DE202015100085U1

DE202015100085U1 - Faserhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE202015100085U1
Application number: DE202015100085.5U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2025-01-10

Abstract

Faserhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das durch Aushärten eines in ein Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug eine Mischung aus recycelten Kunstfasern und Naturfasern aufweist oder aus einer solchen Mischung besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das durch Aushärten eines in ein Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial hergestellt wird. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserhalbzeuges.
Faserverbundbauteile sind heutzutage aus der Luft- und Raumfahrt nicht mehr wegzudenken. Aufgrund der Tatsache, dass Faserverbundwerkstoffe bei einem relativ geringen Gewicht eine sehr hohe Steifigkeit in zumindest eine lasttragende Richtung aufweisen, eignet sich derartige Faserverbundwerkstoffe gerade für den Leichtbau. Dabei werden zunehmend auch sicherheitskritische Strukturelemente aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt, an die besondere Anforderungen bezüglich der Qualität gestellt werden.
In der Regel werden Faserverbundbauteile aus einem Faserhalbzeug hergestellt, das mit einem Matrixmaterial getränkt und ausgehärtet wurde. Durch das Aushärten des Matrixmaterials, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, entsteht zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial eine integrale Verbindung, die letztendlich zu den vorteilhaften Werkstoffeigenschaften führt. Die Faserhalbzeuge bestehen dabei häufig aus Kunstfasern, beispielsweise Kohlenstofffasern oder Glasfasern.
Mit der zunehmenden Verbreitung von faserverstärkten Kunststoffen rückt zunehmend auch die Frage der Wiederverwertbarkeit derartiger Werkstoffe in den Fokus. Mag die Wiederverwendbarkeit von faserverstärkten Kunststoffen in der Luft- und Raumfahrt eher eine untergeordnete Rolle spielen, so wird es spätestens bei der serienmäßigen Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen im Automobilbereich ein zentrales Thema.
So ist es beispielsweise bekannt, mit Hilfe eines Pyrolyseverfahrens die Faserverbundbauteile zu recyceln, um so eine Rückgewinnung der wertvollen Kohlenstofffasern des Faserverbundbauteils zu erreichen. Hierbei entstehen allerdings gekürzte Recycling-Kohlenstofffasern, die insbesondere in sicherheitskritischen Bauteilstrukturen nur bedingt wiederverwendet werden können. Denn mit einer Längenkürzung der Fasern geht auch eine Reduzierung der Bauteilstabilität einher, so dass derartige recycelte Kohlenstofffasern nicht überall eingesetzt werden können. Zwar erfahren die recycelten Kohlenstofffasern und der Längenkürzung eine Eigenschaftsverschlechterung, auch Downcycling genannt, im Vergleich zu den theoretisch unendlich langen Neufasern. Allerdings bleiben die grundlegenden mechanischen Eigenschaften auch bei recycelten Kohlenstofffasern erhalten.
Neben den Kunstfasern existieren auch sogenannte technische Naturfaserstoffe, die aufgrund ihrer eingeschränkten mechanischen Eigenschaften vor allem für Nichtstrukturelemente, verwendet werden. Zwar weisen derartige technische Naturfaserstoffe ein sehr geringes Gewicht auf. Allerdings variiert die mechanische Qualität dieser technischen Naturfaserstoffe aufgrund ihres natürlichen Ursprungs, was zu einem höheren Ausschuss führen kann. Darüber hinaus nehmen die Verstärkungsfasern der technischen Naturfaserstoffe im Vergleich zur Kunstfaser mehr Feuchtigkeit auf, was zu Quellungen, Mikrorissen und Schimmel führen kann. Auch der Einsatz in brandgefährdeten Bereichen ist eingeschränkt, da beispielsweise Zellulose sehr leicht entflammbar ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Einsatzzweck für recycelte Kunstfasern zu schaffen, die insbesondere aus recycelten Kunstfasern eines Faserverbundbauteils gewonnen werden. Es ist darüber hinaus auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Faserhalbzeug zu schaffen, das gegenüber Faserhalbzeugen aus Kunstfasern eine verringerte Dichte aufweist und darüber hinaus dennoch ein gewisses Maß an Stabilität und Steifigkeit hat.
Die Aufgabe wird mit dem Schutzanspruch 1 sowie dem Schutzanspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Anspruch 1 wird demnach ein Faserhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, das eine Mischung aus recycelten Kunststofffasern und Naturfasern aufweist oder aus einer solchen Mischung besteht. Durch die Kombination von recycelten Kunstfasern und Naturfasern lassen sich die positiven Eigenschaften beider Fasergruppen kombinieren, so dass zum einen die recycelten Kunstfasern einen weiteren Anwendungsfall erhalten und zum anderen ein verbessertes Faserhalbzeug bereitgestellt wird, das die mechanischen Eigenschaften der Kunstfasern mit denen der Naturfasern kombiniert. Gegenüber reinen Naturfaserbauteilen lassen sich die mechanischen Eigenschaften, thermische und elektrische Leitfähigkeit, Abschirmung (EMV) sowie der Brandschutz verbessern. Gegenüber reinen Kunstfaserhalbzeugen verringert sich zwar die mechanische Festigkeit, allerdings steigt das Dämpfungsverhalten (akustisch, thermisch, mechanisch) aufgrund des Naturfaseranteils, wobei die leichten Naturfasern weiterhin bei gleichbleibender Laminatdicke für eine geringere Dichte sorgen, was bei Bauteilen mit Mindestdicke (z. B. zur Vermeidung von Beulen) sehr vorteilhaft ist.
Die Erfinder haben dabei erkannt, dass recycelte Kunstfasern und Naturfasern zu einem Faserhalbzeug zusammengemischt werden können, welche die vorher beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
Es ist dabei ganz besonders vorteilhaft, wenn die recycelten Kunstfasern jene recycelten Kunstfasern sind, die beim Recycling von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, die aus Kunstfaser-Halbzeugen hergestellt wurden, entstehen. Hierdurch können faserverstärkte Kunststoffbauteile einem Recyclingprozess zugeführt werden und somit wiederverwertet werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die recycelten Kunststofffasern recycelte Kohlenstofffasern sind, die beispielsweise durch das Recycling von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen entstehen. Denkbar ist es allerdings auch, wenn die Kunstfasern recycelte Glasfasern sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest ein Teil der recycelten Kunstfasern eine Faserlänge von 6 mm bis 100 mm, vorzugsweise 10 mm auf. Diese Länge hat sich beim Recycling und darüber hinaus auch beim Verwenden einer Mischung mit Naturfasern als vorteilhaft herausgestellt.
Geeignete Naturfasern sind z. B. die Bastfasern von Flachs und Hanf. Aber auch andere Naturfasern wie Jute, Sisal, Kenaf sowie weitere Naturfaserarten können verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Faserhalbzeug ein Faservliesstoff, der eine Mischung aus mindestens einem Naturfaservliesstoff als Naturfaser und recycelten Kunstfasern, beispielsweise recycelten Kohlenstofffasern, aufweist oder aus einer solchen Mischung besteht. Faservliesstoffe eignen sich dabei als Faserhalbzeuge für die Herstellung von Faserverbundbauteilen. Dabei sind Vliesstoffe eine gute Alternative zu Geweben wenn es um Naturfaserhalbzeuge geht.
In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform variiert das Mischungsverhältnis zwischen recycelten Kunstfasern und Naturfasern im gesamten Faserhalbzeug, so dass beispielsweise Bereich mit hohem Naturfaseranteil und Bereich mit einem geringen Naturfaseranteil hier gegenüber gebildet werden. Hierdurch lassen sich die Eigenschaften des resultierenden Faserhalbzeuges an die Anforderung des späteren Bauteils anpassen, so dass mit einem entsprechenden variierenden Mischungsverhältnis gezielt jene Bereiche verstärkt werden können, in denen später hohe Belastungen zu erwarten sind. Durch angepasste Herstellungsverfahren lassen sich hybride Vliesstoffe mit Gradienten insbesondere in Dickenrichtung herstellen, d. h. die mechanischen vorteilhaften recycelten Kunstfasern werden in bestimmten Bereichen konzentriert, während die Naturfasern in anderen Bereichen dominieren. Damit lassen sich diese hybriden Vliesstoffe auf die spätere Belastungsform optimieren, z. B. Biegung mit der Hauptbeanspruchung in den jeweiligen Bereichen.
Es ist hierzu ganz besonders vorteilhaft, wenn in einem Randbereich des Faserhalbzeuges der Volumenanteil der recycelten Kunstfasern höher ist als in einem Kernbereich des Faserhalbzeuges, wodurch in den Randbereichen des Faserhalbzeuges der Volumenanteil der Naturfasern geringer ist als im Kernbereich. Hierdurch lassen sich Faserhalbzeuge bilden, die speziell auf eine Biegebelastung ausgebildet sind und darüber hinaus dennoch ein geringeres Gewicht aufweisen als herkömmliche Faserhalbzeuge aus Kunstfasern.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung eines derartigen Faserhalbzeuges gemäß Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figur beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 – schematische Darstellung der Herstellung eines derartigen erfindungsgemäßen Faserhalbzeuges.
1 zeigt die Herstellung eines Faserhalbzeuges 1, das aus recycelten Kunstfasern 2 und Naturfasern 3 besteht bzw. eine derartige Mischung aufweist. Die Naturfasern 3 weisen dabei lange Fasern auf, während die recycelten Kunstfasern 2 hier gegenüber eher kurze Fasern aufweisen.
Die recycelten Kunstfasern 2 werden aus einem Recyclingprozess 4 gewonnen, bei dem Faserverbundbauteile 5, die aus einem faserverstärkten Kunststoff mit Kunstfasern hergestellt wurden, recycelt werden. Die vormals langen Kunstfasern des faserverstärkten Kunststoffbauteils 5 werden während des Recyclingprozesses 4 verkürzt, verlieren jedoch nicht ihre grundlegenden mechanischen Eigenschaften.
In Versuchen konnte eine Erhöhung der Biegefestigkeit durch Mischung von recycelten Kohlenstofffasern (10 mm Faserlänge) mit Naturfasern festgestellt werden. Die Biegesteifigkeit stieg bei einem recycelten Kohlenstofffaseranteil von 20% um bis zu 60% gegenüber dem reinen Naturfaservlies.
Durch die Verwendung von Naturfasern bieten sich darüber hinaus vorteilhafte Dämpfungseigenschaften, wobei in Kombination mit recycelten Kunstfasern die mechanischen Eigenschaften gegenüber reinen Naturfaserverbundwerkstoffen verbessert werden können.

Claims

Faserhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das durch Aushärten eines in ein Fasermaterial infundiertes Matrixmaterial hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug eine Mischung aus recycelten Kunstfasern und Naturfasern aufweist oder aus einer solchen Mischung besteht.
Faserhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Kunstfasern recycelte Kohlenstofffasern sind.
Faserhalbzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der recycelten Kunstfasern eine Faserlänge von 6 mm bis 100 mm, vorzugsweise 10 mm, hat.
Faserhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Naturfasern Fasern aus Flachs, Hanf und/oder Jute aufweisen oder daraus bestehen.
Faserhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug ein Faservliesstoff ist, der eine Mischung aus mindestens einem Naturfaservliesstoff als Naturfaser und recycelte Kunstfasern aufweist oder aus einer solchen Mischung besteht.
Faserhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis zwischen recycelter Kunstfaser und Naturfaser im gesamten Faserhalbzeug variiert.
Faserhalbzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis in Dickenrichtung variiert.
Faserhalbzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Randbereich des Faserhalbzeuges der Volumenanteil der recycelten Kunstfaser höher ist als in einem Kernbereich des Faserhalbzeuges.