Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Verarbeitung von wiedergewonnenen Fasern auf dem Doppelschneckenextruder. Bei der Herstellung von rezyklierten Carbonfaser-Compounds besitzen die Prozessparameter einen signifikanten Einfluss auf die Faserendlänge, welche im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften des späteren Bauteils beeinflussen. Somit ist die Abschätzung der Faserendlänge von Interesse. Daher findet eine Modellierung der Faserlängenabnahme basierend auf einer Fragmentationsgleichung statt. Für die Definition des Herstellungsprozesses für rezyklierte Carbonfaser-Compounds erfolgt zunächst eine geeignete Materialauswahl sowie die Identifikation der Dosier- und Zuführungsmöglichkeiten. Danach findet die Ermittlung der physikalischen Effekte während der Verarbeitung auf dem Doppelschneckenextruder statt.
Aktualisiert: 2023-02-16
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Der Markt für Carbonfaser-Tapes zeigt seit mehreren Jahren ein stabiles Wachstum. Aktuell werden vorrangig duroplastische Prepreg-Carbonfaser-Tapes verwendet, um die vor allem in der Luftfahrtbranche bestehenden Anforderungen bezüglich eines hohen Faservolumengehalts sowie eines niedrigen Hohlraumgehalts im Verbundbauteil zu erfüllen. Allerdings ist die damit verbundene Prozessroute kostenintensiv und nicht für eine Skalierung zu größeren Stückzahlen geeignet.
Eine in dieser Dissertation betrachtete Alternative zu Prepreg-Carbonfaser-Tapes sind sogenannte trockene binderfixierte Carbonfaser-Tapes, die ohne Matrixphase vorliegen. Diese Carbonfaser-Tapes können über kostengünstige Out-of-Autoclave-Prozessrouten in Vakuuminfusions- oder Resin Transfer Molding-Prozessen konsolidiert werden. Allerdings besteht bei der Herstellung der trockenen binderfixierten Carbonfaser-Tapes keine Möglichkeit einen Randbeschnitt vorzunehmen, wie dies bei Prepreg-Carbonfaser-Tapes geschieht, um eine definierte Tape-Breite einstellen zu können. Ohne das Vorliegen einer einheitlichen definierten Tape-Breite können im folgenden automatisierten Ablage-prozess Ablagefehler durch Überlappungen oder Gassen entstehen. Zudem sind Carbonfaser-Tapes aktuell für Branchen außerhalb der Luftfahrtbranche aufgrund der hohen Materialpreise nicht wirtschaftlich nutzbar.
In dieser Dissertation wird daher ein Spreizprozess mit einer integrierten Breitenregelung für die Produktion von trockenen binderfixierten Tapes aus kostengünstigen Carbonfaser Heavy Tows konzipiert, entwickelt und umgesetzt. Die Funktionsweise der Anlage wird im Rahmen einer technischen Bewertung der Tape-Breitenregelung sowie der mechanischen Eigenschaften der damit hergestellten Carbonfaser-Tapes validiert.
Aktualisiert: 2021-11-04
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Die Modifizierung von Polymeren mit Carbonfasern und speziell Carbonfaserrezyklaten ist eine stark wachsende Anwendung in der Kunststoffindustrie. Grund hierfür ist die stetig wachsende Nachfrage nach faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen, die gegenüber unverstärkten Kunststoffen signifikant verbesserte physikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Zudem wurde durch neue Gesetze (z. B. EU-Abfallrahmenrichtlinie und Altautoverordnung) festgelegt, dass Carbonfaserreste recycelt werden müssen. Alternative Entsorgungswege für Faserverbunde werden daher zukünftig unverzichtbar. Einer dieser Entsorgungswege kann die Herstellung von Compounds aus einer thermoplastischen Matrix und Carbonfaserrezyklaten sein. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher die Untersuchung und Analyse der Einarbeitungsvorgänge von Carbonfaserrezyklaten in thermoplastische Kunststoffe auf verschiedenen Compoundierextrudern. Im Fokus steht zuerst das Dosier- und Einzugsverhalten. Anschließend wird die Veränderung der Faserlängenverteilung innerhalb des Prozesses betrachtet. Als Ergebnis werden Richtlinien für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) zur Herstellung von Carbonfaserrezyklaten formuliert. Insbesondere für Compoundeure und Maschinenhersteller, die ein breites Produktspektrum und somit Produkte mit hohen Qualitätsansprüchen herstellen, ist dadurch eine Gewinn- und Umsatzsteigerung möglich. Die Ergebnisse zum Dosier- und Einzugsverhalten schaffen weiterhin Voraussetzungen, um Carbonfasercompounds aus Recyclingfasern herzustellen. Ein Vorhersagemodell für eine resultierende Faserlängenverteilung bei der Verarbeitung von Carbonfaserrezyklaten auf verschiedenen Compoundierextrudern soll zukünftige Investitionsentscheidungen insbesondere bei KMU unterstützen.
Aktualisiert: 2021-09-09
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In dieser Arbeit werden die Untersuchungen und Maßnahmen beschrieben, um das Induktionsfügen als flexible und prozesssichere Verbindungstechnik im automobilen Karosseriebau einzusetzen.
Aktualisiert: 2020-12-10
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Trotz ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften bei geringem Gewicht werden Carbonfasern heutzutage kaum in Massenanwendungen eingesetzt. Ein Hauptgrund ist der hohe Preis von durchschnittlich 20 €/kg aufgrund des zeit- und energieintensiven Produktionsprozess. Ein Flaschenhals ist der Prozess der thermischen Stabilisierung bei hohen Temperaturen bis 300 °C und langen Verweilzeiten von bis zu 100 Minuten. Mehr als 25 % der gesamten Produktionskosten entfallen auf diesen Prozessschritt.
Ziel dieser Arbeit ist die Reduktion der Prozesszeit der Stabilisierung auf weniger als 50 Minuten. Die grundlegende Prämisse ist, dass zur Umsetzung der Entwicklung keine zusätzlichen Investitionskosten notwendig werden. Hierdurch werden mögliche Markteintrittsbarrieren minimiert. Als Benchmark der mechanischen Eigenschaften gilt der industriell gängige Fasertyp Torayca® T300 der Firma Toray Industries, Inc. (Tokio, Japan) mit einer Bruchspannung von 3,5 GPa und einem E-Modul von 230 GPa.
Zur Reduktion der Stabilisierungszeit werden Prozessprofilen entwickelt, die auf die chemischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials angepasst sind. Hierbei wird der Herstellungsprozess kaskadiert und Stufenweise optimiert. Der Betrachtungsraum sind jeweils die Prozessparameter Temperatur, Verweilzeit und Verstreckung. Die mechanischen Eigenschaften werden über eine Optimierung des Prozessschritts Carbonisierung maximiert.
Als zentrales Ergebnis wird eine minimale Stabilisierungszeit von 24 Minuten bei einer Bruchspannung von 4,0 GPa und einem E-Modul von 235 GPa erreicht. Der Benchmark wird übertroffen. Bei Umsetzung beträgt das Einsparpotential im Produktionsprozess 4 €/kg. Die volkswirtschaftlichen Auswirkungen werden anhand des Fallbeispiels Offshore Windenergie auf 1.240 Mio. € berechnet.
Aktualisiert: 2020-07-30
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Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.
Aktualisiert: 2023-03-31
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In dieser Dissertation wird ein Verfahren zur Messung der Faserorientierung in mehrlagigen, dreidimensionalen Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) und den zu ihrer Herstellung verwendeten, trockenen Carbonfaser-Vorformlingen (Preforms) entwickelt.
Grundlage hierfür ist die Hochfrequenz-Wirbelstromprüfung, die eine Darstellung der leitfähigen Carbonfäden in den einzelnen Lagen erlaubt. Hierauf aufbauend wird in einem ersten Schritt ein Roboter-Bahnplanungsverfahren zur vollständigen Erfassung beliebiger 3D-Oberflächen entwickelt, mit dem eine 3D-Wirbelstrommessung durchgeführt wird.
Aus dem erhaltenen 3D-Wirbelstrombild wird anschließend die lokale Faserorientierung in den einzelnen Lagen mit einem Bildverarbeitungsverfahren gemessen und die 3D-Verläufe einzelner Fäden werden rekonstruiert. Die gemessenen Faserorientierungen werden als Input für die Struktursimulation sowie zur Prozessoptimierung verwendet.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Ziel dieser Arbeit ist es, die Überdimensionierung von Bauwerken aus Textil-beton durch eine leistungsbezogene Auslegung mit Zustandsüberwachung zu verhindern und Textilbeton so wettbewerbsfähiger zu machen. Dazu werden Kohlenstofffasern als Sensorfasern in für die Anwendung relevanten Verstärkungstextilien nutzbar gemacht.
Der Ansatz ist, die Veränderung der Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern zu charakterisieren und den Übertrag der Eigenschaften im Verbundwerkstoff zu bewerten. Dazu wird das komplexe System Bauteil zunächst in seine fertigungstechnischen Teilschritte zerlegt, um den jeweiligen Einfluss auf das Materialverhalten der späteren Anwendung zuordnen zu können. Abschließend wird der Zusammenhang zwischen dem Verhalten auf Garnebene und Verbundebene hergestellt.
Aktualisiert: 2020-12-08
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In dieser Dissertationsarbeit werden die Prozesse der Sulfonierung und Car-bonisierung analysiert und beschrieben sowie Polyethylen-basierte Carbonfasern hergestellt. Ziel dieser Arbeit ist die Ermittlung von Prozessparameter für eine kontinuierliche Polyethylen-basierte Carbonfaserherstellung. Hierzu werden Wirkzusammenhänge zwischen Fasereigenschaften und Prozessparametern in den Prozessen der Sulfonierung und Carbonisierung identifiziert. Basierend auf den generierten Erkenntnissen können für die Sulfonierung optimale Eigenschaften für einen Polyethylen-Precursor sowie für die Erreichung der Carbonfaser-Zieleigenschaften (Festigkeit: 1.730 - 2.800 MPa, E-Modul: 155 - 190 GPa) optimale Parameter für den Herstellungsprozess definiert werden. Die erreichten Eigenschaften der Carbonfasern liegen im Bereich der geforderten Zieleigenschaften. Zusammenfassend wird festgehalten, dass Polyethylen als Precursormaterial eine kostengünstige Alternative zu Polyacrylnitril zur Herstellung von Carbonfasern darstellt und ein kontinuierlicher Herstellungsprozess mittels Sulfonierung erfolgen kann.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Mit der i-Serie der BMW AG, München, bei der die Fahrgastzelle vollständig aus Carbonfaser-vertärktem Kunststoff (CFK) besteht, ist der Schritt der Carbonfaser in den automobilen Massenmarkt und in die Serienfertigung vollzogen. Nicht nur in der Automobilindustrie wurden die Vorteile des Werkstoffs CFK erkannt. Der Einsatz von Carbonfasern in Passagierflugzeugen, in der dezentralen Energieversorgung (Offshore-Windräder, Drucktanks) oder in der Bauindustrie (Carbonfaser-verstärkter Beton) sind nur einige Beispiele.
So verschieden die genannten Anwendungsfelder sind, so verschieden sind auch die Anforderungen an die CFK-Materialien. Die Anforderungen können die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes betreffen, durch die Einsatzumgebung des Verbundwerkstoffes gegeben sein oder aus einem Kostendruck im Herstellungsverfahren entstehen. In jedem dieser Fälle ist es notwendig, neue Materialkombinationen zur Anwendung zu bringen. Durch neue Materialkombinationen in den Verbundwerkstoffen entstehen neue Grenzflächen zwischen den einzelnen Materialien. Sind die Grenzflächen im Verbundbauteil nicht bedarfsgerecht abgestimmt, kann das gewünschte Versagensverhalten nicht erreicht werden und das Verstärkungspotential der Fasern kann nicht in vollem Umfang genutzt werden.
Eine gezielte Einstellung der Grenzflächen ermöglicht ein auf die jeweilige Anwendung maßgeschneidertes Eigenschaftsprofil des Verbundbauteils. In dieser Arbeit wird ein methodisches Vorgehen zur Abstimmung der Grenzflächen zwischen den einzelnen, den Faserverbundwerkstoff formenden Materialien beschrieben, mit dem eine systematische Entwicklung anhand von Modellsystemen möglich ist. Die Anwendbarkeit sowie die Zeit- und Kosteneffizienz des methodischen Vorgehens zur Grenzflächenabstimmung wird anhand von zwei Beispielen (Beschichtung für Carbonfasern in Betonanwendungen und Carbonfaser-Aktivierung mittels Niederdruck-Plasma für die Verstärkung von Polyurethan-Matrices) nachgewiesen.
Aktualisiert: 2019-12-12
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