Projekt 33809/01

Entwicklung einer industriellen Prozesskette zur Herstellung von UD-Tapes auf der Basis von recycelten Carbonstapelfasern und Thermoplastfasern

Projektdurchführung

Die Spinnerei Neuhof GmbH & Co. KG
Dr.-Enders-Str. 59
95030 Hof

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Zielsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung einer wirtschaftlichen und industriellen Prozesskette zur Fertigung von neuartigen hochorientierten Tapes aus recycelten Carbonstapelfasern (rCF) in reproduzierbarer Qualität für lasttragende Compositebauteile. Dazu soll zuerst die Technologie von der Faseraufbereitung bis zur Tapefertigung im Labormaßstab entwickelt werden, um den Nachweis einer grundsätzlichen Umsetzbarkeit zu erbringen. Anschließend soll die erprobte Prozesskette in den industriellen Maßstab überführt und in die bestehende Maschinentechnik integriert werden.
Der Anlass des Vorhabens ist, dass durch den zunehmenden Einsatz von Carbonfasern (CF) für Leichtbauanwendungen die Problematik der Entsorgung bzw. der ressourceneffizienten sinnvollen Wiederverwertung dieses hochwertigen Materials in den Vordergrund rückt. Um die maximalen Eigenschaften von CF auszuschöpfen, soll ein neuer Ansatz der Entwicklung von Tapes aus rCF mit höchster Ressourceneffizienz für technische Anwendungen umgesetzt werden. Die zu entwickelnden unidirektional verstärkten (UD)-Tapes erweisen sich aufgrund ihrer zahlreichen Vorzüge gegenüber bisherigen CFK-Fertigungsverfahren für die Massenherstellung von CFK-Bauteilen als sehr zukunftsfähig.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden1: Präzisierung der Anforderungen; Auswahl der Fasermaterialien und Festlegung der Tapestruktur (Neuhof/ITM)
2: Weiterentwicklung der rCF-Krempel und Krempelbandherstellung (ITM)
3: Weiterentwicklung der Reguliereinheit der Strecke und Herstellung der Streckenbänder (Neuhof/ITM/ Rieter)
4: Umsetzung der rCF-Tapes im Labormaßstab (ITM)
5: Transfer der Technologie zur Tapeherstellung vom Labormaßstab in den Industriemaßstab (Neuhof, ITM, Rieter)
6: Erprobung und Weiterentwicklung der Tapefertigungsanlage zur kontinuierlichen rCF-Tapeherstellung (Neuhof, ITM)
7: Charakterisierung der Fasern, Bänder und rCF-Tapestrukturen (ITM)
8: Herstellung eines geometrisch komplexen CFK-BauteilDemonstrators aus den entwickelten rCF-Tapes durch Thermopressen (Neuhof/ITM)
9: Ökonomisch/ökologische Bewertung bzw. Bilanzierung (Neuhof/ITM)
10: Berichterstattung (Neuhof/ITM)

Es wurden folgende Methoden zur Bearbeitung des Projektes hinsichtlich des Einflusses auf die Carbonfaserverarbeitung bzw. Fasereinkürzung angewandt.
V1. Einfluss der Geschwindigkeit der Einzugswalzen, des Vorreißers, des Tambours und des Abneh mers sowie der Arbeiter-Wender-Paare der Spezialkrempelanlage
V2: Einfluss der Abstände der Einzugswalzen, des Vorreißers, des Tambours und des Abnehmers sowie der Arbeiter-Wender-Paare der Spezialkrempelanlage
V3: Einfluss der Abzugsgeschwindigkeit, der Abtastwalzenbelastung, des Abstandes der Abtastrolle und der Einlaufbandfeinheit der Spezialstreckenanlage auf die Regulierung
V4: Einfluss der Abzugsgeschwindigkeit, der Walzenbelastung, der Oberwalzen- und der Unterwalzenhärte und der Walzenoberflächenbeschaffenheit, des Abstandes der Walzen, des Verzuges sowie der Einlaufbandfeinheit der Regulierstrecke
V5: Einfluss der Faserlänge und des Carbonfaservolumenanteils
V6: Untersuchung der Imprägnierung und Thermostabilisierung bei unterschiedlichen Auftragsmenge und Temperatur
V7: Entwicklung der UD-rCF-Tapefertigungsanlage
V8: Fertigung von rCF-Tapes bei unterschiedlichen Parametern und darauf basierten Verbundprüfkörper
V9: Charakterisierung der Fasern, Bänder, rCF-Tapestrukturen und rCF-UD-Verbundplatten




Ergebnisse und Diskussion

Das Kick-off-Meeting am 18.07.2018 und weitere Meetings am 11.11.2018, 29.04.2019, 29.10.2019, 20.02.2020, 17.06.2020, 12.10.2020 und 9.11.2020 haben in Dresden und Neuhof unter Beteiligung al-ler Projektpartner stattgefunden. Dabei wurden Anforderungen an rCF und thermoplastische Fasern de-finiert und festgelegt:
• Zur Realisierung eines breiten Anwendungsspektrums wurden alle Arten von rCF berücksichtigt - Auswahl des rCF-Typs (rCF Typ I bestehen aus Restspulen und Verschnitt, rCF Typ II bestehen aus imprägnierten Strukturen und rCF Typ III bestehen aus End-of-Life-CFK-Bauteilen)
• Die PA 6 Faser wurde aufgrund ihrer geringen Viskosität während der Konsolidierung, ihres geringen Schrumpfes und ihrer guten thermischen Eigenschaften als thermoplastische Faser definiert. Basierend auf der Literatur und der Meinung von Industrieexperten wurde eine einheitliche Faserlänge von 40 mm und 60 mm für alle Untersuchungen ausgewählt.
• Zur Erreichung der maximalen Verbundeigenschaften werden die Faservolumenanteile rCF/PA 6 wie folgt variiert: 45 %/55%; 50 %/50%; 55 %/45%; 60 %/40%; 65 %/35 %
• rCF-Tapebreite 100 mm
• rCF-Tapedicke 0,3: 0,7: 1,0 mm
• Demonstratorbauteil: Fahrradsattel

Darüber hinaus wurden weitere folgende Punkte festgelegt:
• Um eine gezielte Qualitätssicherung, Analyse der Einflussparameter während des Krempel- und Verstreckungsprozesses sowie die Wechselwirkung bzw. Zusammenhänge der verschiedenen Faktoren zu untersuchen, soll zunächst mit dem rCF-Typ I mit einer definierten einheitlichen Faserlänge von 80 mm sowie mit einem definierten Faservolumenanteil von 50 % bei unterschiedlichen technologischen und maschinentechnischen Parametern die Faserschädigung im Krempelprozess bewertet und darauf basierend die Speziallaborkrempelanlage gezielt modi-fiziert und optimiert werden.
• Basierend auf den optimalen technologischen und maschinentechnischen Einstellparametern werden die verschiedenen Krempelbänder aus rCF-Typ I mit einer definierten Faserlänge von 40 mm, 60 mm, 80 mm und 100 mm sowie Faservolumenanteil von 45 %, 50 %, 55 %, 60 % und 65 % entwickelt.
• Aus den entwickelten Krempelbändern, Streckenbändern und Tapes werden UD Verbundkör-pern gefertigt und hinsichtlich mechanischer Eigenschaften charakterisiert. Auf Basis dieser Ergebnisse wird eine Vorzugsvariante der Tapestruktur mit entsprechender Faserlänge und ent-sprechendem Faservolumenanteil festgelegt. Mit diesen Parametern sollen die Krempelbänder, Streckenbänder und Tapes aus den rCF-Typ II und III entwickelt, charakterisiert und für die weitere Verarbeitung herangezogen werden.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Liste der bisherigen Vorträge und Veröffentlichungen ist nachfolgend aufgeführt:
[1] Khurshid M.F., Hasan M. M. B., Abdkader A. and Cherif C. Processing of waste carbon and polyamide fibers for high-performance thermoplastic composites: A novel technology for the manufac-turing of unidirectional tapes structure (Under Review). Journal of Industrial Textile, (eingereicht und akzeptiert)
[2] Khurshid M.F., Hasan M. M. B., Hoebel S., Abdkader A. and Cherif C. Uni-Directional tape struc-ture consisting of recycled carbon fibre and polyamide 6 fibres for high performance thermoplastic composites (2021). In: 20th World textile conference Autex (2021), Guimarães, Portugal, pp.205–206, ID 130
[3] Khurshid, M. F., Hengstermann, M., Badrul Hasan, M. M., Abdkader, A., & Cherif, C. Recent de-velopments in the processing of waste carbon fiber for thermoplastic composites – A review. Journal of Composite Materials, 2020; 54(14): 1925-1944
[4] Khurshid M.F., Abdkader A and Cherif C. Processing of waste carbon and polyamide fibres for high performance thermoplastic composites: Influence of carding parameters on fibre orientation, fibre length and sliver cohesion force. Journal of the Textile Institute. 2020; 111(9) : 1277-1187
[5] Khurshid M.F., Abdkader A and Cherif C. (2020). Processing of waste carbon and polyamide fibers for high performance thermoplastic composites: Modifications to the auto leveling system to enhance the quality of hybrid drawn sliver. Journal of Industrial Textile. https://doi.org/10.1177/1528083720913530 (Online)
[6] Khurshid MF, Abdkader A and Cherif C. Process development for Uni-Directional tape structure based on recycled carbon fibre and thermoplastic fibres for fibre-reinforced plastics. In: 19th World textile conference on textiles at the crossroads. 2019, Ghent, Belgium, pp.1–6 (5A1_0483) (https://ojs.ugent.be/autex/article/view/11656)
[7] Khurshid, M. F., Abdkader, A., Hasan, MMB Cherif, Ch: Uni-Directional tape structure consisting of recycled carbon fibre and polyamide 6 fibres for high performance thermoplastic composites. In: Renewable sources for advanced fibres and materials, Autex Conference, Guimarães, Portugal, September 6-9, 2021
[8] Khurshid, M. F., Abdkader, A., Cherif, Ch.: An innovative tape structure for the development of recycle carbon fibre reinforced thermoplastics. In: Digital Conference in the context of the master's degree program in textile and clothing technology, Alumni Conference, Dresden, July 2-3, 2021
[9] Khurshid, M. F., Abdkader, A., Hasan, MMB Cherif, Ch.: Novel tape structures based on recycle carbon and polyamide fibers for high performance fiber reinforced plastics, In: 4th European industry and Research exchange on technical textile, Future techniques and challenges for Recycling, Frankfurt, 11-12 March, 2021.
[10] Abdkader, A., Khurshid, M. F., Sauer, P., Cherif, Ch.: Entwicklung einer industriellen Prozesskette zur Herstellung von nachhaltigen UD-Tapes aus recycelten Carbon stapel Fasern und Thermoplast fasern für die kostengünstigen Ressourcen effiziente Massenfertigung von Verbundbauteilen, In: Aufbereitung und Verwertung Carbon faserhaltiger Abfälle Fachaustausch, Dessau-Roßlau, Deutschland, 20 September, 2019
[11] Khurshid, M. F., Abdkader, A., Cherif, Ch.: Process Development for Uni Directional tape structure based on recycled carbon and thermoplastic fibres for fibre-reinforced plastics. In: Recycling, Life cycle analysis, sustainability and circularity, Autex Conference, Ghent, June 11-15, 2019
[12] Khurshid, M. F., Abdkader, A., Cherif, Ch., :Development of an Industrial Process Line for the Production of UD tapes based on recycled carbon staple fibers (rCF) and thermoplastic fibers’’ In: Towards Sustainability Forum, Techtextil, Frankfurt, May 14-17, 2019




Fazit

Im Rahmen des Vorhabens wurde die gesamte Prozesskette der industriellen Herstellung von neuartigen, ökologischen und ökonomischen UD-rCF-Tapes entwickelt. Diese umfasst die Faseraufbereitung, den Krempelprozess zur Krempelbandbildung, den Streckprozess zur Streckenbandbildung sowie die abschließende Fertigung des UD-rCF-Tapes aus rCF und Thermoplastfasern in einer modifizierten Hochleistungsstrecke.
Anhand des entwickelten, neuartigen Herstellungsprozesses wird aus der gesamten Prozesskette eine ökonomische Analyse zur Wirtschaftlichkeit des entwickelten Tapes erstellt. Parallel erfolgt eine öko-logische Bewertung der hergestellten rCF-Tapes. Durch die Prozessentwicklung wird zum einen eine hohe ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Produktion von Carbonfaser-Halbzeugen, zum anderen eine hohe Ressourceneffizienz durch exzellente Verbundeigenschaften erreicht.
Damit diese entwickelte Technologie zur Umsetzung der rCF-Tapes in breitem Spektrum in die Indust-rie transferiert werden kann, soll im nächsten Schritt auf Basis der erprobten Pilottapefertigungsanlage in Zusammenarbeit mit Textilmaschinenbauern eine Serienanlage realisiert werden.
Die entwickelten rCF-Tapes und Fertigungstechnologie und die daraus hergestellten CFK-Bauteile leis-ten somit einen sehr hohen Beitrag zum Umweltschutz, zur Ressourcenschonung und zur Nachhaltig-keit. Die CF-Abfälle werden zweckmäßig wieder in den Wertstoffkreislauf eingesetzt, wodurch die Rohstoff- und Materialeffizienz deutlich gesteigert werden. Das verringert den Einsatz der für die CF-Fertigung notwendigen fossilen Rohstoffe (PAN auf Basis von Erdöl).