Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 · Das Projekt hat das Ziel, durch die Herstellung eines Spinnfasergarns aus von der CFK-Produktion sowie End-of-Life-Bauteilen

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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern – Phase 1

Gebrüder Otto

Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG

Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 -

Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt,

gefördert unter dem AZ: 29910 von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt

von

Kathrin Wolf / Andreas Merkel

Dietenheim, September 2014

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Der Abschlussbericht ist erhältlich bei:

Gebrüder Otto Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG

Königstraße 34

89165 Dietenheim

Tel. +49 (0)7347 / 9606 - 0

Fax +49 (0)7347 / 9606 - 60

[email protected]

mailto:[email protected]

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Gebrüder Otto

Baumwollfeinzwirnerei GmbH & Co. KG

Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 -

Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt,

gefördert unter dem AZ: 29910 von der

Deutschen Bundesstiftung Umwelt

von

Kathrin Wolf / Andreas Merkel

Dietenheim, September 2014

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Inhalt

1 Zusammenfassung .......................................................................................................................... 1 2 Einleitung .......................................................................................................................................... 2 3 Hauptteil ........................................................................................................................................... 5

3.1 Grundlagenrecherche Carbon ................................................................................................ 5

3.1.1 Herstellung von Carbonfasern ...................................................................................... 5

3.1.2 Technische Eigenschaften von Carbonfasern .............................................................. 6

3.1.3 Vergleich Baumwolle mit Carbon................................................................................. 6

3.1.4 Komponenten für carbonfaserverstärkte Kunststoffe ................................................ 8

3.1.5 Grundsätzlicher Aufbau von Faserverbundwerkstoffen .......................................... 9

3.1.6 Produktionsverfahren für FVW .................................................................................. 10

3.1.7 Vorteile bzw. Motivation für den Einsatz von FVW ................................................ 15

3.1.8 Anwendungsbeispiele von FVW ................................................................................ 16

3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse ............................................................................. 17

3.2.1 Maßnahmen für den Personen- und Maschinenschutz ........................................... 17

3.2.2 Untersuchung und Prüfung der Faserrohstoffe ....................................................... 18

3.2.3 Bandherstellung ............................................................................................................ 33

3.2.4 Erste Versuche zur Garnherstellung .......................................................................... 40

3.3 Bewertung der Vorhabensergebnisse ................................................................................. 43

3.3.1 Betrachtung der Umweltrelevanz ............................................................................... 43

3.3.2 Technologische und ökonomische Relevanz ............................................................. 44

3.4 Verbreitung der Vorhabensergebnisse ............................................................................... 46

4 Fazit ................................................................................................................................................. 47 Literaturverzeichnis und Quellennachweise ....................................................................................... 49

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Verzeichnis von Bildern

Abbildung 1 Schema Carbonfaserherstellung ....................................................................................... 5

Abbildung 2 Vergleich Längsbild Baumwollfaser (links) und Carbonfaser (rechts) ....................... 7

Abbildung 3 Carbonfaser (6 µm) im Vergleich zu einem menschlichen Haar (50µm) .................... 8

Abbildung 4 Komponenten für CFK ...................................................................................................... 8

Abbildung 5 Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes ....................................................................... 10

Abbildung 6 Schema Handlaminierverfahren + Vakuumsack- und Autoklavtechnik ................. 11

Abbildung 7 Herstellungsprinzip duroplastischer Prepregs ............................................................ 12

Abbildung 8 Prinzip des RTM-Verfahrens .......................................................................................... 13

Abbildung 9 Umfangswicklung und Kreuzwicklung........................................................................ 14

Abbildung 10 Prinzipskizze einer Wickelanlage und mögliche Wickelformen ............................. 14

Abbildung 11 Standardversion einer Pultrusionsanlage ................................................................... 15

Abbildung 12 Verschiedene Anwendungsgebiete von FVW............................................................ 16

Abbildung 13 Sicherheitsmaßnahmen für den Gesundheitsschutz ................................................. 17

Abbildung 14 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A ...................... 19

Abbildung 15 Summenhäufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A ...................... 20

Abbildung 16 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante B ...................... 21

Abbildung 17 Summenhäufigkeit Einzelfasermessung Carbon-Variante B ................................... 21

Abbildung 18 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A ....... 22

Abbildung 19 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A ......................... 23

Abbildung 20 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B ........ 24

Abbildung 21 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B .......................... 25

Abbildung 22 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 20-fache Vergrößerung ........................ 26

Abbildung 23 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 40-fache Vergrößerung ........................ 26

Abbildung 24 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 100-fache Vergrößerung ...................... 26

Abbildung 25 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 20-fache Vergrößerung ........................ 27

Abbildung 26 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 40-fache Vergrößerung ........................ 27

Abbildung 27 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 100-fache Vergrößerung ...................... 27

Abbildung 28 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 200-fache Vergrößerung ............................... 28

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Abbildung 29 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 1000-fache Vergrößerung ............................. 28

Abbildung 30 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 3000-fache Vergrößerung ............................. 29

Abbildung 31 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 200-fache Vergrößerung ............................... 29

Abbildung 32 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 1000-fache Vergrößerung ............................. 29

Abbildung 33 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 3000-fache Vergrößerung ............................. 30

Abbildung 34: Gut aufgelöste Fasern ................................................................................................... 31

Abbildung 35: Nicht vereinzelte Faserbündel ..................................................................................... 31

Abbildung 36 Modifizierte Laborkrempel mit Faservorlage ............................................................ 33

Abbildung 37 1. Krempeldurchlauf, Vliesbildung auf der Holztrommel (links) ........................... 34

Abbildung 38 2. Krempeldurchlauf und Bandbildung (rechts) ................................................... 34

Abbildung 39 2. Krempeldurchgang, Vorlage eines C/PA-Vlies aus dem 1. Durchgang ............ 35

Abbildung 40 Carbonfaserflug und Ablagerungen an Maschinenteilen ........................................ 38

Abbildung 41 100 % Carbonfaserband ................................................................................................. 38

Abbildung 42 Spinntester mit einzelmotorischen Antrieben für Carbonfaserverspinnung ........ 40

Abbildung 43 Cops mit Carbon/PA-Garn der Garnfeinheit Nm 10 und Nm 15 ........................... 41

Abbildung 44 Breite des Bandes im Streckwerk und Spinndreieck ................................................. 42

Abbildung 45 Verflugung am Spinnring ............................................................................................. 42

Abbildung 46 Verbrauchseinsparung durch Gewichtsreduktion .................................................... 43

Abbildung 47 CO2-Gesamtbilanz unterschiedlicher Materialien ..................................................... 44

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Verzeichnis von Tabellen

Tabelle 1 Technische Eigenschaften von Carbonfasern ....................................................................... 6

Tabelle 2 Gegenüberstellung der Eigenschaften von Baumwolle und Carbon ................................ 7

Tabelle 3 Schematischer Aufbau von Faserverbundwerkstoffen ....................................................... 9

Tabelle 4 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante A .............................. 19

Tabelle 5 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante B ............................... 20

Tabelle 6 Messergebnisse Fasermischung C/PA 15/85 ..................................................................... 36

Tabelle 7 Messergebnisse Fasermischung C/PA 40/60 ..................................................................... 37

Tabelle 8 Messergebnisse 100 % Carbonfasern ................................................................................... 38

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Formelzeichen

m [(T/Nm)½] alphametrischer Drehungsbeiwert

ρ [g/cm³] hier: Faserdichte

φ [%] relative Luftfeuchtigkeit

T [(Drehungen/m]

Abkürzungen

C Carbon

CF Carbonfaser

CFK Carbonfaserverstärkter Kunststoff

dtex Dezitex

E-Modul Elastizitätsmodul

EOL End-of-Life

FVW Faserverbundwerkstoffe

PA Polyamid

PAN Polyacrylnitril

RTM Resin Transfer Moulding

Verzeichnis von Begriffen und Definitionen

Carbonisierung: Wärmebehandlung von Precursormaterialien im Temperaturbereich von 1000-

2200 °C zur Herstellung von Carbonfasern.

Cops: Fertig bewickelte Garnhülse von einer Ringspinnmaschine. Vorlage für die

Spulmaschine.

Dickstelle: Imperfektion im Garn, ermittelt als prozentuale positive Abweichung zur mittleren,

gewünschten Garnfeinheit.

Downcycling: Bezeichnung dafür, wenn ein Material nicht mehr die ursprüngliche Qualität

oder deren Verarbeitbarkeit erreicht wie bei der Primärherstellung vor dem Recyclingprozess.

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Dünnstelle: Imperfektion im Garn, ermittelt als prozentuale negative Abweichung zur

mittleren, gewünschten Garnfeinheit.

Filament: Bezeichnung für eine Faser mit praktisch unbegrenzter Länge. Werden auch

Endlosfasern genannt.

Graphitierung: Hochtemperaturbehandlung im Anschluss an die Carbonisierung im

Temperaturbereich von 1800–3000 °C zur Herstellung von besonders hochmoduligen

Carbonfasern.

Haarigkeit: Durch Abstehen von Fasern entstehendes Garnbild.

Isotrop: Nach allen Richtungen hin gleiche physikalische und chemische Eigenschaften

aufweisend

K: Einheit für die Filamentanzahl in einem Garn oder Roving/Tow. 1K steht für

1000 Einzelfilamente.

Karde: Beim Kardierprozess in der Maschine werden die Faserflocken zu einzelnen Fasern

weiter aufgelöst, parallelisiert und das entstehende Faserflor zu einem Kardenband

zusammengefügt. Während des Kardierens werden Kurzfasern, Nissen, Fremd- und

Schmutzpartikel weitgehend entfernt.

Kardenband: Ausgabeband an der Karde.

Karderie: Einheit aller Karden in einer Spinnerei.

Kardiertes Garn: Garn, dass ohne den Kämmprozess hergestellt wurde.

Kompaktgarn: Mit einem Verdichtungs- bzw. Kompaktierungssystem hergestelltes Garn.

Large Tow: Faserkabel (auch Roving genannt), dass aus 48.000 (48K) oder mehr

Einzelfilamenten besteht.

Matrix/Matrixsystem: Matrix oder Matrixsystem ist eine Bettungsmasse auf Kunststoff-,

Metall-, Keramik- oder auch Ligninbasis und stellt eine Komponente für die Herstellung von

Faserverbundwerkstoffen dar.

Nm: Einheit für die Garnfeinheit in

. Nm 1 bedeutet, dass 1 Meter Garn 1 Gramm wiegen, Nm

100 bedeutet, dass 100 Meter Garn 1 Gramm wiegen.

Precursor: Filament aus PAN, Viskose oder Pech, das als Ausgangsmaterial für die Herstellung

von Carbonfasern dient.

Preform: Preforms sind endkonturnahe, trockene textile Konstruktionen.

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Prepreg: Prepregs sind mit einem Matrixsystem vorimprägnierte, textile Halbzeuge.

Primär-Carbonfaser: Neu produzierte Carbonfaser

Pyrolyse: Die Pyrolyse bzw. pyrolytische Zersetzung ist eine thermo-chemische Spaltung

organischer Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (200–900 °C) ein Bindungsbruch

innerhalb großer Moleküle in kleinere erzwungen wird.

Quantil: Ein Quantil ist ein Lagemaß in der Statistik. Anschaulich ist ein Quantil ein

Schwellwert: ein bestimmter Anteil der Werte ist kleiner als das Quantil, der Rest ist größer.

Das 25%-Quantil beispielsweise ist der Wert, für den gilt, dass 25% aller Werte kleiner sind als

dieser Wert.

Quartile: Quartile (lateinisch „Viertelwerte“) sind die Quantile 25%-Quantil, 50%-Quantil (=

Median) und 75%-Quantil, die auch als Q1 („unteres Quartil“), Q2 („mittleres Quartil“) und Q3

(„oberes Quartil“) bezeichnet werden. Sie sind die in der Statistik mit am häufigsten

verwendete Form der Quantile.

Quartil: Ein Quartil ist ein Lagemaß in der Statistik. Das 25%-Quartil ist der Wert, für den gilt,

dass 25% aller Werte kleiner sind als dieser Wert bzw. 75% aller Werte größer sind als dieser

Wert. Das 75%-Quartil ist der Wert, für den gilt, dass 75% aller Werte kleiner sind als dieser

Wert bzw. 25% aller Werte größer sind als dieser Wert.

Quartilsabstand: Der Quartilsabstand bezeichnet die Differenz zwischen dem oberen und dem

unteren Quartil (25%-Quartil und 75%-Quartil) und umfasst daher 50 % der Verteilung. Der

Quartilsabstand wird als Streuungsmaß verwendet.

REM: Abkürzung für Rasterelektronenmikroskop. Bei einem Rasterelektronenmikroskop wird

ein Elektronenstrahl in einem bestimmten Muster über das vergrößert abzubildende Objekt

geführt (gerastert) und Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt zur Erzeugung eines

Bildes des Objekts genutzt.

Ringgarn: Nach dem Ringspinnverfahren hergestelltes Garn.

Ringspinnmaschine: Maschine zur Herstellung eines Ringgarns durch Verzug des Vorgarns bis

zur gewünschten Feinheit, Drehungserteilung und Aufwinden des fertigen Garns auf einen

Wickelkörper (Cops).

S-Drehung / S-Draht: Garndrehung, bei der die Drehungslinien auf der Garnoberseite ein „S“

bilden. (Rechtsdrehung)

Small Tow: Faserkabel (auch Roving genannt), dass aus bis zu 24.000 (24K) Einzelfilamenten

besteht.

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Solvolyse: Bezeichnet in der Chemie die Reaktion mit einem Lösungsmittel, wobei es zum

Bruch der chemischen Bindung kommt.

Stapelfasern: Fasern, denen im Gegensatz zu endlosen Filamenten eine gewisse Länge

zugeordnet werden kann.

Stapellänge: Durchschnittslänge aller Spinnfasern aus einer Faserprobe, ein Gradmesser für

den technischen Spinnwert.

Z-Drehung / Z-Draht: Garndrehung, bei der die Drehungslinien auf der Garnoberseite ein „Z“

bilden. (Linksdrehung)

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1 Zusammenfassung

Das Projekt hat das Ziel, durch die Herstellung eines Spinnfasergarns aus von der CFK-

Produktion sowie End-of-Life-Bauteilen wiedergewonnenen Carbonfasern die CO2-Bilanz der

Primär-Carbonfasern zu verbessern. In Phase I des Projektes, die dieser Bericht zusammenfasst,

wurde eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, indem das für das Spinnen zwingend

notwendige Vorprodukt in Form eines Bandes gelingen musste. Die hierbei besonders hohe

technische Herausforderung liegt darin, die Faservorlage von wirren, recycelten Carbonfasern

in eine parallelisierte, faservereinzelte Bandform zu bringen. Die Querkraftempfindlichkeit der

Carbonfaser stellt dabei das größte Problem dar.

Die Überführung von recycelten Carbonfasern in ein Spinnfasergarn stellt im Gegensatz zu

gegenwärtigen Recyclingmethoden für Produktionsabfälle und CFK-Bauteile ein Upcycling

dar, das Produkt aus recyceltem Material erhält somit einen höheren Wert. Daraus ergeben sich

völlig neue Vermarktungsmöglichkeiten.

Als Kooperationspartner und Dienstleister stand uns das ITV Denkendorf mit der Einrichtung

eines Versuchsraumes und der Hilfe bei der Realisierung der Versuche zur Seite. Die von der

SGL Group zur Verfügung gestellten recycelten Carbonfasern wurden umfassenden Prüfungen

unterzogen. Verschiedene Ansätze zur Bandherstellung mit 100% recycelten Carbonfasern und

in Mischung mit Polyamidfasern wurden unternommen. In den durchgeführten Tests konnte

nachgewiesen werden, dass die Bandherstellung realisierbar ist, erste Gehversuche in der

Weiterverarbeitung zu einem Garn zeigten ebenfalls Erfolge.

Das positive Ergebnis dieses Projekts ermöglicht als nächste Entwicklungsstufe ein

Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern sowie die Prüfung von Materialkennwerten neuer

Produkte aus diesen Garnen.

Dieses Entwicklungsprojekt wurde gefördert unter dem Aktenzeichen 29910 von der Deutschen

Bundesstiftung Umwelt.

2


2 Einleitung

Carbonfasern - Kein Werkstoff bietet bessere Materialeigenschaften für den extremen

Leichtbau. Auf Grund der hoch anisotropen Struktur sind die Carbonfasern durch

herausragende mechanische Eigenschaften bei geringer Dichte sowie durch eine sehr hohe

Steifigkeit und Festigkeit in Faserachsrichtung gekennzeichnet und finden deshalb vor allem im

Verbundwerkstoffsektor Anwendung.

Seit dem Einsatz von Kohlefäden aus verkohlten Pflanzenfasern (v.a. Bambus) als Glühmaterial

in den frühen Glühlampenkonstruktionen von Thomas Alva Edison Ende des 19. Jahrhunderts

ist viel Zeit vergangen. Nach der Erfindung von Metallwendeln aus zunächst Osmium, dann

Tantal und schließlich Wolfram sank das Interesse an Kohlefäden. In den 1940er Jahren wurden

erstmals in den USA Glasfasern zur Lagefixierung in Harz eingebettet. Aber erst in den 1950er

Jahren griff man vermehrt auf die Kohlenstofffaser zurück, Grund war die Forderung der

Luftfahrtindustrie nach festen und gleichsam leichten Bauweisen.

Im Flugzeugbau ist die Verwendung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK)

heutzutage schon zur Normalität geworden. Auch in der Formel 1 überzeugt die

Crashsicherheit von Faserverbundwerkstoffen mit Carbonfasern bereits seit 30 Jahren. In der

gängigen Pkw-Produktion nehmen Leichtbau-Konzepte inzwischen rasant an Fahrt auf.

Aktuelles Beispiel sind die BMW i Modelle, deren Fahrgastzellen vollständig aus

carbonfaserverstärktem Kunststoff bestehen um das Mehrgewicht der elektrischen Batterie

auszugleichen. Bei gleichzeitig hochfesten, crashsicheren Materialeigenschaften erweisen sich

Carbonfaser-Verbundwerkstoffe als um 50 % leichter als Stahl und rund 30 % leichter im

Vergleich zu Aluminium. Für die weltweit angestrebte Elektromobilität ist die potenzielle

Gewichtsersparnis von erheblicher Bedeutung, denn pro 100 kg eingespartem

Automobilgewicht könnten etwa 0,3 l/100 km Äquivalent Treibstoff eingespart und damit die

begrenzte Reichweite der heute verfügbaren Batteriesysteme deutlich erhöht werden. Weitere

Einsatzmöglichkeiten von Carbonfasern und CFK finden sich im Maschinenbau,

Sportgerätebau, als Bewehrungsmaterial im Textilbeton, als leitende Elemente in Bauteilen oder

in Schutzkleidung mit überwachenden Funktionen. Des Weiteren können die Carbonfasern in

Form von Filzen als thermisches Isoliermaterial für hohe Betriebstemperaturen oder als

Packungsschnüre für temperaturbeständige und korrosionsfeste Wellendichtungen sowie als

Vliesstoffe für Brennstoffzellen Verwendung finden.

Wegen des Eigenschaftsspektrums und des vorhandenen Potenzials für verschiedene

Wirtschaftszweige ist die Produktion von Carbonfasern stetig angestiegen. Die weltweite

Gesamtkapazität betrug im Jahr 2013 ca. 50.000 Tonnen. Bis 2020 wird hier eine Ausweitung der

Produktions- und Verarbeitungskapazitäten auf 130.000 t erwartet. Der Hauptanteil der

produzierten Menge an Carbonfasern (>97 %) wird zu Verbundmaterialien aller Art

verarbeitet, deshalb entwickelt sich der Carbon-Composites-Markt parallel zum CF-Markt. Die

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Tonnage fällt naturgemäß aufgrund des Matrixanteiles bei CFK deutlich höher aus. Analysten

schätzen den CFK-Markt nach wie vor als einen soliden Markt mit hohem Wachstumspotential

ein. Man geht von mindestens 13 %, Optimisten von ca. 17 % jährlichem Wachstum aus. 2012

wurden ca. 65.000 t CFK-Materialien in den diversen Marktsegmenten abgesetzt.

Technisch hochentwickelte Carbonfasern werden heute als Endlosfasergarn (gebündelte

Filamente = Roving) auf dem Markt angeboten. Einzelnen Unternehmen ist es trotz der

schweren Verarbeitbarkeit und hohen Querkraftempfindlichkeit von Carbonfasern bereits

gelungen, ein Stapelfasergarn aus geschnittenen Rovings zu erspinnen. Carbonstapelfasern

gewisser Längen lassen sich aber auch aus Verschnittabfällen, die während der Herstellung von

CFK anfallen oder beim Recycling von End-of-Life-Bauteilen wiederaufbereitet werden,

gewinnen. Die Carbonfasern liegen hierbei aber im Gegensatz zu Stapelfasern aus

geschnittenem Roving in wirrer Form vor. Für eine Verarbeitung von Fasern zu einem Garn

müssen diese zwingend parallel zueinander angeordnet sein. Bisher ist es noch keinem

Unternehmen gelungen, ein Spinnfasergarn aus recyceltem Carbon zu spinnen. Dieser

Herausforderung möchte sich die Gebrüder Otto GmbH & Co. KG in Zusammenarbeit mit dem

ITV Denkendorf stellen. Der Kilopreis für recycelte Fasern liegt bei ca. 3,00 €/kg im Gegensatz

zu mind. 16,00 €/kg für einen Neu-Roving. Um mit Neufasern konkurrieren zu können, dürfen

die Kosten aus recycelter Faser plus Aufbereitung nicht höher als 10 €/kg liegen. Angesichts

heutiger Fertigungskosten von 2,00 €/kg bei einem Garn aus 100% Baumwolle in der Spinnerei

OTTO scheint dies durchaus im Bereich des Machbaren zu sein.

Ein Spinnfasergarn aus recyceltem Carbon ist nicht nur aus Gründen der Kostensenkung für

neue Carbonfasern positiv zu bewerten – vor allem der Umwelt bringt es großen Nutzen.

Carbon ist biologisch nicht abbaubar, was die Frage nach einem geeigneten Recyclingverfahren

aufwirft. Die Herstellung von Carbon verursacht eine beträchtliche CO2-Belastung, die nötigen

Energieaufwendungen sind immens. Umso wichtiger ist es Möglichkeiten einer hochwertigen

Wiederverwendung zu entwickeln. Indem die recycelten Carbonfasern zu einem

Spinnfasergarn weiterverarbeitet werden, können diese dem Wertschöpfungsprozess wieder

zugeführt werden. Das Spinnfasergarn könnte dann wie das Primärfasergarn z.B. für die

Herstellung textiler Halbzeuge genutzt werden. Spinnfasergarne besitzen darüber hinaus

andere interessante Eigenschaften als Filamentgarne, z.B. eine bessere Drapierbarkeit. In

Mischung mit synthetischen Fasern, deren Ausgangsmaterial auch als Matrix in FVW

Verwendung finden, ließen sich anwendungsorientierte Hybridgarne realisieren.

In der ersten Phase des Projektes war beabsichtigt aus den recycelten Carbonfasern ein Band

herzustellen. Im Bereich des Machbaren sollten die Carbonfasern rein und in Mischung mit

einer synthetischen Faser verarbeitet werden. Das Herstellen von Bändern mit parallelisierten

Fasern ist die wichtigste Vorstufe zur Erspinnung eines Garns. Das Gelingen der Projektphase I

ist somit entscheidend für die Realisierung des Projektziels, der Produktion eines

Spinnfasergarnes, das in einer anschließenden Projektphase II verwirklicht werden soll.

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Um erste Versuche zu ermöglichen, galt es, die nötigen Voraussetzungen für dieses Projekt zu

schaffen. Dies betrifft die Beschaffung und die Modifikation von Maschinen, die Auslagerung

sämtlicher Elektronik, die Sicherstellung des richtigen Klimas, die Vorbehandlung der

Carbonfasern, eine angepasste Arbeitskleidung und diverse Sicherheitsvorkehrungen, da das

Risikopotential des elektrisch leitenden Carbonstaubs nicht zu vernachlässigen ist.

Nach der Einrichtung eines entsprechenden Versuchsraumes, dass den nötigen

Sicherheitsvorkehrungen entspricht und den umgesetzten Maßnahmen zum Personenschutz

bestand leider sehr lange das Problem, dass wir keine recycelten Carbonfasern zur Verfügung

gestellt bekommen haben. Dieser Umstand kostete letztendlich so viel Zeit, dass das Projekt um

ein halbes Jahr verlängert werden musste.

Von der SGL Group erhielten wir letztendlich zwei verschiedene Varianten an recycelten

Carbonfasern, die mit thermischen und chemischen Recyclingverfahren aus bereits verharzten

Bauteilen wiedergewonnen wurden. Nach eingehenden Faseruntersuchungen wurde

beschlossen, die recycelten Carbonfasern rein sowie in Mischung mit Polyamid zu einem Band

zu verarbeiten.

Schlussendlich ist es mit den richtigen Maschinenelementen und optimierten Einstellungen

geglückt, Bänder aus 100% recycelten Carbonfasern und in den Mischungen 40/60%

Carbon/Polyamid und 15/85% Carbon/Polyamid zu fertigen. In der verbliebenen Restzeit im

Projekt konnte sogar ein erster Prototyp eines Hybridgarnes ersponnen werden.

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3 Hauptteil

3.1 Grundlagenrecherche Carbon

3.1.1 Herstellung von Carbonfasern

Da für die Herstellung von Carbonfasern durch kontrollierte Pyrolyse an die

Ausgangsmaterialien ausschlaggebende Bedingungen, wie Erspinnbarkeit, Unschmelzbarkeit,

geringer Kohlenstoffverlust während des thermischen Abbaus und leichte Umstrukturierung

des Kohlenstoffgerüstes zur Graphitstruktur sowie Beibehaltung der Faserform, gestellt

werden, stehen vor allem PAN und Peche sowie in geringerem Umfang Viskose als Rohstoffe

zur Verfügung. Die Herstellung von Carbonfaserstoffen beruht im Wesentlichen auf zwei

Methoden, bei denen ähnliche Prozesse zum thermischen Abbau der Ausgangsmaterialien, der

sogenannten Precursor, mit dem Ziel der Realisierung eines sehr hohen Kohlenstoffgehaltes

ablaufen.

Nach der Erspinnung des Precursors folgen die eigenschaftsbestimmenden Verfahrensstufen

Verstreckung, Stabilisierung (Oxidation), Carbonisierung und Graphitierung mit dem Ziel der

maximalen Ausrichtung der synthetisierten Graphitschichten in Faserlängsrichtung zur

Erreichung von extrem hohen mechanischen Eigenschaften. Dabei üben die Qualität der

Precursormaterialien und die ausgewählten Prozesstemperaturen wesentlichen Einfluss auf

extrem hohe Festigkeit bzw. extrem hohen E-Modul aus. Für die weitere Verarbeitung und den

erfolgreichen Einsatz ist eine Oberflächenbehandlung unabdingbar.

Abbildung 1 Schema Carbonfaserherstellung

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3.1.2 Technische Eigenschaften von Carbonfasern

Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über die positiven sowie negativen technischen

Eigenschaften von Carbonfasern:

Positiv Negativ

Höchste spezifische Festigkeit Gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit (nicht gewünscht)

Höchster spezifischer E-Modul Hohe Sprödigkeit

Niedrige Dichte Hohe Querkraftempfindlichkeit

Keine Korrosion Sehr scheuerempfindlich

Keine Materialermüdung Schlecht verarbeitbar

Hoch chemisch beständig Hoher Faserabrieb

Geringe Wärmeausdehnung Energieaufwendige Produktion

Gute Warmfestigkeit Teuer

Keine Feuchteaufnahme

Unmagnetisch

Gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit

Hohe Dauerschwingfestigkeit

Unbrennbar

Tabelle 1 Technische Eigenschaften von Carbonfasern

3.1.3 Vergleich Baumwolle mit Carbon

Um die hohe Divergenz zwischen der Naturfaser Baumwolle und der synthetisch hergestellten

Carbonfaser aufzuzeigen dient untenstehende Tabelle als eine anschauliche Gegenüberstellung

in den wichtigsten Eigenschaften:

Eigenschaft Baumwollfaser Carbonfaser

Querschnitt und Längsbild Nieren- bzw. bohnenförmig, schraubenartig gedreht

Rundlicher Querschnitt mit Längsrillen

Substanz Cellulose 93-98,5 % Kohlenstoff, Rest: H, N, O

Feinheit 1-4 dtex (~14-16 µm) 5-12 µm (~0,9 dtex)

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Länge 10-60 mm Endlos bzw. beliebige Länge

Dichte ρ=1,5-1,54 g/cm³ ρ=1,7-1,9 g/cm³

Stahl: ρ=7,8 g/cm³

Feinheitsfestigkeit (Normalklima)

350-700 N/mm² 2000-5000 N/mm²

Stahl = 1750-2250 N/mm²

Höchstkraftdehnung 6-10 % 0,4-2,0 %

Feuchtigkeitsaufnahme

Bei Т=21°C, φ=65 % Bei Т=24°C, φ=95 %

7-11 %

14-18 %

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Die Carbonfaser ist mit einem Durchmesser von 5-12 µm so fein, dass es schwierig ist, sich diese

vorzustellen. Die REM-Aufnahme eines menschlichen Haares und einer Carbonfaser ver-

deutlicht die hohe Feinheit und veranschaulicht diese am besten.

Abbildung 3 Carbonfaser (6 µm) im Vergleich zu einem menschlichen Haar (50µm)

3.1.4 Komponenten für carbonfaserverstärkte Kunststoffe

Für die Produktion von CFK eignen sich je nach Anwendungsprofil Carbonfasern in folgenden

Formen:

Mahlgut

Kurzfasern

Textile Strukturen

o Bänder

o Gewebe

o Multiaxiale Gelege

Textile Halbzeuge

o Prepregs

o Preforms

Abbildung 4 Komponenten für CFK

9


3.1.5 Grundsätzlicher Aufbau von Faserverbundwerkstoffen

Der Aufbau von Faserverbundwerkstoffen lässt sich anhand folgenden Schemas vereinfacht

darstellen:

Hochleistungs-Verstärkungsfaser

Glas-, Aramid-, Carbon-, Naturfasern

Gewebe, Gestricke, Geflechte, Vliese, Gelege

+

Bettungsmasse (Matrixsysteme)

Duroplast-(Harz)systeme: Epoxid, Vinylester, Plexiglas,…

Thermoplastsysteme: PP, PA, PES, PS, PI,…

Elastomersysteme: Neopren

Metallmatrixsysteme: Al, Mg

Keramiksysteme: Siliciumcarbid

Natursysteme: Lignin

+

Pressen und Aushärten

=

Bauteil

Tabelle 3 Schematischer Aufbau von Faserverbundwerkstoffen

Grundsätzlich bestehen die faserverstärkten Verbundwerkstoffe aus mindestens drei

Komponenten. Die Hochleistungsfasern zeichnen sich durch ihre enorm hohen Zugfestigkeiten

und Elastizitätsmoduln aus und übernehmen deshalb die verstärkende und lasttragende

Funktion eines Faserverbundwerkstoffes. Sie nehmen Zugkräfte auf und übertragen diese. Die

formgebende Matrix ist für die Krafteinleitung in die Faser zuständig und kann zusätzlich

Druckkräfte aufnehmen. Sie fixiert die Verstärkungsfasern in der gewünschten räumlichen

Orientierung, damit der Faserverlauf mit der Kraftflussrichtung im Bauteil übereinstimmt.

Außerdem bietet die Matrix den Fasern Schutz vor mechanischen, chemischen oder

thermischen Einwirkungen und kann gegebenenfalls Faserbrüche überbrücken. Aus den

Grenzflächen von Verstärkungsfaser und Matrix und dem Übergangsbereich dazwischen setzt

sich die Grenzschicht zusammen. Von entscheidender Bedeutung für die Kraftübertragung

zwischen den beiden Komponenten Faser und Matrix sowie dem Wachstum vorhandener Risse

ist neben den mechanischen Eigenschaften

10


der Einzelkomponenten die Haftfestigkeit des Verbundes. Für eine bessere Haftung zwischen

den Fasern und der Matrix können Haftvermittler in die Grenzschicht eingebracht werden.

Zusätzlich können auch Kernsysteme z.B. aus Schaumstoff mit eingebracht werden um die

Biegesteifigkeit des Faserverbundwerkstoffes zu erhöhen.

Abbildung 5 Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes

Als Verstärkung werden vor allem Carbon-, Glas-, Aramid-, oder Naturfasern entweder in

Form von Kurz- oder Endlosfasern eingesetzt, aber auch daraus herstellte textile Strukturen wie

Gewebe, Bänder, Gestricke, Geflechte, Gelege und Vliese.

Je nach Anwendungsfall kommen für die Matrix, in die die Verstärkungstextilien eingebettet

werden, Duroplaste bzw. Harze (z.B. Epoxidharz), Thermoplaste (z.B. Polypropylen),

Elastomere (z.B. Neopren), Keramik (z.B. Siliciumcarbid), Metalle (z.B. Aluminium) oder auch

Natursysteme (Lignin) in Frage.

3.1.6 Produktionsverfahren für FVW

Prinzipiell kann die Herstellung von Faserverbundbauteilen über 2D-, bzw. 3D-Textilien, Fäden

oder Fasern erfolgen. Die Möglichkeiten in der Produktion von FVW sind sehr vielfältig. Die

folgenden Beschreibungen verschiedener Techniken und Verfahren sind jeweils nur

ausgesuchte Beispiele.

3.1.6.1 Nasslaminieren, Vakuumsack und Autoklavtechnik

Im ersten Schritt werden Gelege, Vliese oder Gewebe und Kerne schichtweise in mehreren

Lagen und unterschiedlichen Winkeln in eine Form drapiert. Mit einem Pinsel wird das

duroplastische Harzsystem eingearbeitet und anschließend mit einer Verdichterrolle eventuell

eingeschlossene Luft (Luftblasen stellen einen Materialfehler dar! Mikrorisse) heraus

gewalkt. Durch Schichten mehrerer Laminateinzelschichten entsteht so nach und nach ein

11


definiert laminierter Stapel. Je nach Harzsystem erfolgt die Aushärtung bei Raumtemperatur

oder in einem Ofen. Ist die Vernetzung des duroplastischen Kunststoffes abgeschlossen, so wird

das Produkt durch Entformen und Abfräsen der Kanten in seine endgültige Form gebracht.

Zur Verbesserung der Konsolidierung des Nass-Laminats kann ein Vakuum mittels eines

Vakuumsacks angelegt werden. Dadurch erreicht man eine bessere Entlüftung und

Komprimierung des Laminats und die Gefahr von schädlichen Lufteinschlüssen wird

vermindert.

Zusätzlich kann der komplette Aufbau von Form mit Laminatstapel und Vakuumsack in einen

beheizten Autoklaven gegeben werden. Unter erhöhtem Druck und Vakuum wird für eine

noch bessere Komprimierung und Entlüftung des Laminatstapels gesorgt. Die Autoklav-

Technik wird vor allem für höher belastete, tragende Bauteile, wie sie in der Luft- und

Raumfahrttechnik gebraucht werden, eingesetzt.

3.1.6.2 Prepregs: Vorimprägnierte Halbzeuge

Beispiel: Duroplastische Endlosfaserprepregs

Dabei handelt es sich um UD-Gelege, Geflechte oder Gewebe die mit Duroplastharzmatrices

getränkt wurden. Durch Wärme wird das Harz vorvernetzt und anschließend sofort abgekühlt

und zu einer Rolle aufgewickelt. Die Aushärtung wird durch den Kühlprozess weitgehend

gestoppt, bei -18°C ist ein solches Prepreg (Preimpregnated = Vorimprägniert) ein halbes Jahr

lagerfähig.

Möchte man das Prepreg zu einem Bauteil weiterverarbeiten, so wird dieses entweder manuell

oder mit Robotern in eine beheizte Form gelegt. Durch die Aufheizung verflüssigt sich das Harz

und der Prepreg-Laminat-Stapel kann sich der Form sehr gut anpassen. Auch hier wird für eine

bessere Konsolidierung und somit für hochwertigere Bauteile mit dem Vakuumsackverfahren

und zumeist auch mit Autoklaven gearbeitet. Die beheizte Form lässt das Harz wenig später

aushärten. (Je höher die Temperatur, desto schneller vollzieht sich die Vernetzung.

Abbildung 6 Schema Handlaminierverfahren + Vakuumsack- und Autoklavtechnik

12


Abbildung 7 Herstellungsprinzip duroplastischer Prepregs

3.1.6.3 Injektionsverfahren mit duroplastischer Matrix:

Anders als beim Vakuumsackverfahren werden beim Injektionsverfahren nicht nur eine Form

sondern zweiteilige Formwerkzeuge (Ober- und Unterform) eingesetzt. Trockene 2D- oder 3D-

Textilien werden in die untere Hälfte eingelegt, das Formwerkzeug wird mit der Oberform

geschlossen und anschließend wird das Harz eingespritzt. Ein angebrachtes Vakuum kann das

Durchziehen der Textilien mit dem Harz noch verbessern bzw. beschleunigen. Ein Vorteil zum

Vakuumsackverfahren ist, dass durch die 2 Formhälften auf beiden Seien des Bauteils eine

schöne Oberfläche entsteht.

Beispiel: RTM-Verfahren

Resin Transfer Moulding bedeutet das Formen von Bauteilen mittels Harzinjektion.

Verstärkungstextilien (Gewebe, Multiaxialgelege, Glasfaservliese) werden zugeschnitten, in die

untere Formhälfte gelegt und das Werkzeug wird geschlossen. Das Harz (üblicherweise

ungesättigtes Polyesterharz) wird injiziert und härtet durch das beheizte Werkzeug aus.

Anschließend folgt die Entformung und Kantenbearbeitung mit einer Fräse, Wasserstrahl oder

Laser.

13


Abbildung 8 Prinzip des RTM-Verfahrens

Beispiel: RIM-Verfahren

Reaction Injection Moulding bedeutet das Formen von Bauteilen mit hochreaktiven

Komponenten Polyurethanharzen (Isocyanat und Polyol), die mit sehr hohem Druck in das

Formwerkzeug eingespritzt werden und unmittelbar danach sofort aushärten. Das RIM-

Verfahren wurde entwickelt, da es im Gegensatz zum RTM-Verfahren deutlich schneller ist. Die

Zeit- und damit Kostenersparnis ist vor allem für den Automobilbau von entscheidender

Bedeutung.

Für das RIM-Verfahren gibt es 2 verschiedene Varianten. Bei der S-RIM-Technik (Structural

RIM) werden wie beim RTM-Verfahren Vliese, Gelege oder Gewebe in die Form eingelegt.

Oftmals sind Ober- und Unterform in eine Presse integriert, welches das Verfahren durch

schnelles Schließen und Öffnen der Formen nochmals beschleunigt. Bei der R-RIM-Technik

(Reinforced RIM) werden dem Polyol vor der Injektion kurze Glasfasern zugemischt. Die

Glasfasern dienen anstatt von eingelegten Textilien der Verstärkung der Bauteile.

Die S-RIM-Technik wird für höher belastete, tragende Bauteile und die R-RIM-Technik eher für

niedrig belastete Bauteile verwendet.

3.1.6.4 Direktverarbeitungsverfahren

Die Direktverarbeitungsverfahren sind Techniken, bei denen das Bauteil durch den Prozess

annähernd in seiner vorgesehenen Form entsteht. Eine anschließende Umformung folgt nicht.

14


Beispiel Wickeltechnik

Bei der Wickeltechnik wird ein sich drehender Kern mit einem oder mehreren Fäden

umwickelt. Die Wicklung kann parallel, über Kreuz oder z.B. auch über die Pole an beiden

Enden des Kerns erfolgen.

Abbildung 9 Umfangswicklung und Kreuzwicklung

Dafür werden die Fäden vor der Bewicklung mit Harz getränkt. Möglich ist aber z.B. auch das

Aufwickeln von Prepregs wie Hybridgarnen. Je nach Matrixsystem erfolgt die Aushärtung

durch Wärme (flüssiges Duroplast verfestigt sich) oder durch Abkühlung der vorher durch

Erwärmung verflüssigten Matrix. (aufgeschmolzenes Thermoplast erhärtet unter Abkühlung).

Die Wickeltechnik eignet sich für rotationssymmetrische Formteile und wird z.B. für die

Herstellung von Druckbehältern oder Ölpipelines verwendet.

Abbildung 10 Prinzipskizze einer Wickelanlage und mögliche Wickelformen

15


Beispiel Pultrusion (Strangziehen)

Bei der Pultrusion handelt es sich um eine kontinuierliche Herstelltechnik für

endlosfaserverstärkte Profile, die anschließend auf die gewünschte Länge zugesägt werden

können. Mehrere Rovings oder Textilien (z.B. 3D-Geflechte) werden kontinuierlich durch das

Pultrusionswerkzeug gezogen und härten darin aus. Die Imprägnierung mit einer

Duroplastmatrix kann vor dem Werkzeug stattfinden, direkt ins Werkzeug gespritzt werden

oder man verwendet Prepregs. Bei der Thermoplastpultrusion kommen nur Prepregs wie

Hybridgarne, bzw. Hybridtextilien zum Einsatz. Es ist aber auch eine zusätzliche Injektion einer

Thermoplastschmelze mit einem Extruder in das Werkzeug ist möglich.

Abbildung 11 Standardversion einer Pultrusionsanlage

3.1.7 Vorteile bzw. Motivation für den Einsatz von FVW

Geringe Masse

Hohe spezifische Festigkeit

Hohe spezifische Steifigkeit

Hohe Laufgeschwindigkeit

Laufruhe durch Schwingungsdämpfung

Hohe Dauerfestigkeit + Dämpfungseigenschaften: sehr geringe Materialermüdung

Sehr gute chemische Beständigkeit: gegenüber Säuren, Laugen, Salzwasser…

Leichte Montage und Demontage

Niedrige Wartungskosten

Geringe Stillstandzeiten

Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften: belastungsorientierte Bauteilgestaltung

Kostenreduzierung durch integrale multifunktionale Bauweise mit wenigen Einzelteilen:

mehrere Bauteile mit unterschiedlichen Funktionen zu einem Teil zusammengefasst

16


Hohes gewichtsbezogenes Energieabsorbtionsvermögen

einfache designfreundliche Verarbeitung

Geringe Wärmeausdehnung : Erhaltung der Funktionstüchtigkeit und Präzision

gutes Preis/Leistungsverhältnis bei geringen Stückzahlen (

17


3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse

3.2.1 Maßnahmen für den Personen- und Maschinenschutz

Im Umgang mit einem Material wie Carbon, dass bekanntlich elektrisch leitfähig und äußerst

spröde ist gilt es gewisse Maßnahmen zu treffen um Gefahren für die Humangesundheit

auszuschließen und den Schutz von Maschinen zu gewährleisten.

3.2.1.1 Personenschutz am ITV

Aufgrund der aktuell sehr kontroversen Berichterstattung in den Medien über die Risiken von

Carbonfasern, insbesondere der Carbonfaserstäube sowie der nach wie vor strittigen Frage ob

bei der Verarbeitung von Carbonfasern so genannte WHO-Partikel (lungengängige Partikel die

eine kanzerogene Wirkung zeigen) entstehen. Vorallem bei der mechanischen Bearbeitung

durch die Krempel, wird seitens des ITV ein Höchstmaß an Vorsicht geboten. Zum Schutz der

Mitarbeiter kommen Einweghandschuhe, ein Einmalschutzanzug sowie ein

Überdruckatemsystem, das den Mitarbeiter mit gefilterter Druckluft aus dem

Druckluftnetzwerk versorgt, zum Einsatz.

Abbildung 13 Sicherheitsmaßnahmen für den Gesundheitsschutz

3.2.1.2 Maschinenschutz am ITV

Sofern es möglich ist, werden alle elektrischen Komponenten aufgrund der elektrischen

Leitfähigkeit der Carbonfasern in der Schutzklasse IP 65 ausgeführt. Bei Maschinen wird darauf

geachtet, so wenig elektrische Komponenten als möglich einzusetzen.

Zudem ist darauf zu achten, dass die Maschinen für die Mitarbeiter im Schutzanzug bedienbar

und im Notfall jederzeit abschaltbar sind.

18


3.2.2 Untersuchung und Prüfung der Faserrohstoffe

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und der eletrischen Leitfähigkeit der Carbonfaser ist es

nicht möglich, diese mit in der Textilindustrie gängigen Prüfgeräten zu untersuchen. Lediglich

die Prüfung der feinheitsabhängigen Einzelfaserfestigkeit, die eine der wichtigsten

Qualitätskontrolltestmethoden darstellt, ist auf speziell dafür entwickelten Prüfgeräten

möglich. Für die Bestimmung weiterer Fasereigenschaften muss man zum Teil auf eher

unkonventionelle Methoden zurückgreifen.

3.2.2.1 Eingesetzte Fasern

Für die Versuche zur Herstellung eines Bandes wurden uns von der SGL Group zwei recycelte

Carbonfaser-Varianten zur Verfügung gestellt. Bei den beiden Varianten handelt es sich um aus

CFK mittels thermischer und chemischer Entharzung wiedergewonnene Carbonfasern. Zur

Vereinfachung wurden die Varianten als „Variante A“ = thermische Entharzung und „Variante

B „= chemische Entharzung bezeichnet.

Bei den in diesem Vorhaben verwendeten Polyamid 6-Fasern handelt es sich um Fasern der

Firma Barnet mit einer Faserfeinheit von 1,7 dtex und einer Faserlänge von 40 mm.

3.2.2.2 Einzelfaserlängenbestimmung

Die Prüfung der Carboneinzelfaserlänge wird im Normklima durchgeführt, d.h. 20 ± 2 °C und

65 ± 4 % relative Luftfeuchtigkeit.

Bei Carbonfasern erfolgt die Einzelfaserlängenmessung mit dem Zwei-Pinzetten-Verfahren. Die

Basis für diese Messmethode bilden die Norm DIN 53803 „Probennahme“ und die Norm DIN

53808-1 „Längenbestimmung an Spinnfasern“. Eine Auswertung der Längenmessung erfolgt

anhand der Normen DIN 53804-1 und DIN 53805:1980-10.

Zur Messung der Einzelfaserlänge werden die zu untersuchenden Carbonfasern auf einem

dunkeln Stoff unter einer Lupe ausgelegt. Mit einer Pinzette wird eine Faser an einem Ende aus

der Faseransammlung gezogen. Mit der zweiten Pinzette wird am anderen Ende der Faser eine

Spannung aufgebracht, so dass die Faser ohne Kräuselung vorliegt. Die gestreckte Faser wird

mit einem Lineal gemessen. Abweichend von der Norm wird jede und nicht jede 10. Faser

vermessen, da bei Carbonfasern der Aufwand zur Faservereinzelung ohne diese zu schädigen

sehr hoch ist.

Das Ergebnis der Einzelfaserlängenmessung ergibt eine Verteilung der Carbonfaserlänge.

In Abbildung 14 ist zu erkennen, dass es sich bei der Faserlängenverteilung nicht immer um

eine Normalverteilung handelt. Aus diesem Grund können die üblichen Statistikkennwerte wie

Varianz und Standardabweichung nur begrenzt verwendet werden.

19


Zur Beurteilung der Einzelfaserlänge wird zum einen der Medianwert, dieser ist nicht so

anfällig auf Ausreißer wie der Mittelwert, zum anderen das Quartil 1 (0,25-Quartil) und das

Quartil 3 (0,75- Quartil) verwendet. Die Quartile geben an, in welchem Faserlängenbereich 25 %

bzw. 75 % der Fasern liegen.

3.2.2.2.1 Messergebnisse Carbon-Variante A

Anzahl Werte 150

Mittelwert 43,7 mm

Min-Wert 3,0 mm

Max-Wert 112,0 mm

Median 38,5 mm

Quartil 1 (25%-Quartil) 23,0 mm


Quartilsabstand (75%-25%) 39,0 mm

Tabelle 4 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante A

Abbildung 14 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A

20


Abbildung 15 Summenhäufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante A

3.2.2.2.2 Messergebnisse Carbon-Variante B

Anzahl Werte 150

Mittelwert 40,1 mm

Min-Wert 2,0 mm

Max-Wert 115,0 mm

Median 38,0 mm



Quartilsabstand (75%-25%) 23,75 mm

Tabelle 5 Messergebnisse Einzelfaserlängenbestimmung Carbon-Variante B

21


Abbildung 16 Relative Häufigkeit Einzelfaserlängenmessung Carbon-Variante B

Abbildung 17 Summenhäufigkeit Einzelfasermessung Carbon-Variante B

22


3.2.2.3 Einzelfaserfestigkeitsprüfung

Die Messung der Einzelfaserfestigkeit erfolgt mit Hilfe des Favimat der Firma TexTechno in

Anlehnung an die DIN53816. Zur Messung der Einzelfaserfestigkeit muss mit Hilfe einer

Pinzette eine Carbonfaser isoliert und vorgespannt in eine Klemme eingespannt werden

(Einspannlänge 20 mm). Je nach Ausführung des Favimat können mehrere Fasern

nebeneinander eingespannt vorgelegt werden, die im Prüfzyklus automatisch in die Prüfzone

transportiert und vermessen werden.

Zur Bestimmtung der Einzelfaserfestigkeit wird jede zur Prüfung eingespannte Faser bis zum

Versagen der Faser belastet und die dazu notwendige Kraft erfasst. Die Prüfgeschwindigkeit

beträgt 1 mm/min.

3.2.2.3.1 Messergebnisse Carbon-Variante A

Abbildung 18 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A

23


Abbildung 19 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante A

24


3.2.2.3.2 Messergebnisse Carbon-Variante B

Abbildung 20 Ausschnitt Prüfprotokoll Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B

25


Abbildung 21 KD-Diagramm Einzelfaserfestigkeitsprüfung Carbon-Variante B

3.2.2.4 Schliffbilder – Faserquerschnittsbetrachtung

Ein Schliffbild ermöglicht die optische Beurteilung z. B. der Faserquerschnitte. Auch

Längsschnitte können auf ein sehr kurzes Stück beschränkt, betrachtet werden.

Zur Herstellung eines Schliffbildes wird der zu untersuchende Prüfkörper, entsprechend der zu

untersuchenden Schnittfläche, in eine Kunststoffmatrix (Kunstharz) eingebettet. Die

Kunststoffmatrix bildet einen Zylinder um den Prüfkörper und durchdringt dessen Strukturen

im Normalfall vollständig sodass jede Faser von der Kunststoffmatrix umschlossen wird.

Sobald die Kunststoffmatrix ausgehärtet ist, kann der entstandene Zylinder geschnitten und die

Schnittfläche poliert werden. Die durch die Politur entstehende Schliffoberfläche wird

abschließend unter dem Makro- oder dem Mikroskop betrachtet.

Das für dieses Vorhaben verwendete Mikroskop ist von der Firma Olympus Typ BX51 mit

einem Kameramodul von Olympus Typ UC30.

26


Abbildung 22 Makroskopaufnahme Carbon-Variante A, 20-fache Vergrößerung



27


Abbildung 25 Makroskopaufnahme Carbon-Variante B, 20-fache Vergrößerung



28


3.2.2.5 REM-Aufnahmen der Fasern

Zur genauen Betrachtung von z. B. der Oberflächenstruktur von Fasern ist die Auflösung eines

Mikroskopes zu gering. In diesem Fall kann mit Hilfe eines Raster-Elektronen-Mikroskops

(REM) eine deutlich höhere Auflösung (bis zu 10 nm in Zeilenrichtung [Quelle : Wikipedia])

erzielt werden.

Bevor die Proben unter dem REM betrachtet werden können, müssen diese auf einem

Probenteller prepariert werden und mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (für die

Untersuchungen dieses Vorhabens Gold) besputtert werden. Zum besputtern der Proben

kommt am ITV ein Balzers Union SCD40 zum Einsatz.

Das für dieses Vorhaben verwendete REM ist von der Firma Zeiss Typ Digital Scanning

Microscope (DSM) 950.

Die Bilder des REM wurden mit Hilfe einer fest installierten digitalen Spiegelreflexkamera EOS

300D abfotografiert und gespeichert.

Abbildung 28 REM-Aufnahme Carbon-Variante A, 200-fache Vergrößerung


29



Abbildung 31 REM-Aufnahme Carbon-Variante B, 200-fache Vergrößerung


30



31


3.2.2.6 Vorversuche am ITV zur Bandherstellung aus recycelten Carbonfasern

Im Rahmen der Vorversuche am ITV Denkendorf wurden die prinzipiellen Möglichkeiten der

Bandherstellung aus recycelten Carbonfasern untersucht.

Hierzu wurden in einem ersten Schritt Versuche an einem MDTA (Micro Dust and Trash

Analyser) durchgeführt. Bei einem MDTA handelt es sich prinzipiell um ein Prüfgerät mit dem

der Schmutzanteil z. B. einer Baumwollcharge ermittelt werden kann. Über die im MDTA

verbaute Auflöseeinheit werden wie bei einer Karde oder Krempel die vorgelegten Fasern

vereinzelt und dabei der Schmutz ausgeschieden. Die vereinzelten Fasern werden in einem

Rotorring abgelegt und können nach Ausschalten der Maschine aus diesem in Bandform

entnommen werden. Das erzeugte Band liegt als Ring vor, mit einer Länge, die dem

Durchmesser des Rotors entspricht. Diese Möglichkeit relativ schnell ein Band zu erzeugen

wurde für die Vorversuche verwendet.

Mit Hilfe der Vorversuche konnte die Verarbeitbarkeit der Carbonfasern überprüft werden. Die

Versuche zeigten eine deutliche Schädigung der Carbonfasern mit jedem Durchlauf durch den

MDTA. Zudem zeigte sich, dass sich unterschiedliche Carbonfasern unterschiedlich gut

auflösen lassen (Abbildung 34, Abbildung 35).

Abbildung 34: Gut aufgelöste Fasern

Abbildung 35: Nicht vereinzelte Faserbündel

3.2.2.7 Modifikation einer Laborkrempel

Eine Krempel ist ein System von Walzen verschiedener Durchmesser, die mit unterschiedlichen

Garnituren (feine Draht- oder Nadelspitzen) besetzt sind, um Fasern aus einer Wirrlage in eine

ausgerichtete Struktur zu überführen.

Die der Krempel vorgelegten Faserflocken werden mit Hilfe der Einzugswalzen über den

Vorreißer dem Tambour zugeführt. Die Aufgabe der Einzugswalzen ist es, das Fasermaterial

32


zurückzuhalten, damit der Vorreißer keine Faserbatzen unkontrolliert aus der Faservorlage

reißen kann. Der Vorreißer öffnet das Fasermaterial und übergibt es an den Tambour. Der

Tambour ist die größte Walze einer Krempel. Er transportiert die Fasern vom Einzug zum

Abnehmer. Um den Tambour sind die Arbeitsstellen angeordnet. Sie bestehen aus Arbeiter-

und Wenderwalzen. An diesen Arbeitsstellen werden die Faserflocken bis zur Einzelfaser

aufgelöst und parallelisiert. Am Ende der Arbeiter/Wender-Zone folgt die Faserübergabe an

den Abnehmer. An dieser Stelle streift der schneller laufende Tambour seine Fasern in die

Abnehmergarnitur ab. Die Fasern auf dem Abnehmer müssen entweder von einer weiteren

Abnehmerwalze abgenommen oder mit Hilfe eines Hackers (schwingender Metallkamm) von

der Abnehmergarnitur abgelöst werden.

Nach der Abnahme vom Abnehmer erfolgt bei industriellen Krempeln im Normalfall die

Bandbildung und Bandablage über einen Kannenstock.

Ursprünglich wurde die Krempel zur Verarbeitung von Wolle eingesetzt. Wollfasern haben

eine geringe Festigkeit und sind schon immer ein teurer Rohstoff. Aus diesen Gründen ist eine

möglichst schonende Verarbeitung, ohne große Faserverluste notwendig.

Heutzutage kommt die Krempel meistens im Langstapelbereich oder bei sehr empfindlichen

Fasern wie z. B. Carbon zum Einsatz.

Die für dieses Vorhaben eingesetzte Musterkrempel des ITV wurde 1965 von der Firma

Memminger gebaut und 2012 im Rahmen einer Studienarbeit am ITV mit einem Bandabzug

nachgerüstet. Sie besitzt einen Tambour mit 520 mm Durchmesser und einer Arbeitsbreite von

300 mm. Die Abnahme der Fasern vom Abnehmer erfolgt mittels eines Hackers.

Alle nachfolgenden Daten und Einstellungen wurden über mehrere Studienarbeiten hinweg als

praktikabel nachgewiesen.

Die Krempel wird aktuell diskontinuierlich betrieben und pro Faserband eine Fasermasse von

70 g (das entspricht einem Flächengewicht von 172 g/m²) vorgelegt. Diese Vorlagemasse wird

durch die Musterkrempel begrenzt und ist unter Verwendung einer anderen Krempel und

einer kontinuierlichen Prozessführung neu zu betrachten.

Aufgrund der Tatsache, dass an der Musterkrempel der in der vorhergehenden Beschreibung

einer Krempel erwähnte Vorreißer fehlt, müssen die Polyamid- und Carbonfasern von Hand

vorgeöffnet werden (siehe Abbildung 36).

Die Krempel ist mit einer Ganzstahlgarnitur der Firma Graf ausgestattet, die von der Firma

Graf in Anlehnung an eine Glasfaserverarbeitung (bezüglich der Zahnform und der Spitzen pro

cm) ausgewählt wurde.

Zur Bandherstellung in diesem Vorhaben wurden ausgehend von bisherigen Erfahrungen die

Folgenden Walzenabstände gewählt:

33


- Der Abstand zwischen den Arbeitern und dem Tambour verringert sich in

Maschinenlaufrichtung mit jedem Arbeiter um 0,1 mm. Der erste Arbeiter hat

einen Abstand zum Tambour von 0,5 mm. Insgesamt gibt es drei

Arbeiter/Wender-Paare auf dem Tambour.

- Die Wender haben einen Abstand zum Tambour von 0,5 mm.

- Der Abnehmer hat einen Abstand zu Tambour von 0,2 mm.

Die Krempel wird von einem Zentralmotor (380 V, 2,2 kW, 1420 U/min) angetrieben, der über

Ketten-, Riemen- und Zahnradübersetzungen alle Walzen der Krempel antreibt. Der 2012

nachgerüstete Bandabzug wird über einen zusätzlichen Motor (380 V, 0,09 kW, 1380 U/min)

angetrieben.

Die gesamte Steuerungselektronik befindet sich in einem staubdicht abgeschlossenen

Schaltkasten an der Musterkrempel.

Die beiden Elektromotoren der Musterkrempel wurden mit Filtern versehen, um ein

Eindringen von Carbonfaserstaub in die Motoren zu verhindern.

Abbildung 36 Modifizierte Laborkrempel mit Faservorlage

3.2.3 Bandherstellung

Ein Versuchsdurchlauf zur Bandherstellung beinhaltet immer zwei Krempeldurchgänge pro

Faservorlage. Das ist das Ergebnis von Vorversuchen am ITV die im Rahmen mehrerer

Studienarbeiten ermittelt wurden.

Im ersten Durchlauf wird das von der Krempel ausgegebene Faserflor auf der Holzwalze zu

einem Vlies aufdoubliert und durch die Kalanderwalze verfestigt (Abbildung 37).

Der zweite Durchlauf, bei dem das Vlies aus dem ersten Durchlauf vorgelegt wird, ist

notwendig um eine homogene Mischung von Carbon- und Polyamidfasern zu erzielen. Beim

zweiten Durchlauf wird das Faserflor nicht auf die Holztrommel gelegt sondern über den

Bandabzug abgezogen (Abbildung 38).

34


Der Bandabzug besteht aus zwei gummierten Stahlwalzen, die das Faserband durch einen

Bandtrichter einer Nadelstabstrecke mit 5 mm Durchmesser abziehen. Die untere Walze wird

von dem zuvor beschriebenen zweiten Motor angetrieben, währen die obere Walze vertikal frei

beweglich auf der unteren Walze aufliegt und durch ihr Eigengewicht die notwendige

Presskraft zum Abzug des Bandes aufbringt. Vom Hacker bis zum Bandtrichter werden die

Fasern mit Hilfe eines Faserleitbleches geführt (Abbildung 38).

Aufgrund der Tatsache, dass der Massenstrom am Auslauf der Krempel, bedingt durch das

Speißen der leeren Krempel am Anfang und dem Leerlaufen am Ende des Versuchs, über die

Dauer der Bandherstellung nicht konstant ist, muss die Abzugsgeschwindigkeit über das

Stellrad am Getriebe der Abzugswalzen angepasst werden. Im Mittel liegt die

Abzugsgeschwindigkeit bei etwa 5 m/min.

Abbildung 37 1. Krempeldurchlauf, Vliesbildung auf der Holztrommel (links) Abbildung 38 2. Krempeldurchlauf und Bandbildung (rechts)

3.2.3.1 Versuchsdurchführung

Die Versuchsdurchführung für alle Versuche zur Bandherstellung in diesem Vorhaben wurde

im Detail wie folgt ausgeführt:

- Carbon- und Polyamidfasern abwiegen (Gesamtvorlagemasse 70 g).

- Das Fasergemisch aus Carbon- und Polyamidfasern gleichmäßig auf dem Einzugstisch

verteilen. Dazu die Carbon- und Polyamidfasern von Hand öffnen.

- Die Kalanderwalze auf die Holzwalze setzen.

- Nach dem Start der Krempel die ersten vom Hacker abgelösten Fasern auf die

Holzwalze führen.

35


- Krempel stoppen sobald die Arbeiter und Wender leer gelaufen sind.

- Das Vlies von der Holzwalze vollständig ablösen.

- Das Faserleitblech in den Zwischenraum zwischen Holzwalze und Abnehmer

einbauen.

- Kalanderwalze als Presswalze auf die angetriebene Abzugswalze legen.

- Das Vlies der Krempel auf dem Einzug vorlegen (Abbildung 39).

- Die Krempel anlaufen lassen bis ausreichend Flor zur Verfügung steht, um es durch

den Bandtrichter und über die Abzugswalze zu führen.

- Die Krempel und kurze Zeit später den Faserbandabzug starten.

- Den Faserbandabzug stoppen sobald kein Faserband mehr erzeugt werden kann. Die

Krempel stoppen wenn die Arbeiter und Wender leer gelaufen sind.

- Das Faserband in eine Kunststofftüte in eine verschließbare Box ablegen.

Abbildung 39 2. Krempeldurchgang, Vorlage eines C/PA-Vlies aus dem 1. Durchgang

3.2.3.2 Band aus Fasermischung Carbon 15% / Polyamid 85%

Zur Untersuchung der Carbonfaservarianten A und B wurde zunächst ein Mischungsverhältnis

von Carbon- und Matrixfasern gewählt, bei dem nur ein geringer Carbonfaseranteil (15 Vol.-%)

enthalten ist. Solch geringe Carbonfaseranteile könnten z. B. zur Erzeugung elektrisch

leitfähiger Garne verwendet werden. Bei lasttragenden Bauteile wird der geringe Anteil von

Verstärkungsfasern nicht zum Einsatz kommen.

Zur Realisierung des Mischungsverhältnis von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid 6

wurden bei einer Gesamtvorlage von 70 g (siehe Kapitel 3.2.2.7) ca. 15,3 g Carbon und 54,7 g

Polyamid vorgelegt. Das entspricht einer Gewichtsverteilung von 22 Gew.-% Carbon und

78 Gew.-% Polyamid.

Die Herstellung des Bandes erfolgt analog der im vorhergehenden Kapitel 3.2.3.1 beschriebenen

Vorgehensweise.

36


Aufgrund des hohen Anteils an Matrixfasern, die gleichzeitig als Trägerfasern dienen und eine

gute Laufstabilität ermöglichen, traten bei der Verarbeitung keine Probleme auf.

Die problemlose Verarbeitung dieser Fasermischung bestätigen zum einen der geringe

Faserverlust von in etwa 5 % und zum anderen eine Carboneinzelfaserlänge die der Faserlänge

im Ausgangsmaterial entspricht (Tabelle 6).

Während der Versuche ermittelte Kenngrößen:

Faserverlust im Krempelprozess

Carboneinzelfaserlänge

Carbon-Variante A 2,43 g -

Carbon-Variante B 3,89 g 38 mm

Tabelle 6 Messergebnisse Fasermischung C/PA 15/85

3.2.3.3 Band aus Fasermischung Carbon 40% / Polyamid 60%

Im zweiten Schritt wurden analog der Faserbandherstellung mit einem Mischungsverhältnis

von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid Faserbänder mit einem Volumengehalt von

40 Vol.-% Carbon und 60 Vol.-% Polyamid hersgestellt.

Ein solches Mischungsverhältnis könnte für typische Faserverbundbauteile eingesetzt werden.

Zur Realisierung des Mischungsverhältnis von 40 Vol.-% Carbon und 60 Vol.-% Polyamid 6

wurden bei einer Gesamtvorlage von 70 g (siehe Kapitel 3.2.2.7) ca. 35,9 g Carbon und 34,1 g

Polyamid vorgelegt. Das entspricht einer Gewichtsverteilung von 51 Gew.-% Carbon und

49 Gew.-% Polyamid.

Während der Versuche, insbesondere bei der ersten Krempelpassage, bei der der Krempel die

von Hand geöffnete und durchmischte Fasermasse vorgelegt wird, kam es zur Wickelbildung.

Die Wickel konnten nur durch das Anhalten der Krempel und ein Öffnen der

Faseransammlung mit Hilfe eines Messers entfernt werden.

Als Grund für die Wickelbildung wird die hohe Anzahl an Fasern gesehen, die sich in einem

Carbonfaserbündel befinden. Wird dieses Bündel in der Vorbereitung nicht vollständig

aufgelöst kann es sein, dass pro Zeiteinheit zu viele Fasern auf die Garnitur gelangen und

dadurch nicht mehr alle Fasern definiert durch die Krempel transportiert werden können.

Ein weiterer Grund für die Wickelbildung kann sein, dass mit zunehmendem Carbonanteil in

der Fasermischung, die Anzahl der Matrixfasern die aufgrund ihrer Kräuselung als Trägerfaser

dienen, relativ zur Anzal der Carbonfasern abnimmt. Dadurch verhält sich die gesamte

Fasermischung anders. Es fehlen die vernetzenden und damit einen Zusammenhalt

37


erzeugenden Polyamidfasern, wodurch es zum erhöhten Faserverlust und zum Wickeln

kommt, da die Übergabe von einer Garnitur auf die andere nicht immer funktioniert.

Der Faserverlust besteht zum größten Teil aus Carbonfasern. Besonders anschaulich wird der

Faserverlust bei der Verarbeitung von 100°% Carbon (Abbildung 40).

Um die Wickelproblematik zu lösen wurde darauf geachtet, in der ersten Vorlage von Hand

alle Carbonfaserbündel so weit wie möglich aufzulösen und die aufgelösten Carbonfasern so

gut wie möglich mit den Polyamidfasern zu mischen. Eine gleichmäßige Vorlage über den

gesamten Einzug war ebenfalls entscheidend.

Während der Versuche ermittelte Kenngrößen:



Carbon-Variante A 7,92 g -


Tabelle 7 Messergebnisse Fasermischung C/PA 40/60

Für beide Carbonfaservarianten ergab sich ein Bandgewicht von ca. 3,0 g/m.

Die Messergebnisse unterstreichen, verglichen zu den Daten bei einem Mischungsverhältnis

von 15 Vol.-% Carbon und 85 Vol.-% Polyamid, die zuvor angesprochene Problematik des

höheren Faserverlusts und zeigen zudem eine erhöhte Belastung der Carbonfasern, die sich in

einer kürzeren Faserlänge wiederspiegelt.

3.2.3.4 Band aus 100% Carbon

Als letzten Arbeitspunkt wurde die Faserbandherstellung aus 100 % Carbonfasern untersucht.

Die Bandherstellung erfolgte analog der in Kapitel 3.2.3.1 Versuchsdurchführung mit einer

Vorlagemasse von 70 g Carbonfasern.

Aufgrund des Fehlens von Trägerfasern, die aufgrund ihrer Kräuselung und Dehnbarkeit zu

einem vernetzen der Fasern untereinander führen, konnte ein Faserband nur unter einem

enormen Faserverlust von durchschnittlich 35 % (Tabelle 8, Abbildung 40) und unter einer

relativ hohen Belastung der Carbonfasern erzeugt werden. Dennoch war es möglich ein

Faserband herzustellen (Abbildung 41).

Neben dem sehr starken Faserflug wird die fehlende Bandhaftung als sehr kritisch gesehen um

das Fasermaterial in weiterführenden Prozessen, wie z. B. dem Spinnen zu einem Garn zu

verarbeiten.

38


Abbildung 40 Carbonfaserflug und Ablagerungen an Maschinenteilen

Abbildung 41 100 % Carbonfaserband



Carbon-Variante A 27,80 g 28 mm


Tabelle 8 Messergebnisse 100 % Carbonfasern

Für beide Carbonfaservarianten ergab sich ein Bandgewicht von ca. 2,7 g/m.

Mögliche Lösungen zur Reduzierung des Faserverlustes sind wie bei industriellen Krempeln

übliche Absaugungen an den Arbeitsstellen, die das abgesaugte Fasermaterial der Krempel am

Materialeinlauf erneut zuführen. Ob es sinnvoll ist, die durch den Krempelprozess bereits

39


eingekürzten Fasern erneut vorzulegen oder ob diese in anderen Prozessen, z. B. eine

Nassvliesverfahren nicht besser weiterverwendet werden können gilt es zu prüfen.

Eine weitere mögliche Lösung wäre einen vertretbaren prozentualen Anteil an Trägerfasern

beizumischen um die Laufstabilität zu erhöhen und Fasereinbindungspunkte für die glatten

Carbonfasern zu schaffen. Wie hoch der prozentuale Anteil an Trägerfasern sein muss sollte

ebenfalls überprüft werden.

Vergleicht man die Carboneinzelfaserlänge von Carbon-Variante B bei der Verarbeitung von

100 % Carbon mit der Carboneinzelfaserlänge bei der Verarbeitung von 40 Vol.-% Carbon

gemischt mit 60 Vol.-% PA, zeigt sich eine längere Einzelfaserlänge bei der Verarbeitung von

100 % Carbon (Tabelle 7 und Tabelle 8). Allerdings kann daraus nicht darauf geschlossen

werden, dass sich 100 % Carbonfasern besser verarbeiten lassen und ein Faserband mit größerer

Faserlänge entsteht. Viel eher ist die Längendifferenz als Messungenauigkeit bei der

Einzelfaserlängenmessung zu werten. Zur Messung der Einzelfaserlänge muss unter einer Lupe

eine einzelne Carbonfaser von der Prüfperson aus dem Faserverbund gelöst und anschließend

mit einem Lineal vermessen werden. Aufgrund der Tatsache, dass die sehr feinen Carbonfasern

empfindlich sind und leicht brechen unterliegt das Messergebnis der Einzelfaserlänge

unterschiedlichsten Einflüssen. Diese reichen von der Haftung der einzelnen Fasern

untereinander (z. B. durch Avivage) über die Art der Einbindung der Carbonfaser in den

Faserverband, die Art der Pinzette bis hin zur Prüfperson und deren Tagesverfassung.

Die längere Faserlänge beim 100 % Carbonfaserband im Vergleich zum Faserband aus der

Mischung mit Polyamid kann durch einen geringeren Faserbandzusammenhalt und eine

daraus resultierende schlechtere Einbindung der Carbonfasern in den Faserverband begründet

werden. Durch den geringeren Faserbandzusammenhalt lassen sich die Carbonfasern leichter

vereinzeln wodurch das Risiko eine Faser bei der Entnahme aus dem Faserverband zu

beschädigen sinkt.

Zur Bewertung der Qualität und Verarbeitbarkeit der unterschiedlichen Mischungsverhältnisse

sollte neben der Faserlänge auch das Laufverhalten der Fasern und die Höhe des Faserverlustes

berücksichtigt werden.

Prinzipiell lies sich die Carbonfaservariante B aufgrund des geringeren Fremdfaseranteils

besser verarbeiten als Carbonfaservariante A. Belegt wird diese Aussage durch den um 26 %

reduzierten Faserverlust bei der Verarbeitung von 100 % Carbon (Tabelle 8). Die Fremdfasern in

Variante A führten aufgrund ihrer Beschaffenheit und Länge häufig zur Wickelbildung.

Abschließend kann festgehalten werden, dass die Versuche zur Bandherstellung gezeigt haben,

dass es prinzipiell möglich ist Carbonfaserbänder aus recycelten Carbonfasern herzustellen.

40


Für eine Umsetzung im industriellem Maßstab müssen die einzelnen Prozessschritte jedoch

tiefergehend erforscht und optimiert werden. Hierzu gehören die Entwicklung einer

faserschonenden Voröffnung der Faserflocken, im Falle einer Mischung mit einem

Matrixmaterial, die Entwicklung einer faserschonenden homogenen Mischungsherstellung, der

kontinuierliche Betrieb der Anlage, die Reduzierung des Faserverlusts, die Adaption der

Anlage an unterschiedliche Carbonfasersorten, die Erhöhung der Bandhaftung von 100 %

Carbonbändern, die Untersuchung des Einflusses von aufgebrachten Hilfsmitteln (Avivagen)

und klimatischen Bedingungen, die Auswahl und Optimierung eines für die gewünschte

Garnstruktur geeigneten Spinnverfahrens, die Anpassung bestehender Maschinentechnologie

an die elektrisch leitfähigen Carbonfasern (in der Textiltechnik übliche kapazitive Messsysteme

sind nicht einsetzbar bei Carbonfasern) sowie die Weiterentwicklung einer bisher unzureichend

geeigneten Messtechnik (z. B. Bestimmung der Einzelfaserlänge) zur Charakterisierung der

Werkstoffeigenschaften.

3.2.4 Erste Versuche zur Garnherstellung

3.2.4.1 Vorhaben und Durchführung

Zur Verspinnung der Bandvorlage wurde ein Spinntester mit 3-Zylinder Streckwerk und

Standard Ringläufersystem T-Flansch 1 eingesetzt (Abbildung 42).

Als Vorlage wurden 3 ktex Bänder

aus

- 100 % recycelten Carbonfasern

(40 mm Faserlänge)

- Mischung Carbon/PA

im Verhältnis

40 Vol.-% / 60 Vol.-%

Faserfeinheit Polyamid 6,

1.7 dtex, 40 mm Faserlänge

Carbonfaser-Variante B

verwendet.

Abbildung 42 Spinntester mit einzelmotorischen Antrieben für Carbonfaserverspinnung

Ausgesponnen werden konnte nur die Mischung aus Carbon- und PA-Fasern zu Garnen der

Feinheit Nm 10 mit einem Drehungsbeiwert m = 120 und mit erhöhter Garndrehung das

feinere Garn Nm 15 mit m = 140 (Abbildung 43).

Das 100 % Carbonband konnte aufgrund seiner sehr geringen Bandhaftung nicht verzogen

werden.

41


Abbildung 43 Cops mit Carbon/PA-Garn der Garnfeinheit Nm 10 und Nm 15

3.2.4.2 Probleme, Auffälligkeiten und Lösungen

Probleme bereitete der sehr breite Bandeinlauf (vergleiche Abbildung 42) am

Streckwerkseingang und das Breitlaufen des Bandes im Vorverzugsfeld. Weiterhin war die

Spinnstabilität aufgrund des großen Spinndreiecks und Ungleichmäßigkeiten im Band nur

gering.

Als Abhilfe wurde im Vorverzugsfeld ein Verdichter (10 mm Breite) eingesetzt, welcher

verhinderte, dass das Band seitlich aus dem Verzugsfeld herauslief. Aufgrund der geringen

Spinnstabilität musste die Spindeldrehzahl stark abgesenkt werden auf 4000 U/min (42 mm

Ringdurchmesser). Der Spinnprozess konnte dadurch stabil gehalten werden.

Abbildung 44 zeigt die Breite des Bandes im Streckwerk bei geöffnetem Pendelträger und das

Spinndreieck, welches sich im Spinnprozess ausbildete.

Beobachtet wurden Faserabgänge an der Absaugung am Streckwerksausgang, da aufgrund der

großen Breite des Faserverbandes die Randfasern nur ungenügend eingebunden werden

konnten.

Faserbruch und daraus resultierende Faserablagerungen zeigten sich auch um den Spinnring

(Abbildung 45).

42


Abbildung 44 Breite des Bandes im Streckwerk und Spinndreieck

Abbildung 45 Verflugung am Spinnring

Die ersten Versuche zeigten, dass eine Verspinnung von recycelten Carbonfasern in Mischung

mit PA-Fasern nach dem Ringspinnverfahren prinzipiell möglich ist. Aufgrund der stark

reduzierten Spindeldrehzahl und für die gesponnen Feinheiten kleinen Ringdurchmesser

musste das Läufergewicht angepasst werden. Um ausreichend Fadenspannung zu erzeugen

mussten drei Läufer gleichzeitig auf dem Ring eingesetzt werden. Ordnungsgemäß müsste ein

größerer Ring und nur ein Läufer mit ausreichendem Läufergewicht verwendet werden.

Weitere Optimierungen wären der Einsatz eines 4-Zylinder Streckwerks mit

Kompaktspinntechnologie, um das Spinndreieck zu verkleinern und die Verzugsaufteilung im

Streckwerk zu verbessern.

43


3.3 Bewertung der Vorhabensergebnisse

3.3.1 Betrachtung der Umweltrelevanz

Das Ausgangsscenario des Projektes ist die vermehrte Anwendung des Leichtbaus im

Wesentlichen im Automobilbau durch die Verwendung von Carbonfasern. Die

Strukturgewichtsreduktion wird zurzeit durch höhere Produktionskosten erkauft, da im

Gegensatz zur Luftfahrt eine Amortisation der Bauteilpreise aber auch eine neutrale CO2-

Bilanz über den Lebenszyklus nicht gewährleistet ist. Sämtliche Branchen sind jedoch von

einem Problemfeld gemeinsam betroffen: Es existiert kein geeigneter Prozess für die

wirtschaftliche und ressourceneffiziente Wiederverwendung der als Produktionsabfall oder als

Bauteil anfallenden Kohlenstofffasern.

Eine Etablierung eines solchen Prozesses ist aus folgenden Gründen zwingend notwendig, um

den Ansatz des Leichtbaus mit Carbonfasern nachhaltig zu gestalten.

- Derzeitig wird für die Herstellung von Carbonfasern eine deutlich höhere Menge CO2

ausgestoßen als bei der Herstellung von Stahl oder Aluminium. Carbon wird bei sehr

geringen Produktionsgeschwindigkeiten, bei Temperaturen von bis zu 2000°c

hergestellt.

- Der höhere CO2-Ausstoß wird über den Lebenszyklus eines Automobils durch die

Einsparung im Verbrauch von Treibstoff nicht ansatzweise ausgeglichen. Dies ist nur in

der Luftfahrt durch den längeren Lebenszyklus und den längeren Betriebszeiten

gegeben.

Abbildung 46 Verbrauchseinsparung durch Gewichtsreduktion

- Durch gesetzliche Auflagen durch die „Altautoverordnung“ ist die Wiederverwendung

von 95% der Ausgangsstoffe eines Automobils in 2015 vorgeschrieben.

- Durch die Wiederverwendung von Carbonfasern reduziert sich der

Primärenergieverbrauch, somit ergibt sich eine deutliche Verbesserung der CO2-Bilanz

- Bei der Prozesskette, die eine Mehrfachverwendung der Fasern ermöglicht ist darauf zu

achten, dass auch der CO2-Ausstoß mitbetrachtet wird, so ist eine Pyrolyse energetisch

44


aufwendiger, als wenn die Solvolyse für die Wiedergewinnung der Fasern aus EOL-

Bauteilen angewendet wird.

Abbildung 47 CO2-Gesamtbilanz unterschiedlicher Materialien

Diese oben gezeigten Darstellungen betonen noch einmal die Dringlichkeit des von der DBU

geförderten Vorhabens.

3.3.2 Technologische und ökonomische Relevanz

Gegenwärtige Recyclingmethoden für Produktionsabfälle und CFK-Bauteile stellen ein

Downcycling dar. Carbonfaserbfälle werden lediglich als Kurzfasern für den Spritzguss

eingesetzt. Die thermische Verwertung zur reinen Energiegewinnung stellt aufgrund der

inakzeptablen Ressourcen- und CO2-Bilanz keine Alternative dar. Auch wenn die Fasern und

die Matrix mittels eines thermischen oder chemischen Verfahrens getrennt werden, existieren

für die Faserverwertung auch hier nur Verfahren, welche die Kohlenstofffasern in Form von

ungerichteten Kurz- oder Stapelfasern zur Verfügung stellen.

Die Wiederverwendung von Carbonfasern aus Bauteilen oder Schnittabfällen zu neuen

Faserverbundbauteilen ist nur dann sinnvoll, wenn die Aufwendungen für die Aufbereitung in

einem angemessenen Verhältnis zur Wertigkeit eines neuen Bauteil stehen. Dies bedeutet

konkret, dass z.B. ein Faserverbundbauteil aus einem Stapelfasergarn aus recycelten

Carbonfasern aufgrund der höheren Festigkeitswerte gegenüber einem Vlies mit isotropen

45


Eigenschaften mit einem deutlich geringeren Materialaufwand hergestellt werden kann als ein

Bauteil aus Carbonfaservlies.

Die die Festigkeit beeinflussenden Eigenschaften in einem Bauteil aus Stapelfasergarn sind die

Faserlänge und die Faserausrichtung.

Die zu untersuchende Prozesskette mit der Faservorbereitung und der Garnerspinnung müssen

in Bezug auf die Technologie und die Ökonomie folgende Ziele realisieren:

3.3.2.1 Technologisches Ziel

Bei der Verarbeitung der Carbonfasern in einer Stapelfaserprozesskette müssen Fasern aus

einer Parallellage, wie sie in dem Bauteil auch nach dem Herauslösen der Matrixkomponente

oder wie sie in den Schnittabfällen vorhanden sind, in einen definierten Faserlängenbereich

überführt werden um dann wiederum parallel für den anschließenden Spinnprozess

ausgerichtet zu werden. Jede Faserberührung durch eine Technologiekomponente der

Textilmaschine kann zu einem Bruch der Carbonfasern führen. Aus diesem Grund sind

umfangreiche Untersuchungen der Faserlänge durchgeführt worden, da dies ein kritischer

Faktor des Ergebnisses des Prozesses ist. Andererseits müssen die Fasern ausgerichtet und

verdreht werden, um ein Garn herzustellen. Bei der Abschätzung der optimalen Prozesskette ist

z.B. die Parallellage der Fasern nach 3 Streckpassagen besser als nach 2 Streckpassagen, jedoch

ist eine Fasereinkürzung durch die 3. Passage ebenfalls gegeben.

3.3.2.2 Ökonomisches Ziel

Gilt es einerseits ein optimales technologisches Ergebnis zu erzielen, muss andererseits darauf

geachtet werden, dass die Aufwendungen für die Anpassung der Textilmaschinen an die

Verarbeitung von Carbonfasern keine Sonderlösungen darstellen. Die Prozesse werden auf

industriell eingesetzte Serienmaschinen abgebildet. Die zurzeit anfallenden Mengen an

Carbonabfall sind zwar nicht zu vernachlässigen, aber die Aufwendungen zur Adaption der

Maschinen an den Faserstoff müssen in einem akzeptablen Rahmen sein. Ebenfalls ist davon

auszugehen, dass sich Neuentwicklungen von Spezialmaschinen nicht rechnen würden. Aus

diesem Grund werden für die Prozesskette nur Serienmaschinen verwendet, die so modifiziert

werden, dass eine schonende Verarbeitung der Fasern ermöglicht wird.

Dies bedeutet weiterhin, dass zum aktuellen Stand der Forschungen bei der Faservorbereitung

Maschinen für die Langfaserverarbeitung verwendet werden und bei der Verspinnung

Maschinen für die Kurzstapelverarbeitung.

Der Prozess sollte so stabil laufen, dass ein manuelles Eingreifen nur in Ausnahmefällen

notwendig ist.

46


3.4 Verbreitung der Vorhabensergebnisse

Faserbänder aus recycelten Carbonfasern stellen die Basis / das Halbzeug für eine

Weiterverarbeitung in anschließenden Prozessen (z.B.: Spinnen zu textilen Garnen oder aber

anderen Anwendungen wie das Faserspritzen) dar.

Zu Beginn des Forschungsprojekts im Jahr 2011 war die industrielle Verbreitung von

Carbonfasern eher eine Nische und die Verwertung von Carbonabfällen (pre- wie

postconsumer) eine untergeordnete Problemstellung. Mit Einführung der Carbonfaser in die

Massenfertigung (BMW i-Serie) im Jahr 2013 gewinnt nun die Lösung der Recyling-Frage

sowohl aus ökologischer wie ökonomischer Sicht schnell an Bedeutung.

Eine Veröffentlichung der Erkenntnisse in der Öffentlichkeit ist vorerst noch nicht beabsichtigt,

da für das Zwischenprodukt „Faserband aus recycelten Ca

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Spinnverfahren für recycelte Carbonfasern - Phase 1 · Das Projekt hat das Ziel, durch die Herstellung eines Spinnfasergarns aus von der CFK-Produktion sowie End-of-Life-Bauteilen