Entwicklung von numerischen und experimentellen Methoden und Prozessen für die schonende Herstellung von Hybridgarnen aus recycelten Carbonfasern mit breiter Faserlängenverteilung für thermoplastische Verbundbauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif; Dr. Thomas Gereke
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407164652

Im Vergleich zu den mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen basierend auf Spritzguss und Vliesstoffen aus recycelten Carbonfasern (rCF) bieten Hybridgarne aus rCF und Thermoplastfasern ein großes Potenzial für eine hohe Faserorientierung, Faserlänge, Kompaktheit und einen hohen Faservolumengehalt und damit ein hohes Leistungsvermögen in Verbundwerkstoffen. Die Verspinnung von Hybridgarnen aus rCF und Thermoplastfasern für carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) basiert jedoch auf modifizierten Flyer- und Umwindespinntechnologien mit hohen Garndrehungen, die für eine ausreichende Garnfestig-keit und einen stabilen Spinnprozess unerlässlich sind. Eine hohe Garndrehung führt jedoch zu einer undefinierten Faserschädigung während des Spinnprozesses und einer geringen Faserausrichtung im Verbund. Weitere Herausforderungen sind die hohe Faserschädigung bei der Verarbeitung von rCF und der daraus resultierende hohe Kurzfaseranteil. Diese führen zu geringen mechanischen Eigenschaften von CFK und nicht reproduzierbaren Fertigungsprozessen. Aufgrund des zunehmenden Trends der Verwendung von thermoplastischen CFK besteht ein hoher Bedarf an der effizienten drehungsfreien und schädigungsarmen Garnherstellung aus rCF mit hoher Qualität, um eine nachhaltige Lösung zur Nutzung des Potenzials von rCF in CFK zu erreichen. Dazu sollen die Grundlagen des simulationsgestützten sowie mess-technisch begleiteten Krempel- und Streckprozesses für eine schonende Verarbeitung von rCF geschaffen und ein neues drehungsfreien Garnherstellungsverfahren entwickelt werden. Eines der Ziele des Projektes sind Faserstrukturuntersuchungen, numerische und experimentelle Analysen zur schonenden Verarbeitung von rCF (Faservolumengehalt bis 65%) in Kombination mit thermoplastischen Fasern, die hohe Zugfestigkeiten und E-Module in Verbund-werkstoffen ermöglichen (gleich oder mehr als 95% im Vergleich zu denen aus CF-Primärfilamentgarnen). Dazu werden zunächst eine Methode und ein Algorithmus für die Online-Messung der Faserlänge, des Orientierungs- und Durchmischungsgrades von rCF in Echtzeit ent-wickelt, um den Krempelprozess besser zu verstehen und gezielt weiterzuentwickeln. Eine Simulation des Krempelprozesses wird Aufschluss über die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Faserschädigung und -längenverteilung geben und dazu dienen, den Prozess und die Krempelmodifikationen systematisch so zu gestalten, dass ein Band schonend mit hoher Gleichmäßigkeit ohne trial and error realisiert wird. Darüber hinaus liegt der innovative Kern des Projektes auf der Entwicklung von einem neuen Spinnverfahren zur Herstellung von drehungsfreien Hybridgarnen aus rCF und Thermoplastfasern. Stochastische Finite-Elemente-Modelle werden Garn- und Verbundparameter vorhersagen, um Beziehungen zwischen Faser- und Prozessparametern sowie Garn- und Verbundeigenschaften herzustellen. Als Ergebnis wird das Potenzial von rCF zur Erzielung hoher mechanischer Eigenschaften von CFK erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen