DE102015013341A1

DE102015013341A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserstapelgarns aus bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen als Verschnittabfällen oder beim Recyceln von faserverstärkten Bauteilen angefallenen Verstärkungsfasern

Info

Publication number: DE102015013341A1
Application number: DE102015013341.1A
Authority: DE
Inventors: Jasper Reddemann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelfasergarns (1) aus bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen als Verschnittabfälle und/oder beim Recyceln von faserverstärkten Bauteilen angefallenen Verstärkungsfasern (2.1), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1 Bereitstellen der als Verschnittabfälle und/oder der beim Recyceln angefallenen Verstärkungsfasern (2.1), 1.2 Unidirektionales Ausrichten der bereitgestellten Verstärkungsfasern (2.1), 1.3 Herstellen einer Stapelfaser (2) aus den ausgerichteten Verstärkungsfasern (2.1), und 1.4 Fixieren der Stapelfaser (2) mit einem Umwindegarn (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserstapelgarns aus bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen als Verschnittabfälle oder beim Recyceln von faserverstärkten Bauteilen angefallenen Verstärkungsfasern.
Faserverstärkte Kunststoffe bestehen wenigstens aus zwei Komponenten, nämlich Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix und werden vermehrt wegen deren Leichtbaupotenzial und hohen Festigkeit im Automobilbau eingesetzt. Durch den zunehmenden Einsatz solcher faserverstärkten Kunststoffbauteile stellt sich das Problem der Wiederverwendung der bei der Herstellung von solchen faserverstärkten Kunststoffbauteilen anfallenden Verschnittabfällen der Verstärkungsfasern. Auch die durch das Recyceln solcher faserverstärkten Kunststoffbauteile gewonnenen Verstärkungsfasern sollten einer Wiederverwertung zugeführt werden.
Aus der DE 10 2008 002 846 A1 ist ein Recyclingverfahren zum Recyceln von faserverstärkten Kunststoffbauteilen zur späteren Verwendung in der Produktion von faserverstärkten Kunststoffbauteilen bekannt. Bei diesem Verfahren werden zunächst die im Matrixwerkstoff gebundenen Verstärkungsfasern von dem Matrixwerkstoff getrennt und anschließend die freien Verstärkungsfasern mit einem Polymer als Bindemittel benetzt. Diese recycelten Verstärkungsfasern haben die Gewebe- bzw. Lagenstruktur der ursprünglichen faserverstärkten Kunststoffbauteile und werden nach der Benetzung durch ein Polymer-Bindemittel zur weiteren Verarbeitung in Längsrichtung zueinander orientiert und ausgerichtet. Damit liegen die recycelten Verstärkungsfasern als Pakete von benetzten Fasern vor und weisen keine Verschlaufungen auf.
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren gemäß der DE 10 2008 002 846 A1 ist jedoch das aufwändige Benetzen der Verstärkungsfasern nach deren Trennung von dem Matrixwerkstoff.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem sowohl Verstärkungsfasern aus Verschnittabfällen als auch aus faserverstärkten Kunststoffbauteilen recycelten Verstärkungsfasern zur Weiterverarbeitung zu textilen Halbzeugen aufbereitet werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Stapelfasergarns aus bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen als Verschnittabfälle und/oder beim Recyceln von faserverstärkten Bauteilen angefallenen Verstärkungsfasern umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

1.1 Bereitstellen der als Verschnittabfälle und/oder der beim Recyceln angefallenen Verstärkungsfasern,
1.2 Unidirektionales Ausrichten der bereitgestellten Verstärkungsfasern,
1.3 Herstellen einer Stapelfaser aus den ausgerichteten Verstärkungsfasern, und
1.4 Fixieren der Stapelfaser mit einem Umwindegarn.

Bei diesem Verfahren werden die freigelegten einzelnen Verstärkungsfasern aus dem Recyclingprozess in einer Richtung ausgerichtet, anschließend in bekannter Weise aus den ausgerichteten Verstärkungsfasern eine Stapelfaser gesponnen und schließlich diese Stapelfaser mit Hilfe eines Umwindegarns fixiert, wodurch der Verbund aus Recyclingfasern stabilisiert wird. Auf diese Weise entsteht ein weitgehend gerichtetes Stapelfasergarn mit guten mechanischen Kennwerten. Bei dieser Wiederverwertung von Recyclingfasern wird vorzugsweise die ursprüngliche Länge der Verstärkungsfasern beibehalten, also nicht auf eine einheitliche Länge gekürzt.
Gegenüber dem Verfahren gemäß der DE 10 2008 002 846 A1 ist keine aufwendige Schmelztränkung oder Benetzung durch ein flüssiges Polymer notwendig, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die ausgerichteten Verstärkungsfasern im trockenen Zustand von dem Umwindegarn fixiert werden. Es ist wesentlich aufwändiger auf die recycelten Verstärkungsfasern eine flüssige Benetzung aufzubringen, als eine aus den gerichteten Verstärkungsfasern gesponnene Stapelfaser mit einem Umwindegarn zu fixieren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher im trockenen Zustand durchgeführt werden, wobei das Umwindegarn den Verbund an Recyclingfasern stabilisiert und so eine flexiblere Drapierung im Vergleich zu einem Bündel von matrixgetränkten Einzelfasern ermöglicht wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Stapelfaser gemäß Verfahrensschritt 1.3 mittels eines Spinntrichters hergestellt. Die Herstellung einer Stapelfaser ist bspw. aus der DE 195 05 618 A1 bekannt.
Alternativ wird die Stapelfaser gemäß Verfahrensschritt 1.3 durch pneumatische Verwirbelung der Verstärkungsfasern und/oder pneumatische Verdrehung der Verstärkungsfasern hergestellt. Auch diese Art der Herstellung einer Stapelfaser ist aus der DE 195 05 618 A1 bekannt.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn weiterbildungsgemäß die Stapelfaser vor dem Fixieren geschlichtet wird. Hierdurch wird eine zusätzliche Stabilisierung des Stapelfasergarns erreicht. Darüber hinaus kann verhindert werden, dass einzelne Verstärkungsfasern aus dem Stapelfasergarn herausstehen und abbrechen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Verstärkungsfasern der Verschnittabfälle und die Verstärkungsfasern aus den recycelten faserverstärkten Bauteilen ungekürzt bereitgestellt. Ein Kürzen auf eine einheitliche Länge kann dadurch entfallen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn für den Verfahrensschritt 1.4 ein polymeres Umwindegarn verwendet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt eine schematische Darstellung eines gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Stapelfasergarns.
Das Ausgangsmaterial zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stapelfasergarns besteht aus recycelten Verstärkungsfasern, bspw. CFK-Fasern und/oder Verschnittabfällen aus der Produktion von faserverstärkten Kunststoffbauteilen. So werden die recycelten Verstärkungsfasern mit pyrolytischer Trennung von Fasern und Matrix aus den faserverstärkten Kunststoffbauteilen gewonnen und bereitgestellt.
Diese Verstärkungsfasern der Verschnittabfälle und/oder die recycelten Verstärkungsfasern bilden das Ausgangsmaterial. Dabei kann auch ein Faserstoffgemisch aus beiden Ausgangsmaterialen bereitgestellt werden. Die Verstärkungsfasern werden in ihrer Ursprungslänge belassen, also vor der Weiterverarbeitung nicht gekürzt.
Zunächst wird das trockene Ausgangmaterial in einer Krempelvorrichtung kardiert, d. h. gekämmt und parallelisiert, also die einzelnen Verstärkungsfasern mit ihren unterschiedlichen Längen parallel zueinander ausgelegt. Diese Verstärkungsfasern besitzen eine minimale Länge von ca. 10–20 mm mit einer quasi unbeschränkten, jedoch endlichen maximalen Länge.
Die parallel ausgerichteten Verstärkungsfasern werden einem Spinntrichter zur Herstellung einer Stapelfaser zugeführt, indem durch Druckluft aus einer oder mehreren Düsen die Verstärkungsfasern pneumatisch verwirbelt, ungeordnet verdreht und dadurch zueinander fixiert werden. Hierdurch können sich die Verstärkungsfasern des Ausgangsmaterials zu einem gebauschten oder ungleichmäßig verfestigten Stapelfasergarn formen.
Nach der Herstellung der Stapelfaser wird die überlappende Faserstruktur mit einem Umwindegarn, bspw. aus polymeren Material umwickelt und dadurch fixiert. Dieses derart hergestellte Stapelfasergarn 1 ist schematisch in 1 dargestellt.
Gemäß dieser 1 besteht das Stapelfasergarn 1 aus einer mit dem Umwindegarn 3 wendelförmig umwickelten Stapelfaser 2. Diese Stapelfaser 2 besteht aus einer Vielzahl von gleich gerichteten, also parallel ausgerichteten Verstärkungsfasern 2.1 mit unterschiedlicher Länge.
Die Verstärkungsfasern 2.1 bestehen aus Carbon bzw. Kohlenstoff, Glas, Aramid oder Keramik.
Vor dem Umwickeln mit dem Umwindegarn 3 kann die Stapelfaser 2 auch mit einer Schlichte behandelt werden, wodurch eine zusätzliche Stabilisierung des Stapelfasergarns 1 erreicht wird. Durch das Schlichten wird eine nahezu glatte Oberfläche der Stapelfaser 2 erreicht, wie dies schematisch die 1 zeigt. Außerdem wird dadurch verhindert, dass einzelne Verstärkungsfasern 2.1 aus dem Stapelfasergarn 1 herausstehen oder abbrechen.
Das in 1 dargestellte Stapelfasergarn 1 kann zu textilen Halbzeugen verarbeitet werden, und dann mit thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoffmatrix imprägniert zu werden. Alternativ lässt sich das Stapelfasergarn 1 auch analog zu unidirektionalen Tapes verlegen, so dass einzelne unidirektionale Bänder entstehen, die sowohl das Stapelfasergarn 1 als auch die Kunststoffmatrix enthalten.
Bezugszeichenliste

1: Stapelfasergarn
2: Stapelfaser
2.1: Verstärkungsfaser
3: Umwindegarn

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008002846 A1 [0003, 0004, 0009]
DE 19505618 A1 [0010, 0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Stapelfasergarns (1) aus bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen als Verschnittabfälle und/oder beim Recyceln von faserverstärkten Bauteilen angefallenen Verstärkungsfasern (2.1), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: 1.1 Bereitstellen der als Verschnittabfälle und/oder der beim Recyceln angefallenen Verstärkungsfasern (2.1), 1.2 Unidirektionales Ausrichten der bereitgestellten Verstärkungsfasern (2.1), 1.3 Herstellen einer Stapelfaser (2) aus den ausgerichteten Verstärkungsfasern (2.1), und 1.4 Fixieren der Stapelfaser (2) mit einem Umwindegarn (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfaser (2) gemäß Verfahrensschritt 1.3 mittels eines Spinntrichters hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfaser (2) gemäß Verfahrensschritt 1.3 durch pneumatische Verwirbelung der Verstärkungsfasern und/oder pneumatische Verdrehung der Verstärkungsfasern (2.1) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelfaser (2) vor dem Fixieren geschlichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (2.1) der Verschnittabfälle und die Verstärkungsfasern (2.1) aus den recycelten faserverstärkten Bauteilen ungekürzt bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Verfahrensschritt 1.4 ein polymeres Umwindegarn (3) verwendet wird.