Bewertung der Zirkularität von additiv gefertigten Formwerkzeugen aus kohlenstofffaserverstärktem Polycarbonat

Kohlenstofffaserverstärktes Polycarbonat kann durch additive Fertigungsverfahren wie dem Screw Extrusion Additive Manufacturing (SEAM) für Autoklav-Werkzeuge von Prototypen bis Kleinserie angewandt werden. Dabei bietet das Material die Möglichkeit nach Ausmusterung der Werkzeuge dieses durch mechanisches Recycling für eine neue Anwendung einzusetzen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Zirkularität des Werkstoffes für die beschriebene Prozesskette untersucht. Diese hängt in höchstem Maße von den thermomechanischen Eigenschaften sowie deren Änderung durch den Recyclingprozess ab. In diesem Kontext wurde angenommen, dass eine Faserverkürzung sowie eine Degradation des Polycarbonats zu einer Veränderung der
Werkstoffeigenschaften führen würde. Somit wurde damit gerechnet, dass ein limitierender Faktor für die Zirkularität der Werkzeuge und des Werkstoffes existiert. Allerdings musste erarbeitet werden, welcher dieser ist und wie stark er sich auf die Materialeigenschaften auswirkt. Zur Evaluierung der Zirkularität wurden mittels SEAM rechteckige Grundkörper gefertigt, aus denen Proben für DMTA-Zug, DMTA-Biegung, TMA-Prüfungen sowie DSC entnommen werden konnten. Die temperaturabhängigen E-Module wurden mittels DMTA-Biegung und DMTA-Zug ermittelt. Eine Bewertung des Wärmeausdehnungskoeffizienten konnte mittels TMA durchgeführt werden. Die Proben der DMTA-Biegung wurden in einem Winkel von 0°, 45° und 90° zur Druckrichtung ausgeschnitten. Die Proben für die DMTA-Zug und TMA wurden in einem Winkel von 0° und 90° zur Druckrichtung aus dem Grundkörper getrennt. Des Weiteren ermöglichten DSC-Prüfungen eine präzise Charakterisierung der Glasübergangstemperatur. Analog dazu wurden Grundkörper gefertigt, regranuliert und erneut mithilfe des SEAM hergestellt. Auf diese Weise konnten Grundkörper aus regranuliertem Material erzeugt werden, die dann für die bereits beschriebene Prüfkörperherstellung genutzt wurden. Die Ergebnisse der TMA haben gezeigt, dass durch das Recycling keine Änderung der Messwerte entstanden sind. Somit ist kein Einfluss des Recyclings auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten zuverzeichnen. Die DMTA-Zug und DMTA-Biegung haben gezeigt, dass trotz Recycling keine signifikanten Änderungen im temperaturabhängigen E-Modul erkennbar sind. Allerdings konnte anhand der Messungen festgestellt werden, dass ein frühzeitiger Einbruch des E-Moduls bei ca. 130°C entstanden ist, was auf eine Verschiebung der Glasübergangstemperatur hindeutet. Die DSC-Ergebnisse bestätigten dies und haben belegt, dass aufgrund des Recyclings der Glasübergang des kohlenstofffaserverstärkten Polycarbonats um ca. 10°C verringert wird. Die Versuche haben also gezeigt, dass ein Recycling des kohlenstofffaserverstärkten Polycarbonats möglich ist und dabei keine signifikante Änderung der thermomechanischen Eigenschaften eintritt. Allerdings konnten auch limitierende Einflüsse für die Zirkularität identifiziert werden. So kann hier
die Verschiebung des Glasübergangs angeführt werden. Diese Verschiebung hin zu niedrigeren Bereichen kann dazu führen, dass die maximale Einsatztemperatur des Werkzeugs mit zunehmendem Recyclingzyklus weiter sinkt. Somit könnte das Material für den Einsatz im jeweiligen Autoklav-Werkzeug unbrauchbar werden, sobald die maximale Einsatztemperatur unterhalb der Prozesstemperatur des Autoklav-Prozesses fällt.