Ermittlung der mechanischen Eigenschaften von CFK-Patch-Strukturen in Abhängigkeit der Patch - Größe und der prozentualen Verteilung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen bezüglich eines innovativen Recycling-Verfahrens für CFK-Produkte, das am Fraunhofer Institut für chemische Technologie (ICT) ent-wickelt wurde. Die Methode sieht den Einsatz von kleinen, genormten Flächenstücken, sogenannten Patches, vor. Diese werden zunächst aus Altstrukturen ausgeschnitten und anschließend ei-nem Prozess zur Faser-Matrix-Separation unterzogen. Im nächsten Schritt werden die rezyklierten Patches dann, unter Berücksichtigung spezieller Ablagemodelle, neu angeordnet. Dabei werden diese meist mit Neufaser-Lagen kombiniert. Nach einem weiteren Infiltrations-Prozess sollen so hochwertige CFK-Bauteile mit einem hohen Anteil an rezyklierten Fasern, bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit, erhalten werden. Während diesbezüglich für den Prozess zur Faser-Matrix-Separation bereits weitreichende Erfolge erzielt wurden, sind derzeit noch viele andere Prozess-Parameter unbekannt. Vor allem hinsichtlich der Beeinflussung des Verfahrens durch die gewählte Patch-Größe, sowie verschiedene Ablagemodelle und die damit verbundenen technischen Ansprüche, besteht noch großer Handlungsbedarf. Das Gesamtprojekt beinhaltet dabei die Untersuchung sämtlicher Fehlerquellen, die isoliert auf Ebene von Einzelfasern, infiltrierten Laminaten, sowie aus-Patch-Strukturen-aufgebauten Laminaten, bestimmt werden sollen. Weiterhin sollen die einzelnen Prozessschritte untersucht werden, wobei für die Faser-Matrix-Separation ein Pyrolyse-Prozess vorgesehen ist. Die Bestimmung der jeweils für die Verfahrensschritte individuellen Degradationsraten muss also für jede der beschriebenen Ebenen einzeln durchgeführt werden. Durch den Vergleich zu Neufaser-Referenzen, kann schließlich ein vollständiges Gesamtbild aller Einflussfaktoren erhalten werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind vor allem diese Vergleichsparamater für Neufasern bestimmt wor-den. Mithilfe umfangreicher Versuchsreihen wurden einige der noch offenen Fragestellungen geklärt. Dazu wurden zunächst CFK-Laminate aus Neufaser-Patch-Strukturen mit Hinblick auf ausgewählte Ablagemodelle, unter Verwendung verschiedener Patch-Größen, aufgebaut. Aus diesen wurden Zugprüfkörper, sowie Vier-Punkt-Biege-Prüfkörper, gewonnen, die als Maß für die jewei-ligen mechanischen Eigenschaften der speziellen Patch-Kombinationen dienten. Dabei wurden charakteristische Einzelfehler im Lagenaufbau, sowie klassische Fehler-Kombinationen, die jeweils durch die integrierten Patches bedingt waren, für die Aussagen herangezogen. So konnten erste Erkenntnisse über die speziellen Ansprüche bei der Verarbeitung der Patches gewonnen werden. Hinsichtlich des Bruchverhaltens konnten einige aussichtsreiche Zusammenhänge identifiziert werden. Die gewonnenen Ergebnisse liefern darüber hinaus neue Informationen über jeweils anwendungsoptimierte Ablagemodelle, sowie individuell-kritische Patch-Größen. Für eine weitere Eingrenzung der entdeckten Zusammenhänge und Einflüsse werden weitere Versuchsreihen entwickelt. Sollten sich hier, sowie für das Gesamt-Projekt, weiterhin positive Ergebnisse abzeichnen, ist ein umfassender Einsatz dieser Technologie, auch in großtechnischer Umsetzung, in naher Zukunft denkbar.

The work in hand has a focus on investigations concerning an innovative CFRP-recycling-technol-ogy, which has been developed at the Fraunhofer Institute for chemical technology (ICT). The technique involves the use of small, standardized Patches. These are initially cut out of waste-structures, then they are submitted to a special treatment in order to separate fiber- and matrix-fractions. Within the next step, a new arrangement of these patches is built, considering special arrangement-designs. Thereby the patches are usually combined with virgin-fiber-layers. Due to a further infiltration-process, valuable high-performance-CFRP-components with a high amount of recycled fibers, should be received. Whereas extensive success on this topic has been achieved for the fiber-matrix-separation-pro-cess, lots of other process parameters are currently unexplored. So there is urgent need for action, especially in case of the investigation of influences caused by patch-size and different arrangement-designs, as well as associated technical requirements. The overall project implicates analysis of all error sources, which should be determined on isolated level for single fibers, infiltrated laminates, as well as for laminates built out of patch-structures. Furthermore, individual process-steps should be examined, whereby a pyrolysis-process should be used for fiber-matrix-separation. So, measurement of the different degradation-rates, which are individual for each single process-step, need to be done for each of the levels described above. With reference to virgin-fiber-parameters, a complete overview of influencing factors can be ac-complished consequently. Within the work of this thesis, these reference-parameters have been determined in the case of virgin fibers. By means of comprehensive test series, some of questions described above could be resolved. For that reason, CFRP-plates have been built using various-sized virgin-patch-structures, in respect of special arrangement-designs. Tensile-strength-test-specimen and four-point-bend-ing-test-specimen have been cut out of the plates in order to get information about the mechan-ical properties of specific patch- combinations. Thereby, characteristic layer-buildup-faults, as well as classic fault-combinations, which are caused by integrated patches in each case, were con-sulted. Primary perceptions about special handling-requirements by dealing with patches could be obtained as a result. Moreover, some promising coherencies have been identified, in view of the breaking-properties. The results archieved provide some new information about application-specific arrangement-designs, as well as about particular critical patch-size. For the purpose of further examination of explored coherencies and influences, additional test series have been developed. If results are still positive for this investigations, as well as for the whole overall project, an extensive utilization of this technology, even in industrial application, is thinkable any time soon.