Entwicklung von eigenschaftsoptimierten SMC-Werkstoffen aus recycelten Carbonfasern

Mit recycelten Carbonfasern verstärktes SMC ist bisher noch nicht standardmäßig verfügbar. Als Verstärkungsfasern werden aktuell fast ausschließlich Glasfasern eingesetzt, da diese ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Der Einsatz von primären Carbonfasern bei der SMC-Herstellung ist möglich, konnte sich bislang aufgrund des hohen Faserpreises aber nicht für größere Serien etablieren. Mit dem Einsatz von recycelten Carbonfasern könnte sich diese Situation ändern.

Ziel des Forschungsprojektes war es deshalb, Carbonfasern aus Produktionsabfällen (Zuschnitt, Preforming) auf textilen Anlagen so aufzubereiten, dass diese mit Hilfe eines innovativen Vlieslegeprozesses zu textilen Halbzeugen verarbeitet und in SMC-Verbundwerkstoffen erfolgreich eingesetzt werden können.

Ergebnisse

Zur Erreichung der Forschungsziele wurden recycelte Carbonfasern (rCF) endlicher Länge mit Hilfe eines aerodynamischen Vliesherstellungsverfahrens zu Fasermatten mit einer mittleren Flächenmasse von 450 g/m² bei einer Breite von 1 m als Rollenware verarbeitet. Das erarbeitete Anlagen- und Verfahrenskonzept erlaubt eine über die Warenbreite und –länge gleichmäßige Fläschenmasse der erzeugten Fasermatte. Die aerodynamisch erzeugten Fasermatten sind nur gering vernadelt und ermöglichen ein Fließen der daraus hergestellten Pressmassen. Die Fasermatten besitzen eine geringe Vorzugsorientierung. Der große Vorteil des Verfahrens liegt in der schnellen Herstellung von hohen Flächenmassen.

Die Entwicklung von mit rCF verstärkten SMC-Verbundwerkstoffen erfolgte zunächst im kleintechnischen Maßstab. Die folgenden Aufgabenstellungen wurden gelöst:

• Entwicklung einer Technologie zur Tränkung der Fasermatten mit UP-Harz
• Rezepturanpassung der UP-Harze an die Besonderheiten der rCF-Matten
• Testen der Verarbeitungseigenschaften unterschiedlicher UP-Harze hinsichtlich der Benetzung und Tränkung der Fasermatten, der Stand- und Gelierzeiten der Harzrezeptur
• Charakterisierung der Fließfähigkeit der SMC-Pressmasse in Abhängigkeit vom Fasergehalt und der Mattenstruktur
• Herstellung von SMC-Verbundwerkstoffen im Tauchkantenwerkzeug mit Rippen
• Optimierung des Fasergehaltes in Richtung maximale Verbundeigenschaften
• Bestimmung von Materialkennwerten in Abhängigkeit vom Fasergehalt

Die aus den Projektarbeiten resultierenden Leichtbau-SMC-Werkstoffe sind gekennzeichnet durch:

• Fasermassegehalte von 20 bis 45 Ma%
• Geringe Dichte (1,25 – 1,35 g/m³)
• Mit dem Fasergehalt ansteigende mechanische Kennwerte (Zugfestigkeit (70–240 MPa, Biegefestigkeit 160-460 MPa, Zug-E-Modul 8 -29 GPa, Biege E-Modul 5 -19 GPa, Charpy-Schlagzähigkeit 16-40 kJ/m³)

• Bei vergleichbaren Faservolumengehalten höhere Festigkeiten und doppelt so hohe Steifigkeiten wie GF-Verbunde
• Gewichtsreduzierung bei gleichen Wandstärken im Vergleich zu GF-SMC: 16% bei höheren Materialkennwerten

Die industrielle Machbarkeit wurde durch die Herstellung eines realen Demonstrationsbauteiles (Schiebedach) unter Verwendung einer großtechnisch gefertigten rCF-SMC-Pressmasse aufgezeigt.

Die am Bauteil ermittelten Kennwerte belegen, dass unter Verwendung der entwickelten rCF-Fasermatten qualitätsgerechte SMC-Pressmassen gefertigt werden können, aus denen hochwertige Bauteile, die den hohen Qualitätsansprüchen der Automobilindustrie genügen, hergestellt werden können.

Anwendung

Als Zielmarkt wird insbesondere die Automobilindustrie gesehen, in der die SMC-Technologie etabliert ist. Bei der SMC-Produktion werden großflächige Bauteile mit hoher Präzision gefertigt. SMC-Bauteile zeichnen sich durch eine sehr gute Wärmeformbeständigkeit aus und können auch den hohen Temperaturen im Motorraum oder in Beleuchtungssystemen standhalten. Heute werden daher z. B. Ölwannen, Ventildeckel und Präzisionsbauteile wie Drosselklappen aus SMC gefertigt.  Die Verwendung von Carbonfasern anstelle der üblicherweise verwendeten Glasfasern ermöglicht die Herstellung von leichten, mechanisch hochbelastbaren Bauteilen.