Thermoplastisches Geflechtrohr aus rCF-PA 6-Hybridgarn aus vier-lagigem Geflecht mit glatter geschlossener Oberfläche. (Bildquelle: alle DITF)

Thermoplastisches Geflechtrohr aus rCF-PA 6-Hybridgarn aus vier-lagigem Geflecht mit glatter geschlossener Oberfläche. (Bildquelle: alle DITF)

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) finden breite Anwendung in den verschiedensten Bereichen, wie Automobil, Luftfahrt oder Sport und Freizeit. Ihr Einsatz wird in den nächsten Jahren weiter ansteigen. Dies führt gleichzeitig zu einer steigenden Abfallmenge, die aus Produktionsabfällen (Verschnitt aus Fasern und CFK), wie auch aus ausgedienten Bauteilen besteht. Zum heutigen Zeitpunkt sind die Strategien zur Rückgewinnung und Wiederverwendung des hochwertigen Werkstoffs, Carbonfasern, jedoch noch nicht ausgereift. Die Rückgewinnung der teuren Carbonfaser aus Altbauteilen ist durch Pyrolyse möglich. Hiernach liegt die Faser jedoch nicht mehr als Endlosfaser, sondern als Faser mit definierter Länge (Stapelfaser) vor. Die Einsatzmöglichkeiten für recycelte Carbonfasern (rCF) sind daher nicht vergleichbar mit denen für neue Fasern und werden meist zu Vliesen oder Füllstoffen verarbeitet. Damit ist das Recycling der Carbonfasern häufig als Downcycling zu betrachten. Da die Fasern jedoch auch als Stapelfasern weiterhin über hervorragende Eigenschaften verfügen, ist das Ziel sie wieder in hochwertige Anwendungen zu bringen. An den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF), Denkendorf, wird an einer Strategie gearbeitet, die dieses Ziel erfüllt.

Hochwertige Geflechtbauteile durch Recyclingstrategie

Ein Teil dieser Strategie ist es thermoplastische Geflechtbauteile herzustellen. Dazu werden Hybridgarne aus den rCF und PA 6 Fasern gefertigt, die sich analog zu neuen Fasern in Form von Rovings verarbeiten lassen. Die produzierten Geflechte können im Innen-Schlauchblasverfahren zu Bauteilen konsolidiert werden.

Ausgangsbasis für die Herstellung der Geflechtbauteile sind aus Abfällen wiedergewonnene Carbonstapelfasern, die zusammen mit Polyamid 6-Fasern zu Hybridgarnen versponnen werden. Die Technik des Umwindespinnens ermöglicht dabei verschiedene Garnstrukturen, die auf die jeweilige Verwendung angepasst werden können.

Die unorientiert und mit endlicher Länge vorliegenden Carbon- und PA 6-Stapelfasern werden zunächst in textiltechnischen Prozessen in hohem Maße individualisiert und homogen gemischt. Um dies zu erreichen, werden auf einer Krempelanlage die Stapelfaserflocken durch Nadelwalzen und gegenläufige Walzenpaare mit Stahlzähnen gemischt und gekämmt. Hierdurch erfolgt einerseits die Trennung gleichartiger Fasern und andererseits eine Mischung der unterschiedlichen Faserkomponenten. Aus dem Fasergemisch entsteht ein kontinuierliches Faserband, das als Vorlage beim Hybridgarnspinnen dient. Das Faserband wird hierbei auf die gewünschte Garnstärke gestreckt und die Fasern längsorientiert. Durch das Umwinden des verstreckten Faserbändchens mit einem dünnen PA 6-Filament entsteht ein kompaktes, umwundenes Hybridgarn.

Modifizierte, stark ummantelte Garnstruktur.

Modifizierte, stark ummantelte Garnstruktur.

Die rCF sind mit dem Matrixmaterial auf Faserebene homogen vermischt, wodurch im späteren Konsolidierungsprozess nur kurze Fließwege entstehen. Die zunächst unorietierten rCF liegen nach der Verarbeitung als kontinuierliches, strangförmiges Halbzeug vor, in dem sie unidirektional in Längsrichtung orientiert sind. Auf diese Weise lassen sich die rCF analog zu Neufasern verarbeiten und zeigen ähnliche mechanische Verbundeigenschaften.

Garnstruktur zum Flechten geeignet

Um mit Hilfe des Flechtverfahrens Bauteilpreforms herstellen zu können, wurde eine speziell angepasste Umwindegarnstruktur entwickelt, die sich analog zu Rovings verarbeiten lässt. Der Garnkern ist axial längsausgerichtet, mit dem Filament umwunden und dadurch nahezu vollständig ummantelt. Durch diese Herstellungsweise entsteht eine feste, kompakte und glatte Garnstruktur, die analog zu Rovings verarbeitet werden kann.

Drei unterschiedliche Garnstrukturen, die zum Flechten eingesetzt wurden.

Drei unterschiedliche Garnstrukturen, die zum Flechten eingesetzt wurden.

Die Flechttechnik ist zudem ein verschnittarmes Verfahren, zusammen mit der Nutzung recycelter Carbonfasern bildet es daher eine gute Ausgangsbasis für eine verantwortungsvolle Rohstoffnutzung. Grundsätzlich lassen sich die drei im Projekt hergestellten Hybridgarne zu einem Geflecht verarbeiten. Bei einigen Garnvarianten treten jedoch unerwünschte Effekte, wie gerissene Garne, hohe Staubentwicklung durch Reibung und Haarigkeit oder ungleichmäßige, verdrehte Geflechte auf. Eine Veränderung der Maschinenparameter oder ein Umbau der Klöppel wären sehr kostenintensive Maßnahmen. Um diese unerwünschten Effekte zu vermeiden, einen stabilen Prozess mit gleichbleibender Geflechtqualität zu gewährleisten und gleichzeitig die Veränderungen an der Flechtmaschine auf ein Minimum zu reduzieren, wurde die Garnstruktur wie zuvor beschrieben modifiziert. Diese Garnstruktur verhindert Schäden wie Abscherungen an den Umlenkungen der Klöppel. Da die Garne ohne Störungen übereinander gleiten, ist der Faserflug auf ein Minimum reduziert.

Flechten der angepassten Garnstruktur auf einer Axialflechtmaschine.

Flechten der angepassten Garnstruktur auf einer Axialflechtmaschine.

Durch die speziell angepasste Garnstruktur können stabile, mehrlagige Geflechte produziert werden, die sich gut an den Flechtkern anlegen und weiterverarbeiten lassen. Mit ihnen sind selbst komplexe Geometrien überflechtbar.

Zur Fertigung der Preforms für die Bauteilherstellung wird ein luftdurchlässiger, wiederverwertbarer Flechtkern eingesetzt, welcher mit einem hochtemperaturbeständigen Schlauch überzogen ist. Somit kann der notwendige Innendruck aufgebaut werden. Das Geflecht kann folglich mitsamt dem Kern in das Formwerkzeug eingelegt werden und es besteht kein Risiko, dass sich die Geflechtlagen lockern und beim Transport verschieben.

Herstellen von Bauteilen

Geflecht aus dem speziell angepassten Garn.

Geflecht aus dem speziell angepassten Garn.

Zur Konsolidierung der CFK-Bauteile wird der mehrmals umflochtene Kern in ein geschlossenes beheiztes Formwerkzeug eingelegt. Das Werkzeug wird auf die Schmelztemperatur der Kunststoffmatrix erwärmt. Sobald der schmelzflüssige Zustand vorliegt, wird über den Flechtkern der Innendruck aufgebracht. In der Thermoplastschmelze sind die Carbonstapelfasern, im Gegensatz zu Endlosfasern, in gewissem Maße beweglich, was zu einem guten Umformvermögen führt. Die aufgeschmolzenen Garne beziehungsweise die schwimmenden Fasern können sich durch den Druck selbst starken Querschnittänderungen anpassen. Dies bringt dieser Art von Halbzeugen einen entscheidenden Vorteil im Gegensatz zu bisher gebräuchlichen Rovings ein. Im Rahmen des beschriebenen Forschungsprojekts wurden vierlagige Rohre hergestellt, die eine sehr glatte und geschlossene Oberfläche besitzen. Im Querschnitt sind ebenfalls keine Lufteinschlüsse oder Trockenstellen erkennbar. Zudem ist es möglich eine starke Durchmesseränderung durch die Dehnung der Garne an der Stufe zum größeren Durchmesser abzubilden. Die Fasern bleiben innerhalb des Garns axial ausgerichtet, was zu guten mechanischen Eigenschaften führt.

Vielseitige Einsatzmöglichkeiten

Bauteil mit starker Durchmesseränderung; die Fasern können sich optimal der Kurve anpassen und bleiben axial ausgerichtet; (vorkonsolidiertes Bauteil). (Bildquelle: DITF)

Bauteil mit starker Durchmesseränderung; die Fasern können sich optimal der Kurve anpassen und bleiben axial ausgerichtet; (vorkonsolidiertes Bauteil). (Bildquelle: DITF)

Die Hybridgarne aus thermoplastischen Fasern und rCF sind vielseitige Rohstoffe, die sich zu Faserverbundwerkstoffen verarbeiten lassen. Auf Grund der besonderen Tiefzieh- und Umformeigenschaften des Materials können die rCF zudem mit technischen Vorteilen eingesetzt werden. Neben der Herstellung von Flechtprofilen können die Hybridgarne auch durch Weben oder Wickeln und anschließendes Verpressen zu umformbaren Organoblechen verarbeitet werden. Weiterentwicklungen solcher Methoden zeigen, dass absehbar ist, dass die rCF in Zukunft kein Nischen- oder minderwertiges Produkt mehr sind und breite Anwendung finden. Durch die gezielte Ausnutzung der Vorteile von Stapelfasern kann bei der Herstellung der thermoplastischen Geflechtbauteile von einem tatsächlichen Recycling und nicht von einem Downcycling gesprochen werden.

Über die Autoren

Marion Lütz

ist wissenschaftliche Mitarbeiterin an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Denkendorf.

marion.luetz@ditf.de

Olaf Reichert

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Denkendorf.

olaf.reichert@ditf.de

Stephan Baz

ist Bereichsleiter Stapelfasertechnologien an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Denkendorf.

stephan.baz@ditf.de

Prof. Dr.-Ing- Markus Milwich

ist Bereichsleiter Faserverbund- und Flechttechnik an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung in Denkendorf.

markus.milwich@ditf.de

Prof. Dr.-Ing. Götz T. Gresser

ist Institutsleiter der Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung in Denkendorf.

goetz.gresser@ditf.de