unter dem Einsatz rezyklierter Fasern. Als Rezyklatfasern wurden hier jedoch lediglich Produktions- abfälle aus der Textilindustrie, also nicht-imprägnierte Verschnittreste betrachtet.
Anwendung fanden die Nassvliese vorwiegend in Decklagen von Sandwichsys- temen und flächigen, thermogeformten Bauteilen.
Verbund- herstellung
Die Eigenschaften der FKV ergeben sich aus dem Faserwerkstoff und dem Matrixwerkstoff (Thermo- oder Duroplasten). Bei der Auswahl der Werkstoffe gelten folgende Grundsätze [9]:
• der E-Modul der Fasern in Längsrichtung muss größer sein als der des Matrixwerkstoffes
• die Bruchdehnung der Matrix muss höher sein als die der Fasern
• die Zugfestigkeit der Fasern in Längsrichtung muss größer sein als die der Matrix
Unter den Matrixwerkstoffen haben sich sowohl Duroplaste wie auch Thermo- plaste etabliert. Der Vorteil der Thermoplaste gegenüber den Duroplasten ist:
• dass sich diese wiederholt erwärmen und umformen lassen und zudem schweißbar sind, während Duroplaste hierbei zerstört würden
• Kürzere Zykluszeiten für Großserienanwendungen <60sek pro Bauteil- herstellungsprozess
• Besseres Energieaufnahmevermögen im Crashfall
• Bessere Schwingungsdämpfung (Körperschall)
Thermoplastische FKV lassen sich somit in nachgeschalteten Prozessen flexibel an die Belastungs- und Gestaltungsvorgaben anpassen. Plattenförmige Halb- zeuge mit Verstärkungsfaserstruktur und thermoplastischer Matrix werden als Organobleche bezeichnet. Die Verstärkungsfaserstruktur kann dabei in Form von geschnittenen Fasern (GMT) oder endlosen Fasern mit textiler Bindung (Gewe- be, Gelege,…) vorliegen.
Die Eigenschaften eines Organoblechs ergeben sich aus der Ausrichtung und der Struktur (Gelege, Gewebe, Geflecht,...) der Verstärkungsfasern, deren Beschaffenheit, dem Faser-Matrix-Interface sowie dem verwendeten Kunststoff.
Zudem sind für die Eigenschaften die Verarbeitungsparameter ausschlagge- bend.
Im praktischen Einsatz müssen die flachen Organobleche der jeweiligen Bauteil- struktur durch Umformen angepasst werden. Hierzu werden die Organobleche erwärmt, wodurch die thermoplastische Matrix aufschmilzt und das Organoblech biegeflexibel wird. Das biegeschlaffe Organoblech wird anschließend in das Umformwerkzeug eingelegt und in die gewünschte Bauteilgeometrie umgeformt.
Hierbei bestehen bei den anisotropen Organoblechen (aktuell 90% gewebever- stärkte Organobleche) jedoch Begrenzungen. Aufgrund der Faserlagen, welche letztlich die Kräfte aufnehmen müssen, können nur begrenzte Umlenkradien und Formkomplexitäten realisiert werden.
Für die Herstellung von Organoblechen haben sich eine Reihe unterschiedlicher Verfahren abhängig vom späteren Anwendungsfall etabliert. Das wirtschaftlichste Verfahren ergibt sich aus dem geforderten Fertigungslos, der Geometrie und dem zu verarbeitenden Material. Für Groß- und Mittelserien haben sich Press- verfahren als die wirtschaftlichsten Verfahren durchgesetzt. Hierzu werden die einzelnen zu verpressenden Schichten übereinander gelegt und mittels eines Presswerkzeugs miteinander verbunden. Die Temperaturerhöhung bewirkt die Polymerisation der Matrix, die Presskraft sorgt für eine vollständige Imprägnie- rung und Konsolidierung (Aushärtung) [10]. Das statische Pressverfahren ist ein diskontinuierliches Pressverfahren für FKV. Aufgrund seines breiten Spektrums an einstellbaren Parametern ist es jedoch hervorragend zur Herstellung von Prüfkörpern und vollständig imprägnierten und konsolidierten Bauteilen geeignet.
Forschungs- bedarf
Im Laufe des Forschungsprojektes sollten die folgenden Hypothesen untersucht werden:
Der Einsatz rezyklierter Carbonfasern mit gezielter Verstärkung des Re- cyclingmaterials soll es ermöglichen ein Hochleistungsprodukt zu erzeu- gen, welches die Performance eines Frischfaserproduktes aufweist.
Durch belastungsgerecht ausgelegte Kombination ungerichteter Orga- nobleche auf Rezyklatfaserbasis mit belastungsgerecht angeordneten UD-Tapes ist es möglich, spezifische werkstoffliche Bauteillösungen mit optimaler Lastenaufnahme und in hoher Stückzahl herzustellen und dadurch deutlich Bauteilgewicht und Kosten einzusparen
Über die faserschonende Nassvliestechnologie ist es möglich aus Rezyklat- Carbonfasern und thermoplastischen Fasern Organoblechhalbzeuge „in einem Schritt“ zu fertigen (AP1/2)
4 Versuchsdurchführung
Zusammenarbeit der Forschungs- stellen
Die Projektbearbeitung erfolgte an den folgenden Forschungsstellen:
Papiertechnische Stiftung – (PTS, Heidenau),
Cetex Institut gGmbH
an der Technischen Universität Chemnitz (Cetex)
Die Bearbeitung der einzelnen Arbeitspakete erfolgte in enger Zusammenarbeit der Projektpartner nach den jeweiligen Kompetenzen und technischen Möglich- keiten.
An der PTS fand die Entwicklung der Nassvlies-Rezepturen statt. Dazu wurden verschiedenen Faserstoffe ausgewählt und in verschiedenen Abmischungen eingesetzt. Die papierphysikalische Prüfung der erzeugten Nassvliese erfolgte ebenfalls an der PTS.
Bei Cetex erfolgte die Entwicklung der UD-Tapes und der faserverstärkten Halbzeuge aus UD-Tapes und Nassvlies, sowie deren mechanische Kennwer- termittlung. Weiterhin wurde hier die Herstellung eines Demonstratorbauteils mit Optimierung von Materialkombination und Verarbeitungsparametern durchge- führt. Die Erstellung eines Simulations- und Berechnungsmodells für einen Multi- Material-Verbund auf dessen Basis der Laminataufbau für spätere Bauteile abgeleitet werden kann, war ein weiteres Arbeitspaket bei diesem Projektpartner.
Arbeitsplan Das Forschungsvorhaben wurde in 5 Haupt-Arbeitspakete unterteilt, wobei in eine Laborphase und eine Technikumsphase unterschieden werden kann. In der folgenden Abbildung ist der Weg der Projektbearbeitung schematisch dargestellt.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Lösungsweges
5 Laborphase (vgl. AP1)
5.1 Rezepturentwicklung rCF-Nassvlies (vgl. Arbeitspaket 1a)
Vorgehen Für die Verwendung der eingesetzten Faserstoffe müssen diese im gewünschten Mischungsverhältnis mit Wasser in eine Suspensionsform überführt werden. In der Suspension müssen alle Fasern gleichmäßig feinverteilt vorliegen. Um einer Schädigung der recycelten Carbonfasern entgegenzuwirken, wurden diese mit einem schonend arbeitenden Laborrührer vereinzelt (Abbildung 2(li.)).
In dem zweiten Schritt der Faserstoffaufbereitung wurden die Faserkomponenten einer kurzen Behandlung im Desintegrator unterzogen (Abbildung 2 (mi.)). Dabei wirkt eine hohe Drehzahl (300 U/min) auf die Fasern ein und diese werden vereinzelt. Um die Carbonfasern nicht zu zerstören, wurde die Desintegratorbe- handlung nur für 2 min durchgeführt.
Zur Einstellung der Stoffdichte, welche für die Blattbildung notwendig ist, wurde die Faserstoffmischung aus dem Desintegrator im dritten Schritt in ein Verteilge- rät überführt (Abbildung 2(re.)).
Nach der Vereinzelung wurden die einzelnen Faserkomponenten in ein Verteil- gerät überführt Die Stoffdichte in dem Verteilgerät wurde auf 1 g/l eingestellt.
Diese, im Vergleich zur Laborblattbildung mit Zellstoff, geringe Stoffdichte ist notwendig, damit die einzelnen Fasern gut verteilt vorliegen und keine Agglome- rate gebildet werden.
Abbildung 2: schonender Laborrührer (li.), Desintegrator (mi.), Verteilgerät (re.)
Die Laborblattbildung wurden mit einem Rapid-Köthen Blattbildner 200 mm und einem quadratischen Blattbildner mit den Abmessungen 30 cm x 30 cm durchgeführt.
Abbildung 3: Laborblattbildner
Versuchs- planung
Für die Versuchsplanung wurden verschiedene Faserstofftypen, z.B. rCF, PA6 und Bindefasern, in die Versuchsmatrix Matrix aufgenommen. Bei den ersten Voruntersuchungen zeigte sich, dass vor allem Polyamidfasern als thermoplasti- sche Matrixbildner geeignet sind. Es wurden 6 verschiedene Rezepturen mit zwei flächenbezogenen Massen nach dem folgenden Versuchsplan untersucht.
Tabelle 1: Versuchsplan AP 1-a - Labor
Ergebnisse Unter den Laborbedingungen war es möglich, Vliese mit einem rCF-Anteil von bis zu 40 % (bezogen auf die gesamte Trockenmasse aller eingesetzten Fasern) herzustellen. Als thermoplastische Matrixbildner erwiesen sich Polyamidfasern (PA6) als grundsätzlich geeignet. Zusätzlich wurden 5 % Bindefasern aus Polyvinylalkohol (PVA) zur Haftvermittlung zwischen rCF und Matrix eingesetzt.
Bei den Untersuchungen in diesem Arbeitspaket wurde deutlich, dass ein ordentliches Handling der nach der Blattbildung noch feuchten Nassvliesmuster aufgrund geringer Vorverfestigung diffizil war. Die glatte Oberflächenstruktur der rCF und der thermoplastischen Fasern haben im kalten, nicht verfestigten Zustand nur wenige Faserkreuzungspunkte ausgebildet, so dass das feuchte Vlies eine fragile Gefügestruktur aufwies. Dies war insbesondere bei der Blattbil- dung auf dem quadratischen Blattbildner zu beobachten (vgl. Abbildung 4).
Abbildung 4: defekte Gefügestruktur nach Laborblattbildung
Aus diesem Grund wurden weitere Optionen, mit höherem rCF-Anteil und eine mögliche Zweilagigkeit, in Versuchen auf der Papiermaschine untersucht, da hier die Möglichkeit der Wasserstrahlbehandlung der feuchten Vliese besteht und somit eine Vorverfestigung des Gefüges möglich ist.
Ergebnisse Die Auswertung der papierphysikalischen Prüfungen an den erzeugten Labor- Nassvliesen zeigte, dass mit steigendem rCF-Anteil der Tensile Index abnimmt.
Bei rCF-Anteilen >30 % war dieser am deutlichsten sichtbar. Aufgrund der glatten Faseroberfläche können die rCF kaum Bindungspunkte zu den
umliegenden Faserstoffen ausbilden und folglich sank die Festigkeit des Gefüges deutlich.
Die Abnahme der Festigkeit bei erhöhtem Flächengewicht kann auf eine schlechte Formation der Laborblätter zurückgeführt werden. Die gleichmäßige Verteilung der Fasern im statischen Blattbildungsprozess war schwierig.
Bei Betrachtung der Biegesteifigkeit der Labormuster ist der gegenläufige Trend erkennbar. Mit steigendem rCF-Gehalt wurden die Labormuster biegesteifer.
5.2 Rezepturentwicklung CF-UD-Tape (vgl. AP 1b)
Vorgehen In diesem Arbeitspaket wurden der grundlegende Fertigungsprozess und der Aufbau der Carbonfaser-UD-Tapes anhand der definierten Anforderungen festgelegt. Die optimalen Fertigungsparameter für den Faserspreiz- und Impräg- nierprozess wurden ermittelt.
Versuchs- planung
Zur Erzielung hervorragender mechanischer Eigenschaften unter der Verwen- dung von Carbonfasern ist eine optimale Imprägnierung der Fasern zu gewähr- leisten. Nur auf diese Weise kann das volle Potenzial der Hochleistungsfasern genutzt werden. Bei der Verwendung thermoplastischer Matrices (hochviskos) ist die Erzeugung eines unidirektionalen (UD) Fasergeleges zu realisieren. Hierzu wird der Faserspreizprozess genutzt. Beim Faserspreizen werden die Verstär- kungsfasern, auch Rovings genannt, zu einem homogenen breiten Fasergelege ausgebreitet. Dazu werden sie drehungsfrei, tangential von einem Gatter abge- zogen. Das Ziel ist es, die Einzelfilamente der Rovings bestmöglich zu paralleli- sieren und auszubreiten. Das Spreizen wird schließlich durch das wechselseitige Umlenken über sog. Spreizstäbe realisiert (vgl. Abbildung 5). Durch die Umlen- kungen werden die Filamente, welche sich auf einem größeren Umlenkungsradi- us befinden, dazu gebracht, sich neben die Filamente zu legen, welche sich auf einem kleineren Umlenkungsradius bewegen. In Kombination mit einer definier- ten Zugkraft, Spreiztiefe und Temperatur der Spreizstäbe breiten sich die Einzel- filamente zu einem breiten Fasergelege aus.
Abbildung 5: Schematische Darstellung des Faserspreizprozesses
Versuchs- planung
Dem entstandenen Fasergelege wurden anschließend beidseitig Kunststofffolien (hier PA6) zugeführt. Mittels einer Kaschieranlage (vgl. Abbildung 6) wurde das Fasergelege schließlich unter Druck durch eine Heizzone und eine Kühlzone transportiert. In der Heizzone werden die thermoplastischen Anteile im Hybrid- material aufgeschmolzen. Die Schmelze imprägniert die enthaltenen Verstär- kungsfasern und erstarrt in der Kühlzone – es entsteht ein Faserverbundwerk- stoff. Optional kann eine zusätzliche Materialverdichtung durch ein
Kalanderwalzenpaar zwischen den beiden Zonen umgesetzt werden.
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurden anhand der Anforderungen das Flächengewicht, sowie die Materialkonfiguration und die Parameter im Spreizprozess näher definiert.
Abbildung 6: Schematischer Aufbau einer Kaschieranlage (Quelle: Maschinenfabrik Herbert Meyer GmbH)
Die praktische Ermittlung der optimalen Faserspreizparameter erfolgte an einer Labor-Versuchsanlage unter der Nutzung eines einzelnen Rovings.
Ergebnisse Die optimalen Prozessparameter für den Faserspreiz- und Imprägnierprozess konnten erfolgreich ermittelt werden. Beim Faserspreizprozess werden die Fasern durch das Spreizmodul gezogen und dadurch ausgebreitet und paralleli- siert (vgl. Abbildung 5). Mithilfe eines Lieferwerkes nach dem Spreizmodul werden das unidirektionale Fasergelege abgezogen und innere Spannungen im Gelege abgebaut. Die besten Ergebnisse konnten dabei mit der Faser ZOLTEK PX35 in Kombination mit der 60 µm starken PA6-Folie erzielt werden. Hieraus resultiert für das UD-Tape ein Flächengewicht von ca. 290 g/m². Die folgenden optimale konfiguration mit den optimalen Prozessparametern wurden bei den Versuchen bestimmt:
Tabelle 2: Optimale Prozessparameter im Faserspreiz- und Imprägnierprozess
Anhand der Versuche konnte ein sehr homogenes unidirektionales Fasertape reproduzierbar erzeugt werden. In dieser Konfiguration entsteht ein unidirektiona- les Tape mit einem Faservolumengehalt von ca. 50 %.
Carbonfaser ZOLTEK PX35
Titer (Faserfeinheit) 50K (3.300 tex) Kunststofffolie PA6 MF Folie 50 µm Flächengewicht (UD-Tape) ca. 290 g/m²
Fadenspannung 600 cN
Teilung (Fasereinlauf) 20 mm
Spreiztiefe 10mm
Spreiztemperatur (Spreizstäbe) 50 °C - 60 °C
Temperatur Zone 1 250 °C
Temperatur Zone 2 50 °C
Druck (Kalanderwalzenpaar) 45 N/mm Bahnwarengeschwindigkeit 1 m/min Material
Gatter (Bereitstellung)
Spreizmodul
Kaschieranlage (Imprägniermodul)
5.3 Parameterermittlung für die Herstellung flächiger Halbzeuge aus UD und NV (vgl. AP 1c)
Vorgehen Zur Fertigung von Faserverbundbauteilen im Thermoform-Prozess, werden flächige Halbzeuge, so genannte Organobleche benötigt. Die Hauptanforderung an diese Halbzeuge ist die vollständige Imprägnierung der Fasern und Konsoli- dierung des Faserverbundes. Auf diese Weise kommen die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der Fasern im Verbund voll zum Tragen. Die Herstellung der Organobleche wurde im Heißpressverfahren mit anschließender Abkühlung realisiert (Variotherm-Prozess). Dabei werden die thermoplastischen Anteile im UD-Tape und im Nassvlies unter Druck aufgeschmolzen und benetzen die Verstärkungsfasern. Unter dem anhaltenden Druck wird das Material wieder abgekühlt – es entsteht ein Organoblech. Nach der Ermittlung der optimalen Prozessparameter (Druck, Temperatur, Zeit) wurden schließlich Materialproben für die anschließende mechanische Charakterisierung der Organobleche gefer- tigt.
Versuchs- planung
Die Fertigung der Materialproben (Organobleche) wurde mit einer statischen Heißpresse in einem geschlossenen Werkzeug realisiert. Dabei wurden die Nassvliese und die UD-Tapes so übereinander gestapelt, dass die gewünschte Dicke bzw. das gewünschte Flächengewicht der Organobleche erzielt wurden.
Anschließend wurden aus den Organoblechen Schliffproben erstellt, welche für die optische Charakterisierung genutzt wurden. Anhand der Schliffproben konnte der Imprägniergrad der Vestärkungsfasern im Faserverbund ermittelt werden und die Prozessparameter beim Heißpressen konnten somit iterativ optimiert werden, bis die bestmögliche Imprägnierung der Verstärkungsfasern nachgewie- sen werden konnte.
Ergebnisse Nassvlies
Die ermittelten optimalen Parameter des Heißpressprozesses sind im Diagramm dargestellt (siehe Abbildung 7). Zum Aufschmelzen der enthaltenen PA6-Fasern hat sich eine maximale Temperatur, die deutlich über der Kristallitschmelztempe- ratur (𝑇𝑚𝑃𝐴6=215°C – 220°C) von PA6 liegt, herauskristallisiert. Dies ist nötig, damit die thermoplastische Schmelze eine ausreichende Fließfähigkeit zum Benetzen der Verstärkungsfasern besitzt. Eine Prozesstemperatur ≥ 290°C ist dabei unbedingt zu vermeiden, da sich die Polymerketten ab dieser Temperatur allmählich zersetzen. Während der Aufwärmung genügt ein geringer Druck von ca. 4 bar. Nachdem das Material vollständig durchwärmt und aufgeschmolzen ist, wird der Druck auf 30 bar erhöht. Dieser sehr hohe Pressdruck wurde im Rahmen des Arbeitspaketes unter der Nutzung von Schliffproben iterativ ermit- telt. Der hohe Pressdruck resultiert dabei womöglich aus der textilen Architektur der Nassvliese. Aufgrund der nahezu isotropen Faserorientierung, gepaart mit einem hohen Faseranteil (𝜓𝑚𝑎𝑥= 50%), wird das Fließen der thermoplastischen Schmelze erschwert, womit höhere Prozessdrücke für eine optimale Imprägnie- rung erforderlich sind. Unter dem anhaltend hohen Druck wird das Material schließlich abgekühlt und erstarrt dabei. Das fertige vollimprägnierte Organob- lech kann aus dem Werkzeug entnommen werden.
Abbildung 7: Optimale Prozessparameter zum Heißpressen von Organoblechen aus neuarti- gen hybriden Nassvliesen
Im Rahmen der Untersuchungen wurden seitens der Nassvliese 10
verschiedene Konfigurationen untersucht. Dabei wurden sowohl verschiedene Verstärkungsfaseranteile (40% - 60%), als auch verschiedene
Verstärkungsfaserlängen (l=5mm – 40mm) näher analysiert. Anhand der Versuche hat sich ein maximaler Fasermasseanteil von 𝜓𝑚𝑎𝑥= 50%
herauskristallisiert. Die untersuchten Materialproben mit 𝜓= 60% konnten aufgrund der hohen Packungsdichte der isotrop-orientierten Verstärkungsfasern nicht mehr reproduzierbar mit thermoplastischer Schmelze imprägniert werden.
Ergebnisse UD- Tape
Die ermittelten optimalen Parameter des Heißpressprozesses sind im Diagramm dargestellt (siehe Abbildung 8). Auch hier wurde zum Aufschmelzen der enthal- tenen PA6-Fasern eine Temperatur von 280°C gewählt. Der Temperaturverlauf aus den Versuchen mit den Nassvliesen konnte entsprechend übernommen werden. Für den Druckverlauf beim Heißpressen ergeben sich hingegen andere Parameter. Nach der Aufwärmphase zum Aufschmelzen der thermoplastischen Fasern (p=4 bar) genügt im Gegensatz zu den Nassvliesen ein niedrigerer Druck zum Imprägnieren der Verstärkungsfasern. Hierbei wurde ein optimaler Druck von 12 bar ermittelt. Dies ist auf die Faserarchitektur der UD-Tapes zurückzufüh- ren. Aufgrund der hohen sehr hohen Orientierung der enthaltenen Fasern, kann die thermoplastische Schmelze problemlos zwischen den Fasern fließen und diese benetzen.
Abbildung 8: Optimale Prozessparameter zum Heißpressen von Organoble-chen aus UD- Tapes
5.4 Mechanische/optische Charakterisierung der Plattenhalbzeuge (vgl. AP 1d)
Versuchs- planung
Für die Materialcharakterisierung wurden zunächst Plattenhalbzeuge verschie- dener Konfigurationen durch Heißpressen hergestellt (vgl. Kapitel 5.3). Hierzu wurden bei den Nassvliesen alle Konfigurationen mit 𝜓≤ 60% herangezogen.
Seitens der UD-Tapes wurde die in Kapitel 5.2 ermittelte Konfiguration ausge- wählt. Im weiteren Verlauf wurden aus den Plattenhalbzeugen (Organobleche) Probekörper gefertigt und anschließend mechanisch und optisch geprüft. Die Ergebnisse wurden ausgewertet und gegenübergestellt.
Ergebnisse Nassvlies
Im Rahmen der Materialcharakterisierung wurden die Zug- und Biegeeigenschaf- ten, sowie die Schlagzähigkeit des neuartigen Halbzeuges (Organoblech aus Nassvliesen) bestimmt.
Anhand der ermittelten Eigenschaften konnte keine ausgeprägte Korrelation zwischen den Kennwerten und dem Fasergehalt bzw. der Verstärkungsfaserlän- ge nachgewiesen werden. Allgemein kann die beste Materialperformance bei der Konfiguration V10 (fasermassegehalt 𝜓= 50%, 40mm Faserlänge) festgehalten werden. Bei den Kennwerten der Schlagzähigkeit kann hingegen eine eindeutige Korrelation mit Verstärkungsfaserlänge nachgewiesen werden. Die Konfiguratio- nen unter Nutzung der Fasern in den Versuchen V2 und V3 erzielen dabei höhere Kennwerte. Bei den angegebenen Kennwerten wurden längs zur Produk- tionsrichtung des Nassvlieses bestimmt. Anhand der Untersuchungen konnte eine ausgeprägte Anisotropie der Kennwerte nachgewiesen werden. So resultie- ren quer zur Produktionsrichtung um ca. 30% verminderte Kennwerte. Diese Kenntnis ist insbesondere für eine Bauteilauslegung von großem Interesse.
Bezüglich der optischen Charakterisierung wurden aus den Organoblechen Schliffproben gefertigt und unter dem Mikroskop untersucht (siehe Abbildung 9). In einem iterativen Prozess konnte durch die Optimierung des Heißpressprozesses ein hoher Imprägniergrad erzielt werden. Darüber hinaus konnte ein maximaler Fasermassegehalt von 𝜓= 50% als ein zweckmäßiger Wert definiert werden (vgl.
Abbildung 9 links). Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte keine reproduzierbare ausreichende Imprägnierung der Verstärkungsfasern bei einem Fasermassegehalt 𝜓≥ 50% erzielt werden (vgl. Abbildung 9 rechts).
Abbildung 9: Mikroskopische Untersuchungen der Organobleche aus Nassvliesen mit 𝜓= 50%
(links) und 𝜓= 60% (rechts)
Ergebnisse UD- Tape
Im Rahmen der Materialcharakterisierung wurden die Zug- und Biegeeigenschaf- ten der Halbzeuge (Organoblech aus UD-Tapes) bestimmt. Dabei wurden zwei Konfigurationen mit unterschiedlichem Faservolumengehalt (𝜑1=40% und 𝜑2=47%) untersucht. Darüber hinaus wurden die Materialeigenschaften längs und quer zur Faserorientierung betrachtet. Ausgewählte Ergebnisse sind in den folgenden Diagrammen dargestellt.
Anhand der ermittelten Kennwerte ist erkennbar, welche hervorragenden me- chanischen Eigenschaften diese unidirektional-verstärkten Verbundwerkstoffe besitzen. Durch die Verwendung der Carbonfasern konnten folglich herausra- gende Steifigkeits- und Festigkeitswerte in Faserlängsrichtung nachgewiesen werden. Die Konfiguration mit dem höheren Fasergehalt erzielt in Faserlängs- richtung folgerichtig höhere mechanische Kennwerte als die Konfiguration mit dem niedrigeren Fasergehalt. Quer zur Faserrichtung resultieren hingegen bei beiden Konfigurationen viel geringere Kennwerte, was der Faserarchitektur des Halbzeuges geschuldet ist. Für eine spätere Bauteilauslegung kann auf Grund- lage dieser Kennwerte, das Bauteil belastungsgerecht ausgelegt werden.
5.5 Herstellung von Multi-Material-Verbunden als Organoblech (NV + UD) (vgl. AP 1e) Vorgehen In den vorangestellten Arbeitspaketen wurden die Materialeigenschaften der
dieses Arbeitspaketes sollen die beiden Halbzeuge miteinander kombiniert werden, um bei einer Bauteilanwendung die Vorteile des jeweiligen Halbzeuges gezielt zu nutzen. Die Nassvliese zeichnen sich dabei vor allem durch ihr gutes Fließverhalten im Umformprozess und durch die potenzielle Verarbeitung von Recyclingfasern aus. Die UD-Tapes weisen ein schlechteres Umformverhalten auf, können aber aufgrund der hervorragenden mechanischen Eigenschaften, die Bauteilperformance erheblich steigern. Daher muss zunächst untersucht werden, inwieweit die Kombination der beiden Materialen technisch umsetzbar ist. Hierbei ist eine optimale Verbindung der beiden Materialien anzustreben.
Versuchs- planung
Zur Herstellung des Multi-Material-Verbundes wurde ein Sandwichaufbau gewählt (siehe Abbildung 10). Im Kern wurde dazu das Material auf Nassvlies- Basis verwendet. In den Decklagen kamen die UD-Tapes zum Einsatz. In einem iterativen Prozess mussten schließlich die Prozessparameter zur optimalen Imprägnierung und zur Anbindung beider Halbzeuge ermittelt werden. Begleitend zu dieser Parameterermittlung wurden Schliffproben angefertigt, um den Impräg- niergrad des Multi-Material-Sandwich-Verbundes zu analysieren.
Abbildung 10: Schematischer Aufbau des Multi-Material-Sandwich-Verbundes
Ergebnisse Bei der Ermittlung der optimalen Prozessparameter zum Verpressen des Multi- Material-Sandwich-Verbundes musste prozessseitig ein Kompromiss gefunden werden, da die Prozessparameter der beiden Halbzeuge durch unterschiedliche Prozessdrücke gekennzeichnet sind. Zum einen ist die optimale Benetzung der Verstärkungsfasern nötig, zum anderen darf der Prozessdruck nicht so hoch sein, dass sich die unidirektionalen Fasern im Tape verschieben. Die ermittelten optimalen Prozessparameter für den Multi-Material-Sandwich-Verbund sind dazu in Abbildung 11 dargestellt. Bei den Pressversuchen wurden dabei 16 Lagen des Nassvlieses (V10) und jeweils eine Lage des UD-Tapes als Deckschicht ver- wendet. Daraus resultierte eine Plattenstärke von ca. 2 mm.
Abbildung 11: Optimale Prozessparameter zur Herstellung des Multi-Material-Sandwich- Verbundes
5.6 Mechanische/optische Charakterisierung des Multi-Material-Verbundes (vgl. AP 1f) Vorgehen Im Rahmen der mechanischen Charakterisierung des Multi-Material-Sandwich- Verbundes wurden die Biegeeigenschaften bestimmt. Die Biegeeigenschaften sind bei dem vorliegenden Sandwichverbund von besonderem Interesse. Dieser ist so aufgebaut, dass das kostengünstigere recycelte Material (Nassvlies) im Kern eingesetzt wird. Das hochsteife und teurere Material (UD-Tapes) kommt schließlich in den Decklagen zum Einsatz. Gemäß des Satzes von Steiner können die UD-Tapes aufgrund des Abstandes von der neutralen Biegefaser bei Biegebelastungen ihr volles Werkstoffpotenzial entfalten, indem sie die in den Decklagen entstehenden Zug- und Druckkräfte aufnehmen. Zur Bewertung des Imprägniergrades und der Verbindung der beiden Halbzeuge untereinander, wurden zudem Schliffbilder angefertigt.
Versuchs- planung
In Zusammenhang mit der Bearbeitung des Arbeitspaketes 1e wurden Schliffbil- der angefertigt. Dieser iterative Prozess zur Ermittlung der optimalen Prozesspa- rameter soll eine gute Imprägnierung der Verstärkungsfasern und eine gute Verbindung beider Halbzeuge gewährleisten. Anschließend werden die Biegeei- genschaften des gefertigten Multi-Material-Verbundes bestimmt und analysiert.
Ergebnisse Mit diesen Prozessparametern konnte eine gute Imprägnierung mit nur vereinzel- ten Lufteinschlüssen im Nassvlies realisiert werden (siehe Abbildung 12). Die unidirektionalen Fasern in den Decklagen weisen nur sehr geringe Verschiebun- gen auf, wobei die Fasern nach wie vor optimal gestreckt im Verbund vorliegen.
An der Grenzfläche zwischen den beiden Halbzeugen sind keinerlei Luftein- schlüsse nachzuweisen. Die Verbindung der beiden Halbzeuge ist dementspre- chend optimal.
Abbildung 12:Mikroskopische Untersuchungen des Multi-Material-Sandwich-Verbundes Aus den gefertigten Multi-Material-Sandwich-Verbundplatten (rCF-Nassvlies + 2xUD-Tape 47%) wurden Probekörper (2 mm Dicke) für die Biegeprüfung gefertigt.
Die Ergebnisse aus der Biegeprüfung in Faserlängsrichtung sind im Folgenden dargestellt:
Zur besseren Beurteilung der Materialeigenschaften, wurden den Kennwerten des Multi-Material-Verbundes noch die Biegekennwerte der einzelnen Halbzeuge gegenübergestellt. Dabei ist zu erkennen, dass durch den Einsatz von lediglich einem UD-Tape pro Decklage, die Biegeeigenschaften des reinen Nassvlieses erheblich gesteigert werden können. Insbesondere die Biegesteifigkeit kann durch die Verwendung der UD-Tapes massiv gesteigert werden. Durch die Erhöhung der Tape-Anzahl in den Decklagen ist folglich eine weitere Steigerung der Biegekennwerte zu erwarten.
6 Technikumsphase
6.1 6.1 Überführung auf die Pilot-PM/ Papiercharakterisierung (vgl. AP 2a)
Vorgehen Die kleintechnischen Untersuchungen wurden auf der Technikumspapiermaschi- ne der FS1 durchgeführt. Die Papiermaschine wurde mit einem Schrägsiebstoff- auflauf betrieben (Abbildung 13).
Die Versuchsbedingungen waren: SD STA 0,43 g/l, vPM 2 m/min. Die Nassvliese wurden am Ende der Siebpartie mit Wasserstrahlbehandlung verfestigt. Der Energieeintrag lag bei 0,155 kWh/kg. Die in der Papiermaschine vorhandene Trockenkapazität durch Kontakttrocknung reichte nicht aus, um die Nassvlies- bahn zu trocknen. Aus diesem Grund und für eine optimale Aktivierung der PA6- Fasern wurde das erzeugte Material am Ende der Papiermaschine feucht aufgewickelt und in einem nachfolgenden Schritt mittels Durchströmtrocknung getrocknet. Durch die dort wirkende Temperatur von 200 °C bei einer Verweil- dauer von 17 sec schmolz die PA6-Fasern an, so dass diese eine verfestigende Wirkung auf das Vlies hatten.
Abbildung 13: Technikumspapiermaschine mit Schrägsiebstoffauflauf (li.), Wasserstrahlbe- handlung (mi., Quelle: Andritz), Durchströmtrocknung (re.))
Abbildung 14: Mischbütte mit rCF und PA6-Fasern bei 3,13 g/l SD
Anhand der Auswertung der Nassvlies-Labormuster und der Ergebnisse der Untersuchungen an den flächigen Halbzeugen wurden Vorzugsvarianten für Untersuchungen auf der Papiermaschine ausgewählt und weitere Versuchspunk- te in die Untersuchungen einbezogen.
Dabei wurden sowohl rCF verschiedener Hersteller und Faserlängen getestet, als auch Vergleichsversuche mit frischen Carbonfasern als Vergleich in die Untersuchungen eingebaut.
Des Weiteren wurden Matrix- und Verstärkungsfaseranteile und –typen variiert.
Bei allen Versuchspunkten wurde 2 % PVA-Bindefasern als Verfestigungshilfe der Faserstoffmischung hinzugefügt.
In der nachfolgenden Tabelle ist der Versuchsplan für die Papiermaschinenver- suche dargestellt.
Tabelle 3: Versuchsplan Pilot-Papiermaschine
Als Zielflächenmasse wurden 100 g/m², 150 g/m² und 200 g/m² gewählt.
Mit dieser Abstufung wurden Dickenvariationen der Nassvliese generiert.
Bei Auswertung der Papiermaschinenversuche wurde deutlich, dass die Eigen- schaften der Nassvliese sehr gut über eine gezielte Faserauswahl und Faseran- teile steuerbar sind.
Bei Betrachtung der Versuche V 8 und V 6 wird beispielsweise deutlich, dass bei gleicher flächenbezogener Masse und gleichem Mischungsverhältnis von rCF und PA6 mit einer Faserlänge von 30 mm (V 8) im Vergleich zu 6 mm ein
deutlich höheres spezifisches Volumen erreicht werden kann. Beim Vergleich der Versuche V 7und V 8 ist zu erkennen, dass die Carbon- Frischfasern (V 7) bei gleicher Faserlänge der rCF und Mischung mit PA6 (V 6) zu einem größeren spezifischen Volumen beitragen (Vgl. Abbildung 15).
PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 19281 BG Abbildung 15: PM-Muster – Entwicklung spezifisches Volumen
Hinsichtlich der Festigkeiten ist ebenfalls eine Steuerungsmöglichkeit über die Faserauswahl erkennbar. Mit dem gezielten Einsatz längerer rCF und PA6 Fasern ist eine Verdopplung des Tensile-Index möglich
Optische Dehnfeldanalyse
Bei Betrachtung der Ergebnisse der optischen Dehnfeldanalyse ist erkennbar, dass die Nassvliese unterschiedliche Erscheinungsbilder des Versagenverhal- tens aufweisen. Bei dieser Untersuchungsmethode wird das Dehnungsverhalten eines Prüfstreifens während des Zugversuches mit einer Kamera begleitet. Es besteht damit die Möglichkeit das Dehnungsverhalten zum Zeitpunkt des Versa- gens optisch festzuhalten und auszuwerten.
Für die Papiermaschinenmuster wurden die Muster 6, 7 und 10 sowohl in Längs- als auch in Querrichtung untersucht. Die Faserstoffzusammensetzungen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.
Faser, -länge V 6 V 7 V 10
rCF 4 – 6 mm 50 %
CF – 6 mm 50 %
rCF 6 – 40 mm 50 %
PA6 (4) 50 % 50 % 50 %
Die Ergebnisse zeigen, dass das Musters 10 ein eher ganzheitliches Versagen mit einer gleichmäßigen Verteilung aufweist. Die deutlich längeren Fasern des Musters konnten hier besser verteilt werden und trugen zu einem gleichmäßigen Versagensbild bei. Die Muster 6 und 7 zeigen hingegen örtllich lokal begrenzte Versagenserscheinungen. In der nachfolgenden Abbildung sind diese deutlich durch die rote Färbung der Bruchlinie zu erkennen.
6.2 Herstellung der CF-UD-Strukturen im kontinuierlichen Prozess (vgl. AP 2b)
Vorgehen Das Ziel dieses Arbeitspaketes war es, die in Arbeitspaket 1b ermittelte Rezeptur auf einen kontinuierlichen Prozess mit einer größeren Arbeitsbreite zu übertra- gen und UD-Tapes für die Fertigung von Demonstratorbauteilen zu generieren.
Versuchs- planung
Zur Erzeugung eines 400 mm breiten Tapes wurde das geregelte Gatter mit 20 Faserspulen bestückt und die Fasern in die Anlage eingezogen (siehe Abbildung 17 links). Der kontinuierliche Prozess wurde gestartet und die Prozessparameter an die Anlagentechnik im Technikum adaptiert. Am Ende des Prozesses wurde das Tape-Material als Rollenware aufgewickelt.
Abbildung 17: Fasereinlauf (links) und Lieferwerk (rechts) in der Faserspreizanlage
Ergebnisse Die Überführung der Materialversuche von der Laborversuchsanlage hin zur Technikumsanlage erforderte geringe Anpassungen der Prozessparameter. So wurden die Spreizparameter an die Gegebenheiten der breiteren Bahnware angepasst. Zudem konnte durch die kontinuierliche Verarbeitung in einem zusammenhängenden Prozess, die Bahnwarengeschwindigkeit auf 1,8 m/min gesteigert werden. Die Prozessparameter für die Materialverarbeitung auf der Technikumsanlage sind in folgender Tabelle dargestellt:
Tabelle 4: Prozessparameter zur Herstellung von UD-Tapes auf der Technikumsanlage
Auf diese Weise ist es gelungen, in einem kontinuierlichen stabilen Prozess, das Tape-Material (siehe Abbildung 18) reproduzierbar herzustellen.
Abbildung 18: Carbonfaser-UD-Tape als Rollenware (300mm Breite)
Carbonfaser 20 x ZOLTEK PX35
Titer (Faserfeinheit) 50K (3.300 tex)
Kunststofffolie 2 x PA6 MF Folie 50 µm (beidseitig) Flächengewicht (UD-Tape) ca. 290 g/m²
Fadenspannung 800 cN
Teilung (Fasereinlauf) 20 mm
Spreiztiefe 15mm
Spreiztemperatur (Spreizstäbe) 70 °C - 80 °C
Temperatur Zone 1 250 °C
Temperatur Zone 2 50 °C
Druck (Kalanderwalzenpaar) 45 N/mm Bahnwarengeschwindigkeit 1,8 m/min Material
Gatter (Bereitstellung)
Spreizmodul
Kaschieranlage (Imprägniermodul)
6.3 Herstellung des Multi-Material-Verbundes (vgl. AP 2c)
Vorgehen Ziel dieses Arbeitspaketes ist es, die in Arbeitspaket 1c ermittelten Kennwerte des Multi-Material- Sandwich-Verbundes auch mit den Halbzeugen der Techni- kumsanlagen zu erreichen. Dazu wurden analog dem Arbeitspaket 1c Proben- platten gepresst und anschließend die Biegekennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurden Konzepte zur Gestaltung belastungsgerechter Faserverbundbauteile aus den untersuchten Materialien erarbeitet.
Ergebnisse Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnten die kontinuierlichen Prozesse auf den Technikumsanlagen erfolgreich validiert werden. Die unter- suchten Probekörper des Muti-Material-Sandwich-Verbundes erzielten eine Biegesteifigkeit von 𝐸f=56,1 (±3,82)GPa und eine Biegefestigkeit von 563 (±38,4)GPa. Schlussfolgernd kann somit festgehalten werden, dass die neuartigen Hybridmaterialien in einem großserien-tauglichen Maßstab herstellen lassen.
Mit Hilfe der neuartigen Materialien sowie deren Kombination im Multi-Material- Verbund können vielfältige Faserverbundbauteile umgesetzt werden. Für eine Bauteilauslegung ist jedoch die bestmögliche Kenntnis der Materialeigenschaf- ten notwendig. Nur auf diese Weise kann das maximale Werkstoffpotenzial ausgenutzt und die Bauteilmasse minimiert werden. Beide untersuchten Materia- lien weisen ein anisotropes Materialverhalten auf (vgl. Abbildung 19). Dabei weist das UD-Tape eine sehr ausgeprägte Anisotropie auf, jedoch sind die Kennwerte in der Vorzugsrichtung (0°) mit Abstand am höchsten. Das Nassvlies hat nahezu ein isotropes Materialverhalten. Zum Vergleich ist im Diagramm noch Aluminium dargestellt, welches üblicherweise ein isotropes Materialverhalten ausweist. Zur Beurteilung des Materialpotenzials ist hinzuzufügen, dass Alumini- um eine Dichte von 𝜌Al=2,7 g/cm³ besitzt (𝜌UD=1,53 g/cm³; 𝜌NV=1,45 g/cm³).
Abbildung 19: E-Modul der untersuchten Materialien
Das anisotrope Materialverhalten ist bei der Bauteilauslegung zu beachten und kann darüber hinaus zur optimalen Strukturverstärkung genutzt werden. Soll
beispielsweise eine biegebelastete Struktur, wie sie auch im Projekt in Form des Demonstratorbauteils vorliegt, mit den untersuchten Materialien umgesetzt werden, so können gezielt die jeweiligen Stärken der neuartigen Materialien genutzt werden. Für die Biegebelastung konkret bedeutet das, einen Sandwich- verbund aus dem Nassvliesmaterial im Kern und UD-Tapes in den Decklagen zu realisieren (vgl. Abbildung 20). Dabei sind Vorzugsrichtungen des UD-Tapes und des Nassvlieses belastungsgerecht parallel zur Biegelinie zu orientieren. Durch das Aufbringen einer Biegekraft resultieren in den Decklagen Zug- und Druck- kräfte in der Plattenebene. Diese können durch die unidirektionalen Fasern mit herausragenden Steifigkeits- und Festigkeitskennwerten aufgenommen werden.
Im Plattenkern sind die resultierenden Kräfte um ein Vielfaches geringer. Daher eignet sich für den Plattenkern das nassvlies-basierte recycelte und kostengüns- tigere Material. Für die letztendliche Bauteilauslegung auf Grundlage von Sand- wich-Strukturen, muss zuvor noch das optimale Verhältnis von Kernstärke zu Decklagenanzahl ermittelt werden. Dieses Verhältnis ist schließlich auf die jeweilige Anwendung mit den geforderten Festigkeiten zu übertragen.
Abbildung 20: Schematische Darstellung eines biegebeanspruchten Sandwich-Verbundes
6.4 Optimierung der Herstellungstechnologien Nassvlies und CF-UD (vgl. AP 2d)
Vorgehen Die Ergebnisse der Multi-Material-Verbund-Untersuchungen ließen den Schluss zu, dass die Herstellung eines Demonstratorbauteils mit einer Faserstoffmi- schung in Anlehnung an den Versuch V 10 am besten geeignet ist.
Das Nassvliesmaterial für den Demonstrator wurde mit folgender Rezeptur hergestellt:
40 % rCF 6 (40 mm Faserlänge)
60 % PA6 (4) (6 mm Faserlänge, 1,9 dtex)
Die Einstellungen der Papiermaschine waren analog der in AP 2a.
Abbildung 21: Nassvlies vor (links) und nach Wasserstrahlbehandlung (rechts), Wasserstrahl- balken (Mitte)
Abbildung 22: Material für Demonstratorbauteil
Abbildung 23:Durchströmtrockner – Abrollung (li.), Aufrollung (re.)
Carbonfaser-UD- Tape
Das Faserspreizen ist eine sehr komplexe Technologie mit vielen Einflussgrö- ßen. Mit der im Technikum vorhanden Anlagenkonfiguration kann prozessseitig eine reproduzierbare Fertigung von Carbonfaser-UD-Tapes gewährleistet werden. Die Qualität der Tapes ist jedoch in hohem Maß von den Eigenschaften der Eingangsmaterialien (Fasern und Folie) abhängig. Hierin besteht die größte Schwierigkeit, den Prozess für die Fertigung optimaler Tapes abzustimmen. Auf Grundlage der jahrelangen Erfahrungen im Bereich der Faserspreiztechnologie, lassen sich immer wieder Veränderungen in der Faserverarbeitung nachweisen.
Sei es, weil die Produktqualität (Faser) schwankt oder weil die Rezepturen seitens der Hersteller angepasst wurden. Die Ursachen für schwankende Verarbeitungseigenschaften sind hierbei nur selten zu identifizieren, da die Faserhersteller meist keine Informationen über die Veränderungen an ihren Produkten kommunizieren. Dies erschwert die Optimierung des Faserspreizpro- zesses auf besondere Weise.
Im Rahmen des Projektvorhabens wurde die Anlagentechnik im Technikum für die Verarbeitung von Carbonfasern optimiert. Hierbei wurden vor allem Anpas- sungen vorgenommen, die eine faserschonende Verarbeitung der sehr spröden Carbonfasern vorantreiben. So wurden sämtliche faserführende Elemente (Führungsstäbe und Lieferwerke) mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung ausgestattet (siehe Abbildung 24).
Abbildung 24: Schematische Darstellung der TOPOCROM®-Beschichtung (links; Quelle:
TOPOCROM),Faserführungselemente mit Beschichtung (rechts)
Die Beschichtung der Elemente leistet einen wichtigen Beitrag zur schonenden Verarbeitung der Carbonfasern. Faserbrüche können dadurch reduziert werden und die Abrasion an den faserführenden Teilen wird vermindert.
6.5 Herstellung Demonstratorbauteil (vgl. AP 2e)
Vorgehen Zur Untersuchung der Weiterverarbeitung der entwickelten Materialien wurde ein Demonstratorbauteil umgesetzt. Die gefertigten Halbzeuge wurden dafür zuge- schnitten und im Thermoform-Prozess zum Bauteil verpresst. Die Ergebnisse aus den Vorversuchen wurden validiert und auf ihre Tauglichkeit unter Einsatz- bedingungen geprüft.
Versuchs- Für die Bauteilumsetzung wurde eine Struktur gewählt, die bereits in einer
planung anderen Materialkombination (Glasfaser-PP, GMT) realisiert wurde. Auf diese Weise können die Ergebnisse mit dem neuartigen Material, den vorliegenden Bauteilkennwerten gegenüber gestellt und beurteilt werden. Das ausgewählte Bauteil, der sog. Motorträger, ist eine Struktur, auf der Elektromotoren in Elektro- fahrzeugen (Pkw) montiert werden. Für die Verarbeitung im Thermoform- Prozess wurden zunächst geeignete rechteckige Zuschnitte aus den bereits gefertigten Organoblechen aus Nassvliesen gefertigt. Der Thermoform-Prozess beginnt mit dem Aufheizen der Zuschnitte (vgl. Abbildung 25) in einem Umluft- ofen. Hierbei müssen die thermoplastischen Anteile im Halbzeug auf Temperatu- ren oberhalb der Kristallitschmelztemperatur erwärmt werden. Anschließend erfolgt der zügige Transfer in das Werkzeug und der Pressvorgang wird gestar- tet. Unter hohem Druck wird das Material abgekühlt und der thermoplastische Kunststoff erstarrt. Das fertige Bauteil kann anschließend entnommen und ggf.
nachbearbeitet werden.
Gegenstand der Untersuchungen war es, die optimalen Prozessparameter für den Thermoform-Prozess (Werkzeugtemperatur, Pressdruck und Haltezeit) zu ermitteln und darüber hinaus das Fließverhalten des neuartigen Halbzeuges zu analysieren.
Abbildung 25: Prozessablauf beim Thermoformen von Organoblechen (Quelle: Handbuch Verbundwerkstoffe; Hanser-Verlag)
Ergebnisse Zunächst wurden die Zuschnitte aus den Organoblechen (Nassvlies) angefertigt.
Diese Zuschnitte basierten auf vorangestellten Versuchen mit anderen Materia- lien. Schließlich muss für ein optimal gefülltes Werkzeug (siehe Abbildung 26 links) die exakte Menge an Material in das Werkzeug eingelegt werden. Über die Größe und die Positionierung der Zuschnitte im Werkzeug werden darüber hinaus die Fließwege des Halbzeuges innerhalb des Werkzeugs optimiert. Der Thermoform-Prozess beginnt schließlich mit der Materialerwärmung. Dabei wurden die Halbzeugzuschnitte in einem Heißluftofen 15 min auf 250 °C erwärmt (siehe Abbildung 26 rechts). Solch eine lange Erwärmungszeit ist nötig, um das Material homogen zu durchwärmen und einen stabilen Prozess zu gewährleis- ten.
Ergebnisse
Abbildung 26: Presswerkzeug (links); Erwärmung der Halbzeuge (rechts)
Anschließend wurden die erwärmten Halbzeuge in das Presswerkzeug, das sog.
Gesenk, transferiert (siehe Abbildung 27 links). Dieser Transfer sollte optimaler- weise in weniger als einer Minute abgeschlossen sein, damit das Material nicht zu stark abkühlt. Das Werkzeug ist für den Pressvorgang auf 50°C temperiert.
Der Pressvorgang wurde gestartet. Unter einer Presskraft von 4.600 kN kühlt der thermoplastische Kunststoff ab und erstarrt. Aufgrund größerer Wandstärken resultiert für den Pressvorgang eine Haltezeit von 120s. Das fertige Demonstra- torbauteil konnte nach dem Öffnen der Presse entnommen werden.
Abbildung 27: Einlegen der erwärmten Halbzeuge in das Presswerkzeug (links), Demonstra- torbauteil (Motorträger, rechts)
6.6 Mechanische Charakterisierung des Demonstratorbauteil unter Einsatz- bedingungen (vgl. AP 2f)
Vorgehen Die gefertigten Demonstratorbauteile sollten abschließend mechanisch charakte- risiert werden, um die Eigenschaften des neuartigen Materials unter Einsatzbe- dingungen beurteilen zu können. Dazu wurden verschiedene Bauteilprüfungen durchgeführt.
Versuchsplanung Zur statischen Biegeprüfung wurde das Bauteil gemäß der eigentlichen Nutzung im Fahrzeug an den vier Schraubdomen fixiert (vgl. Abbildung 28 links). An- schließend wurde die Kraft über einen Druckstempel mit einer Fläche von 100 mm x100 mm in das Bauteil eingeleitet (siehe Abbildung 28 rechts). Die Prüfge- schwindigkeit betrug 15mm/min.
Abbildung 28: Schematische Darstellung der statischen Biegeprüfung (links), Durchführung des Biegeversuchs (rechts)
Anschließend wurde auch noch eine dynamische Bauteilprüfung durchgeführt.
Bei dem sog. Fallturmtest wird das Energieabsorptionsvermögen des Bauteils näher untersucht. Mit diesem Versuch kann das Crashverhalten des Bauteils beurteilt werden. Die Belastungsrichtung ist, im Gegensatz zur statischen Biegeprüfung, in X-Richtung. Dementsprechend wird das Crashverhalten entsprechend eines frontalen Auffahrunfalls simuliert. In der vorliegenden Konfiguration wurde mit dem Impaktor eine Energie von 2 kJ bei einer Prüfge- schwindigkeit von 35 km/h in das Bauteil eingeleitet.
Abbildung 29: Schematische Darstellung des Fallturmtests (links), Versuchsdurchführung (rechts)
Ergebnisse Im Rahmen der Bauteilprüfungen wurden Bauteile bestehend aus nassvlies- basierten Organoblechen mit einem Fasermassegehalt von 𝜓= 50 % bei einer Verstärkungsfaserlänge von 40 mm geprüft (vgl. Konfiguration V10).
Bei der statischen Biegeprüfung in Z-Richtung konnte eine Bruchlast von 10,7 kN ermittelt werden. Dies entspricht in etwa der Bruchlast aus bereits durchgeführten Untersuchungen unter der Nutzung von GMT + UD-Tapes (11,1 kN; auf Basis von Glasfasern). Dementsprechend kann bei dem untersuchten Material das gleiche Festigkeitsniveau bereits ohne den Einsatz von UD-Tapes erreicht werden.
Auch bei der dynamischen Prüfung konnten mit dem neuartigen Material gute Ergebnisse erzielt werden. Das Bauteil zerbricht im Fallturmtest nicht in mehrere Teile, sondern es sind lediglich Fasern angerissen (siehe Abbildung 29 rechts) und der Erhalt der Gesamtstruktur kann gewährleistet werden. Dieses
versagens-tolerante Materialverhalten bzw. der Strukturerhalt ist im Falle eines Unfalls von großem Vorteil, da sich die montierten Teile nicht unkontrolliert im Fahrzeug bewegen. Nach dem Crashtest im Fallturm konnte eine blebende Vervormung der Struktur von ca. 40 mm in Belastungsrichtung ermittelt werden.
7 Simulationsmodell-Ergebnis (vgl. AP 3)
7.1 Entwicklung eines Simulationsmodelles für die Einzelstrukturen (vgl. Arbeitspaket 3a)
Vorgehen Auf Basis der ermittelten mechanischen Kennwerte wurden Simulationsmodelle für die Nassvliese und UD-Tapes erstellt.
Ergebnisse Auf Grundlage der ermittelten mechanischen Kennwerte wurden von den verschiedenen Materialkonfigurationen Materialmodelle für FEM-Simulationen abgeleitet. Zur Erstellung der Materialmodelle wurden die ermittelten Steifigkeits- kennwerte übertragen. Darüber hinaus wurden die Querkontraktionszahlen der Materialien ermittelt und bei den Materialmodellen ergänzt. Diese Materialmodel- le stehen für weiterführende Untersuchungen sowie für die Bauteilauslegung zur Verfügung. Auf diese Weise kann eine sehr flexible und hocheffiziente struktur- mechanische Bauteilauslegung gewährleistet werden, da die verschiedenen Materialien bauteilspezifisch ausgewählt und kombiniert werden können.
Bei der Erstellung der Materialmodelle ist unbedingt die Anisotropie der unter- suchten Materialien zu berücksichtigen. Je nach Materialaufbau können bspw. in ANSYS Workbench verschiedene Laminataufbauten (sog. Stackup) auf einfach Weise generiert werden. Dabei kann die Materialorientierung unabhängig von der Schalennormale sowie durch automatische Interpolation zwischen verschie- denen Koordinatensystemen definiert werden. Überlappungsbereiche der Einzelschichten können hier auch abgebildet werden.
7.2 Simulation/Untersuchung zum Drapierverhalten der Einzelstrukturen (vgl. AP 3b) Vorgehen Anhand der ermittelten Einzelkennwerte wurde ein Simulationsmodell für die Umformbarkeit der Multi-Material-Verbunde erstellt. Darüber hinaus wurden Schubrahmenversuche zur Definition der jeweiligen Einsatzgrenzen der Materia- lien durchgeführt.
Versuchs- planung
Für die optimale Auslegung von Mehrschichtverbunden mit anisotropen Werk- stoffverhalten ist die gleichzeitige Einbeziehung der Herstellungsprozesse der textilen Verstärkungslagen von besonderer Bedeutung. Wesentliche Eigenschaf- ten textilverstärkter Faser-Kunststoff-Verbunde werden durch das Drapier- und Umformverhalten der Textilhalbzeuge bestimmt und beeinflussen die Herstell- barkeit von Bauprinzipien mit geometrisch gekrümmten Oberflächen entschei- dend. Zusätzlich werden diese lokalen Faserorientierungen für die Strukturaus- legung hinsichtlich der geforderten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften benötigt.
Abbildung 30: Schubrahmen (links) und Schubrahmen mit Organoblech-Probe (rechts) Um Fehlstellen bei der Fertigung durch Faltenwürfe und Verzerrungen während des Drapierprozesses frühzeitig feststellen zu können, ist eine Charakterisierung der textilen Eigenschaften notwendig. Dazu wurde ein Schubrahmen entwickelt (siehe Abbildung 30), der es erlaubt trockene Textilien als auch temperierte und konsolidierte Mehrschichtverbunde (Organobleche) im Scherversuch zu analy- sieren. Die so ermittelten Kraft-Scherwinkel-Kurven dienen als Eingangsgrößen für die nachfolgende Umformsimulation oder nach Ermittlung eines maximal zulässigen Scherwinkels als Grenzwerte für eine kinematische Drapiersimulati- on. In einer entwickelten Schubrahmenprüfvorrichtung wurden die konsolidierten Nassvliese und Organobleche aus UD-Tapes mit Vorzugsrichtung eingespannt und bei einer Temperatur von 260°C verzerrt.
Ergebnisse Anhand der Scherrahmenversuche kann das Drapierverhalten der untersuchten Materialien besser beurteilt werden. Dies ist insbesondere für Bauteilfertigung aus den Halbzeugen von großem Interesse. Einerseits kann über Strukturme- chanische Betrachtung mittels Simulation das materialtechnische Optimum ermittelt werden. Andererseits muss dieses materialtechnische Optimum aber auch prozesstechnisch umsetzbar sein. Hierzu liefern die durchgeführten Versu- che wichtige Erkenntnisse zur Beurteilung des Fließverhaltens und der Positio- niergenauigkeit (besonders bei UD-Tapes) der Halbzeuge im Umformprozess.
Anhand der Scherrahmenversuche konnte erwartungsgemäß ein sehr unter- schiedliches Drapierverhalten der untersuchten Halbzeuge nachgewiesen werden. So zeigten die Versuche, dass der Mehrschichtverbund aus UD-Tapes während der Verzerrung sofort eine Faltenbildung ausprägte. Die der paralleli- sierten Endlosfasern im Verbund behindern sich im Verbund bei Einleitung der Verzerrung, was zu einem Abgleiten und somit direkt zu einer Faltenbildung führt. Dies ist eine Folge der stark ausgeprägten anisotropen Verbundeigen- schaften. Bei der Untersuchung mittels des Scherrahmenversuches entstehen lokal starke Spannungsspitzen, die zu einer Faltenausbildung führen, Seitens der Nassvliese konnte ein ganz anderes Verhalten beobachtet werden. Das Halbzeug verformt sich nach der Einleitung der Verzerrung problemlos. Dabei bilden sich keinerlei Falten aus. Durch die geringen Faserlängen und die Wirrfa- seranordnung können die Fasern viel besser aneinander abgleiten und eine faltenfreie Verzerrung ermöglichen.
Aus den Untersuchungen kann geschlussfolgert werden, dass die Nassvlies- Halbzeuge ein wesentlich besseres Drapierverhalten und eine bessere Fließfä- higkeit besitzen. Das Material eignet sich demzufolge ideal zur Realisierung komplexer Geometrien mit dünnen Wandstärken. Die UD-Tapes zeigen ein deutlich schlechteres Drapierverhalten. Aufgrund der herausragenden mechani- schen Eigenschaften in Faserlängsrichtung, sind sie in hochbelasteten Struktur- bauteilen jedoch unverzichtbar. Demnach sind die UD-Tapes bei der Bauteilkon- zeption stets entlang klarer und gerader Lastpfade zu legen. Auf diese Weise werden die Bauteile effektiv verstärkt und die nötige Bauteilsteifigkeit und – festigkeit kann erreicht werden.
7.3 Ableitung eines Berechnungsmodells für den Multi-Material-Verbund (vgl. AP 3c) Vorgehen Auf Basis der Materialmodelle wurde eine Berechnungsroutine entwickelt, die
eine automatisierte Optimierung der Materialkonfiguration und des Lagenauf- baus ermöglicht.
Ergebnisse Das entwickelte Berechnungsmodell erlaubt eine hochflexible Berechnung von Strukturbauteilen aus den untersuchten Nassvliesen mit partieller Verstärkung durch UD-Tapes. Auf diese Weise können die Strukturen zum einen strukturme- chanisch optimiert werden.
Zum anderen kann aber auch eine Optimierung auf Basis der Kosten (große Preisdifferenz zwischen Nassvliesen und UD-Tapes) und des Bauteilgewichts vorgenommen werden. Mit Hilfe der programmierten Berechnungsroutine kann demnach sehr flexibel auf unterschiedlichste Anforderungen reagiert werden.
Dies ist insbesondere bei solchen anisotropen Werkstoffen von großem Interes- se, da eine strukturmechanische Auslegung aufgrund der Anisotropie an Kom- plexität gewinnt. Dieses Werkzeug kann folglich dazu beitragen, die Akzeptanz der entwickelten Faser-Verbund-Materialien zu steigern.
8 Auswertung - Transfer (vgl. AP 4)
8.1 Modellierung des Recyclingkreislaufes (vgl. AP 4a)
Vorgehen Projektabschließend galt es einen Recyclingkreislauf für die neuartigen Materia- lien zu erarbeiten. Dabei sollten verschiedene Potenziale und Grenzen aktueller Technologien im Bereich des Faserverbund-Recyclings hervorgehoben werden.
Ergebnisse Am Ende des Produktlebens von Faserkunststoffbauteilen sollte die stoffliche Wiederverwendung stehen. Ziel ist es die Einzelbestandteile schonend zu separieren und damit für einen neuen Einsatz vorzubereiten. Natürlich ist eine gewisse Verschlechterung der Faserkennwerte nicht vermeidbar. Dennoch besteht bei der Auswahl geeigneter Verfahren die Anforderung, vor allem die Faserlänge so groß wie möglich zu erhalten. Die ganzheitliche Recycling- Prozesskette lässt sich prinzipiell wie folgt darstellen:
Abbildung 31: Recycling-Prozesskette
Für das Materialrecycling von Faserverstärkten Kunststoffen existieren bereits verschiedene Lösungsansätze. Am häufigsten wird dabei ein thermisches Verfahren (vgl. Abbildung 31), die sog. Pyrolyse, eingesetzt. Jedoch werden bis dato nur wenige Verfahren im Industriemaßstab betrieben, da sich die Marktak- zeptanz der Rezyklate noch nicht richtig ausbilden konnte. Dies ist vor allem auf
