Prozessanalyse des pseudo-plastischen Verformungsverhaltens von unidirektional verstärkten Stapelfaser-Organoblechen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch die Herstellung von Stapelfasergarnen (SF-Garne) aus recycelten Kohlenstofffasern (rCF) können diese mit großer Faserlänge und optimierter Orientierung zu textilen Halbzeugen weiterverarbeitet werden. Diese Stapelfasern bieten den Vorteil, dass sie sich in einer schmelzflüssigen, hochviskosen Matrix infolge einer aufgebrachten Zugspannung gegeneinander bewegen bzw. aufeinander abgleiten können und somit einen wesentlichen Nachteil kontinuierlich faserverstärkter Thermoplaste, nämlich deren fehlende plastische Verformbarkeit, überwinden. Halbzeuge auf Basis von Stapelfasern zeigen im aufgeschmolzenen Zustand somit ein pseudoplastisches Verformungsverhalten, das für die Herstellung geometrisch komplexer Bauteile im Thermoformprozess genutzt werden kann. Das zentrale Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Weiterverarbeitung von Stapelfasergarnen aus rCF und PA6-Fasern zu Tape-Halbzeugen in einem modifizierten Imprägnier- und Kalandrierprozess. Dabei wurde der Einfluss von Temperatur, Prozessgeschwindigkeit und Verstreckung auf die Breite und Dicke, sowie Faserorientierung und Imprägnierung systematisch untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der Stapelfaserorganobleche erreichten nahezu das Niveau von Neuware, wobei der Zug- und Biegemodul jeweils 87 % und die Biegefestigkeit 99 % der Werte von Neuware betrug. Allerdings führte die Inkompatibilität der Faserschlichte mit der verwendeten PA6-Matrix zu einer signifikanten Reduktion der Zugfestigkeit, sodass lediglich 29 % der Zugfestigkeit von Neuware erreicht wurde. Ein neuartiger Versuchsaufbau zur Untersuchung des pseudo-plastischen Verformungsverhaltens ermöglichte eine lokale, homogene Erwärmung der Zugproben im belasteten Bereich. Nach Erreichen der Zieltemperatur wurde ein Schnellzugversuch durchgeführt, gefolgt von einer Rekonsolidierung der Proben. Zur Analyse des pseudo-plastischen Verhaltens wurden die Prüfgeschwindigkeit, die Prüftemperatur und die Gesamtverstreckung der SF-Tapes, systematisch variiert. Es konnte festgestellt werden, dass eine Erhöhung der Heizplattentemperatur zu einer Verringerung der für das Abgleiten der Fasern erforderlichen maximalen Spannung führt, während eine erhöhte Prüfgeschwindigkeit eine Zunahme der erforderlichen Spannung bedingt. Zudem wurde beobachtet, dass eine erhöhte Heizplattentemperatur eine homogener ausgeprägte pseudoplastische Verformung begünstigt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein bestehendes Modell für die Beschreibung der Zugversuche kalibriert und zur Charakterisierung des Materialverhaltens im Thermoformprozess herangezogen. Durch die Kombination einer hohen Werkzeugtemperatur, einer erhöhten Probentemperatur und einer isolierenden Silikon-Decklage konnte eine homogene pseudo-plastische Verstreckung mit einem Variationskoeffizienten von 5,13 % erzielt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Data for: New approach for processing recycled carbon staple fiber yarns to unidirectional reinforced recycled carbon staple fiber tape
M. Detzel, P. Mitschang & U. Breuer
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New Approach for Processing Recycled Carbon Staple Fiber Yarns into Unidirectionally Reinforced Recycled Carbon Staple Fiber Tape. Polymers, 15(23), 4575.
Detzel, Martin; Mitschang, Peter & Breuer, Ulf
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„rCF staple fiber tapes”, International IVW Colloquium, 14. – 15.09.2023, Kaiserslautern
M. Detzel, P. Mitschang & U. Breuer
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Influence of the process temperature in the calendaring process on the mechanical properties of rCF staple fiber tapes, SE24, SAMPE Europe Conference 2024 of Society for the Advancement of Material and Process Engineering Europe, 24 .- 26.09.2024, Belfast, Northern Ireland
M. Detzel, C. Scheffler, P. Mitschang, U. Breuer & T. Neumeyer
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“Influence of the processing temperature in the calendaring process of staple fiber yarns on the degree of consolidation and the thermal properties”, PPS-39, 39th International Conference of the Polymer Processing Society, 19. – 23.05.2024, Cartagena de Indias, Colombia
M. Detzel, P. Mitschang & U. Breuer
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„Herstellung von rCF-Stapelfasertapes aus rCF/PA6- Stapelfasergarnen“, AVK Arbeitskreis „Thermoplastic Composites, Tubes & Profiles“, 21.03.2024, Frankfurt/Main
M. Detzel, P. Mitschang & U. Breuer
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“Kohlenstofffasern haben mehr als ein Leben!”, 6. Fachtagung COMPOSITE RECYCLING & LCA, 19. Februar 2025, Stuttgart
M. Detzel, F. Gortner & T. Neumeyer
