Page 89 - ITM Jahresbericht 2022

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bunden. Daher haben technologische Entwicklungen bonfasern entwickelt wurde, weisen eine sehr hohe
zur schonenden Verarbeitung von recycelten Car- Zugfestigkeit von 1350 ± 28 MPa und ein Elastizitäts-
bonfasern und deren Integration in Hochleistungs- modul von 84,7 ± 2,3 GPa. Diese Analyse bestätigt,
verbundwerkstoffe mit vielversprechenden mecha- dass die unidirektionale Faserkonfiguration in Ver-
nischen Eigenschaften große Beachtung gefunden. bundwerkstoffen eine Revolution in der Entwicklung
So wurden in den letzten Jahren Spritzguss-, Vlies- von kostengünstigen Hochleistungsverbundwerk-
stoff- und Hybridgarntechnologien entwickelt, um stoffen für lasttragende Strukturanwendungen dar-
recycelte Carbonfasern in thermoplastische Hoch- stellt. Schließlich zeigt die theoretische und Finite-
leistungsverbundwerkstoffe zu integrieren. Die Ver- Elemente-Modellierung der Zugeigenschaften von
bundwerkstoffe, die auf der Grundlage dieser Tech- Hochleistungsverbundwerkstoffen, dass die modi-
nologien hergestellt werden, weisen jedoch keine fizierten Modelle gut mit den Zugeigenschaften der
unidirektionale Faserorientierung auf, so dass das Verbundwerkstoffe übereinstimmen.
Potenzial für den Einsatz von recycelten Kohlenstoff-
fasern in Hochleistungsverbundwerkstoffen noch Innovative unidirectional recycled carbon fiber
nicht voll ausgeschöpft ist. tape structure for high-performance thermoplas-
tic composites: technological developments, tech-
Diese Arbeit befasst sich deshalb in erster Linie mit nology-structure-property relationship, and mode-
der Entwicklung einer innovativen Struktur mit uni- ling of composite tensile properties
direktionaler Faserorientierung, die als „unidirekti-
onale recycelte Carbonfasertapestruktur“ für ther- The rapidly growing demand for carbon fiber rein-
moplastische Hochleistungsverbundwerkstoffe forced plastics in high-tech industries, such as aero-
bezeichnet wird. Das technologische Konzept der space, defense, automotive, wind turbine engineering,
unidirektionalen recycelten Carbonfasertapestruk- building and sports, resulted in a high amount of waste
tur umfasst das Öffnen der Fasern, die Kardierung, in the form of dry waste (e.g., production off-cuts), wet
die Verstreckung und ein neuartiges Bandbildungs- waste (e.g., out-of-date prepreg) and end-of-life com-
verfahren. Dabei werden homogene, gleichmäßige ponents waste (e.g., aircraft components). Furthermore,
und hochorientierte Hybridbänder durch die Prozes- the production of carbon fibers is cost and energy-in-
se des Faseröffnens, der Kardierung und der Ver- tensive. Therefore, technological developments for the
streckung entwickelt. Im nächsten Schritt werden gentle processing of recycled carbon fiber and its inte-
diese Hybridbänder mit einem innovativen Tapebil- gration into high-performance composites with prom-
dungsverfahren in eine unidirektionale Tapestruktur ising tensile properties have gained considerable atten-
aus recycelten Carbonfasern verarbeitet. Zur Umset- tion. Consequently, injection molding, nonwovens and
zung dieses Konzeptes wurden technologische hybrid yarn technologies were developed in recent years
Entwicklungen (Untersuchungen, Modifikationen, to integrate recycled carbon fiber into the high-perfor-
Optimierungen und Weiterentwicklungen) in den mance thermoplastic composite. However, composites
Bereichen der Faseröffnung, die Kardierung und der based on these technologies do not possess unidirec-
Verstreckung durchgeführt, um Hybridbänder mit tional fiber orientation; therefore, the potential of recy-
verbesserter Gleichmäßigkeit, Homogenität und uni- cled carbon fiber in high-performance composites is not
direktionaler Orientierung zu entwickeln. Die zwei- thoroughly exhausted.
te Phase umfasste die Konzeption, das Design, die
technologische Entwicklung, die Konstruktion und This thesis primarily addresses the development of an
die Entwicklung von Prototypanlage zur Entwicklung innovative structure with unidirectional fiber orienta-
eines neuen Tapebildungsverfahrens. Das Ergebnis tion termed “unidirectional recycled carbon fiber tape
bestätigt, dass die Tapebildungstechnologie, beste- structure” for high-performance thermoplastics com-
hend aus Faseröffnung, Kardierung, Verstreckung posites. The technological concept of the unidirection-
und Tapebildung eine innovative, umweltfreund- al structure comprises of fiber opening, carding, draw-
liche und nachhaltige Technologie im Vergleich zu ing and a novel tape forming process. In this concept,
bestehenden Technologien ist. fiber opening, carding, and drawing processes were uti-
lized to develop homogeneous, uniform, and highly ori-
Anschließend wird die unidirektionale Tapestruk- ented hybrid slivers. In the next step, these hybrid sliv-
tur durch Thermopressen zu thermoplastischen ers were converted into unidirectional recycled carbon
Hochleistungsverbundwerkstoffen konsolidiert. Zur fiber tape structure through a novel tape-forming pro-
Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit maßge- cess. To implement this concept, technological develop-
schneiderten Eigenschaften werden Technologie- ments (investigations, modifications, optimization and
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgestellt. Die further developments), were carried out in fiber open-
Analyse der Daten zeigt, dass die Entwicklung von ing, carding and drawing process to develop hybrid sliv-
Tape- und Verbundstrukturen mit unidirektiona- ers with improved uniformity, homogeneity and unidi-
ler Faserorientierung durch die Ermittlung optima- rectional orientation. In the second phase, conception,
ler Technologie-, Konsolidierungs- und Strukturpa- design, technological developments, construction and
rameter möglich ist. Die Untersuchungsergebnisse prototype development were implemented to develop
des Hochleistungsverbundwerkstoffs, der aus einer a novel tape-forming process. The result confirms that
unidirektionalen Tapestruktur aus recycelten Car- tape development technology comprising fiber opening,

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