{{{sourceTextContent.title}}}

Null-Abfall: Neuer Prozess, Ausrüstung recycelt Prepreg, Klebebandabfälle

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Die Technologie bietet einen nachhaltigen Ansatz für die Wiederverwendung von wertvollem thermoplastischem Schrott in chipbasiertem Laminat.

{{{sourceTextContent.description}}}

Eine Herausforderung beim Kitting von Prepreggeweben oder unidirektionalen (UD) Bändern besteht darin, herauszufinden, was mit Besätzen zu tun ist, die zu klein sind oder deren Fasern für die Wiederverwendung in einem anderen Projekt falsch ausgerichtet sind. Obwohl Verschachtelungssoftware und Schneidemaschinen den Ausschuss deutlich reduziert haben, gelangen Abfälle oft noch in eine Deponie, was die Material- und Teilekosten sowie die Umweltbelastung erhöht. Ein niederländisches Unternehmen, Van Wees UD und Crossply Technology BV (Tilburg, Niederlande), trägt jedoch zur Verbesserung der Nachhaltigkeit bei, indem es eine neue Technologie - und die Maschinen, die es ermöglichen - zur Wiederverwendung von thermoplastischen Bandabfällen entwickelt.

Textile Wurzeln

Van Wees wurde 1945 gegründet und hat seine Wurzeln in der Textilindustrie. Van Wees ist ein Full-Service-Dienstleister, der Maschinen und Produktionslinien zur Herstellung fortschrittlicher Verbundwerkstoffe (Duroplaste oder Thermoplaste, Kohle- oder Glasfasern) entwickelt, produziert, installiert und in Betrieb nimmt, wobei der Schwerpunkt auf hochwertigen Produktionsmethoden mit hohen Stückzahlen liegt. Das Unternehmen stellt Prepreg-Imprägnieranlagen (einschließlich Gatter) her - vor allem für Epoxide auf der Duroplastseite und für Materialien von Polypropylen (PP) bis hin zu Hochtemperaturpolyamiden (PAs) auf der Thermoplastseite - sowie kreuz- und mehrachsige UD-Bandlegemaschinen, die sowohl thermoplastische als auch duroplastische Bänder verarbeiten können. Ein Schwesterunternehmen, Eltra Engineering BV (ebenfalls in Tilburg), ist auf die industrielle Automatisierungstechnik spezialisiert und liefert elektrische Steuerungen und Software für Van Wees-Maschinen. Van Wees unterhält in seinem Forschungs- und Technologiezentrum (R&TC) Produktionsanlagen für die eigene Prozessentwicklung sowie für Kunden, die ein Van Wees-System in Betracht ziehen oder die lernen, Anlagen zu bedienen, während sie auf den Bau ihrer Maschinen warten. Auf diese Weise können Kunden Material produzieren, das sie bewerten oder wiederum ihren eigenen Kunden zur Bewertung anbieten können. So können beispielsweise im R&TC Schlepps aus einem Gatter gezogen und Fasern gespreizt und imprägniert werden, um Bänder herzustellen, die dann durch die kreuz- oder mehrachsigen UD-Maschinen des Unternehmens geführt werden können, um Laminate mit einer Vielzahl von Lagen und Faserorientierungen herzustellen. (Kreuzlaminate haben mindestens zwei Lagen, die auf 0/90 Grad ausgerichtet sind, und mehrachsige UD-Laminate haben mindestens zwei UD-Lagen, die auf andere Winkel als 0/90 Grad ausgerichtet sind.) Laminate, die aus diesen Maschinen austreten, werden zur besseren Handhabung miteinander verklebt. Sie können anschließend in netzförmige Vorformen gestanzt werden, die dann zur Verarbeitung zu einem Verbundteil bereit sind. Obwohl sich Van Wees' Ausrüstung mit der kreuz- und mehrachsigen UD-Ausrüstung auf die Herstellung von UD-Thermoplastbändern konzentriert, können die Maschinen zur Herstellung von Bändern mit duroplastischen Matrizen und/oder mit Gewebe anstelle von UD-Verstärkungen verwendet werden.

Interessanterweise war es das eigene Ausschussproblem von Van Wees, diese Produkte für Kundenversuche herzustellen, sowie die Wünsche der Kunden, das die Forscher des Unternehmens dazu veranlasste, ein "abfallfreies Verfahren" zu entwickeln, um Späne und Abfälle aus der Preform-Produktion unter Verwendung von Tailored-Fiber-Rohlingen zu recyceln. Als Dienstleistung bietet das Unternehmen seinen Kunden die Möglichkeit, diese chipbasierten thermoplastischen Rohlinge zu bewerten und hat bereits Anlagen entwickelt, um sie in hohen Produktionsmengen kommerziell herzustellen

Während der Stanzoperationen zur Herstellung von netzförmigen Preforms (die Van Wees als "Patches" bezeichnet) wird das Abfallmaterial gesammelt und nach Harz und Fasertyp getrennt. Dieser Schrott ist unregelmäßig geformt und bemessen, so dass die Stanzen so konzipiert sind, dass sie "Späne" mit einer maximalen Größe von 50 x 50 Millimetern produzieren. Hackschnitzel werden dann zu einer konsolidierten Platte gepresst (durch Pressen oder Vakuumformen), wodurch ein Laminat mit zufällig orientierten, diskontinuierlichen Fasern entsteht. Für die Herstellung der Platte wird kein zusätzliches Harz benötigt, und es werden nur Chips mit chemisch verträglichen Harzen gemischt, obwohl sowohl glas- als auch kohlefaserverstärkte Chips je nach den gewünschten Eigenschaften im Endteil, das aus dem chipbasierten Laminat gebildet wird, kombiniert werden können.

Da Fasern in einzelnen Chips innerhalb des Laminats bis zu 50 Millimeter lang sein können und die Faserorientierung über die Platte zufällig ist, bieten die zu 100 Prozent recycelten, abfallfreien Tailored Blanks eine gute und orthotrope Steifigkeit und Festigkeit - insbesondere im Vergleich zu kurzfaserigen Spritzgießmassen. Da die Fasergewichtsfraktionen für die diskontinuierlichen Faserbündel der Laminate jedoch 50-70 Prozent betragen können - mit ersten Formulierungen am oberen Ende dieses Bereichs - kann das Material in einer Presse kaum fließen. Um 2,5D- oder 3D-Geometrien zu füllen, muss das chipbasierte Laminat daher in einer Spritzgießmaschine mit Kurzfaser oder sogar sauberem Harz umspritzt werden. Es könnte auch mit einem Endlosfasermaterial in einer Presse zusammengepresst werden. So oder so, das Laminat muss vor dem Formen vorgewärmt werden.

Interessanterweise hat Van Wees festgestellt, dass die chipbasierten Paneele immer noch die Hälfte der Biegefestigkeit und des Biegemoduls ihrer leistungsstarken, endlosen Querplatten in der gleichen Faser- und Harzkonfiguration bieten.

Konzept bewährt sich

Um die Leistungsfähigkeit seiner abfallfreien Tailored Blanks zu demonstrieren, hat Van Wees mehrere Demonstratorprojekte durchgeführt. Eine davon war ein Versteifungs-/Crashbalken für Türinnenverkleidungen eines Pkw. Grundlage dafür war das Projekt Lipa Series, das Leichtbau-Verbundteile für die Serienproduktion für verschiedene Branchen entwickelte. Das mittlerweile inaktive Konsortium mit Sitz in Büsslingen, Schweiz, baute auf Kerntechnologien auf, die das Vorformen von Endlosfaser-Organoblech/Glasmatten-Thermoplast (GMT)-Verbundwerkstoffen und die anschließende Hinterfüllung mit faserverstärktem Harz in einer Spritzgießmaschine beinhalteten.

Der Demonstratorstrahl von Van Wees (ein Teil, das zur Erfüllung von Seitenaufprall-/Eindringvorschriften verwendet wurde) war etwa 650 Millimeter lang, 110 Millimeter breit, hatte eine Nennwand von 3 Millimetern und wog etwa 450 Gramm im Referenzmaterial, einem 3 Millimeter glasgewebeverstärkten PA6. Das Teil wies auch eine gewölbte Struktur in der Mitte auf, die 40 Millimeter hoch war. Der Organoblech-Crashstrahl bot keine ausreichende Energieabsorption, um den Anwendungsanforderungen gerecht zu werden, so dass die Forscher von Van Wees versuchten, die Gesamtleistung bei gleicher Wanddicke (da vorhandene Werkzeuge verwendet wurden), in einer Zykluszeit von weniger als einer Minute und ohne Abfall zu verbessern.

In Zusammenarbeit mit mehreren Polymerlieferanten produzierte Van Wees UD-Bänder im eigenen Haus aus verschiedenen Polymeren und Verstärkungen - darunter Glasfaser/PA4/10, Glasfaser/PP, Kohlefaser/PP und Glas + Kohlefaser/PP. Passende kurzfaserige Spritzgießformmassen wurden von den Harzlieferanten produziert. Mit Hilfe der Simulation wurde die Anzahl und Ausrichtung der einzelnen UD-Schichten für Tailored Blanks bewertet, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Anschließend wurden aus Bändern Endlosfaserlaminate hergestellt, aus denen die Crashbalken hergestellt wurden. Die Ergebnisse des Computer Aided Engineering (CAE) prognostizierten, dass die Glasfaser/PA4/10 Tailored Blanks die besten Eigenschaften zu niedrigeren Kosten als das Gewebe/Organoblatt bieten würden, und physikalische Tests bestätigten dies.

Um Möglichkeiten zur Reduzierung von Abfall und Kosten weiter zu erforschen, nutzten die Forscher Schrott (ca. 30 Prozent Schnittverluste), der bei der Herstellung von Endlosfaserlaminaten zur Herstellung von Crashbalken anfällt, recycelten dieses Material zu 1 Millimeter dicken chipbasierten Laminaten und verwendeten dieses Produkt als Kernschicht (die drei UD-Lagen ersetzt) zwischen "Skins" aus mehr UD-Material, die auf der mehrachsigen UD-Maschine hergestellt wurden. Interessanterweise sahen sie in Vorversuchen mit begrenztem Stichprobenumfang bei den Hybridlaminaten mit einer Mischung aus kontinuierlicher und diskontinuierlicher Verstärkung im Vergleich zu den vollkontinuierlich verstärkten Laminaten wenig oder gar keinen Leistungsverlust.

Zusätzliche Berechnungen des Teams ergaben, dass es möglich sein würde, die Produktionsziele von Van Wees von 2 Millionen Crash-Balken pro Jahr mit dem vom Team der Lipa-Serie entwickelten 1-minütigen Verbund-Overmolding-Verfahren zu erreichen. Angesichts der Geschwindigkeit, mit der die Van Wees Tailored-Blank-Produktionslinien arbeiten (1.800 Patches/Stunde auf der mehrachsigen UD-Maschine und 1.260 Patches/Stunde auf der Kreuzlegemaschine), würde die Hinzufügung zusätzlicher Anlagen zur Umwandlung von Schrott in spänebasierte Laminate ein abfallfreies Produktionssystem schaffen und die Produktionsmengen um 30 Prozent auf 2,6 Millionen Teile pro Jahr erhöhen. Ironischerweise wären die Spritzgießmaschinen der ratenbegrenzende Schritt in diesem Produktionsablauf - was nicht oft vorkommt.

Ein weiteres Projekt, das die Forscher des Unternehmens durchführten, war die Entwicklung von Türgriffen aus Verbundwerkstoff für den Konferenzraum am Hauptsitz von Van Wees. Die endgültigen Composite-Einsätze standen den Teilnehmern auf der letztjährigen Konferenz Composites Overmolding zur Verfügung.

"Co-Entwicklung und Innovation sind die treibenden Kräfte der modernen Industrie", sagt Rien van den Aker, Van Wees Direktor. "Wir glauben, dass die gemeinsame Entwicklung mit allen Akteuren der Verbundkette von herausragendem Interesse ist. Metalle sind die Konkurrenten unserer Branche und werden auf die rationellste Weise hergestellt. Deshalb werden wir nur mit intelligenten Prozessen und Ausrüstungen Leichtbau-Verbundprodukte in Großserienanwendungen einführen können." Er betont, dass es gemeinsamer Anstrengungen der Lieferkettenmitglieder bedarf, um eine abfallfreie Produktion von duroplastischen und thermoplastischen Verbundteilen zu ermöglichen. "Van Wees unterstützt Interessenten gerne bei der Produkt- und Prozessentwicklung", fügt er hinzu.