Zero-Waste Innovation: Neuer Prozess & Equipment recycelt Prepreg & Tape Verschnitt

Textile Wurzeln

Eine Herausforderung beim Kitting von Prepreg-Geweben oder unidirektionalen (UD) Tapes ist, was mit Verschnitt passiert, der zu klein oder dessen Fasern falsch ausgerichtet für Wiederverwendung in anderen Projekten sind. Obwohl Nesting-Software und Cutter Verschnitt stark reduziert haben, landet dieser oft auf Deponien, was Material- und Teilkosten sowie Umweltbelastung erhöht. Ein niederländisches Unternehmen, Van Wees UD and Crossply Technology BV (Tilburg, Niederlande), verbessert Nachhaltigkeit durch Entwicklung einer neuen Technologie – und der Maschinen, die sie ermöglichen – zur Wiederverwendung von Thermoplast-Tape-Verschnitt.

1945 gegründet und mit tiefen Wurzeln in der Textilindustrie, ist Van Wees Full-Service-Provider, der Maschinen und Produktionslinien für Advanced Composites (Duroplast oder Thermoplast, Carbon- oder Glasfaser) mit Fokus auf High-Quality, High-Volume Produktionsmethoden entwirft, produziert, installiert und in Betrieb nimmt. Das Unternehmen baut Prepreg-Imprägnierlinien (inkl. Creels) – primär für Epoxide auf Duroplast-Seite und Materialien von Polypropylen (PP) bis High-Temperature Polyamide (PAs) auf Thermoplast-Seite – sowie Crossply und Multiaxial UD-Tape-Platziermaschinen, die sowohl Thermoplast- als auch Duroplast-Tapes verarbeiten können. Ein Schwesterunternehmen, Eltra Engineering BV (auch Tilburg), spezialisiert sich auf Industrieautomation und liefert elektrische Steuerungen und Software für Van Wees Maschinen.

In seinem Research and Technology Center (R&TC) unterhält Van Wees Produktionsskala-Equipment für eigene Prozessentwicklung sowie für Kunden, die ein Van Wees System evaluieren oder Equipment bedienen lernen, während ihre Maschinen gebaut werden. Dies ermöglicht Kunden, Material zu produzieren, das sie evaluieren oder ihren eigenen Kunden zur Evaluation anbieten können. Beispielsweise können im R&TC Tows von einem Creel gezogen, Fasern gespreizt und imprägniert werden zu Tapes, die dann durch Crossply- oder Multiaxial-UD-Maschinen zu Laminaten mit verschiedenen Lagen und Faserorientierungen verarbeitet werden. (Crossply-Laminate haben mind. zwei Lagen bei 0/90 Grad, Multiaxial-UD-Laminate mind. zwei UD-Lagen bei Winkeln außer 0/90 Grad.) Exiting Laminate werden für Handling zusammengetackt. Sie können dann in Net-Shape-Preform gestanzt werden, die dann für Composite-Teilefertigung bereit sind. Obwohl Van Wees' Equipment-Fokus bei Crossply und Multiaxial UD auf UD Thermoplast Tapes liegt, können die Maschinen auch Tapes mit Duroplast-Matrizen und/oder Gewebe statt UD-Verstärkung produzieren.

Interessanterweise führte Van Wees' eigenes Verschnittproblem bei der Herstellung dieser Produkte für Kundentests sowie Kundenanfragen dazu, dass Forscher einen „Zero-Waste-Prozess“ zur Recycling von Chips/Verschnitt aus Preform-Produktion mittels Tailored-Fiber-Blanks entwickelten. Als Service bietet das Unternehmen Kunden die Möglichkeit, diese Chip-basierten Thermoplast-Blanks zu evaluieren und hat bereits Equipment für deren kommerzielle Hochvolumenproduktion entwickelt.

Nichts verschwenden, nichts entbehren

Beim Stanzen von Net-Shape-Preforms (die Van Wees „Patches“ nennt) wird Verschnitt gesammelt und nach Harz- und Fasertyp segregiert. Dieser Verschnitt ist unregelmäßig geformt und dimensioniert, so dass Stanzer „Chips“ mit max. 50 x 50 mm produzieren. Gehackte Chips werden dann zu einem konsolidierten Blech gepresst (via Press- oder Vakuumformen), resultierend in einem Laminat mit zufällig orientierten, diskontinuierlichen Fasern. Kein zusätzliches Harz wird für das Blech benötigt, und nur Chips mit chemisch kompatiblen Harzen werden gemischt, obwohl sowohl Glas- als auch Carbonfaser-Chips je nach gewünschten Eigenschaften im endgültigen Teil kombiniert werden können.

Da Fasern in einzelnen Chips im Laminat bis zu 50 mm lang sein können und Faserorientierung über das Blech zufällig ist, bieten die 100 % recycelten, Zero-Waste Tailored Blanks gute und orthotrope Steifigkeit und Festigkeit – besonders im Vergleich zu Kurzfaser-Spritzgusscompounds. Da Faser-Gewichtsanteile für die Laminate's diskontinuierliche Faserbündel 50–70 % betragen können – mit initialen Formulierungen am oberen Ende – kann das Material in einer Pressform kaum fließen. Daher muss das Chip-basierte Laminat zum Füllen von 2,5D oder 3D Geometrie mit Kurzfaser oder sogar reinem Harz in einer Spritzgießmaschine überformt werden. Es könnte auch mit Continuous-Faser-Material in einer Pressform co-geformt werden. Auf jeden Fall muss das Laminat vor dem Formen vorgeheizt werden.

Interessanterweise fand Van Wees, dass Chip-basierte Paneele immer noch die Hälfte der Biegefestigkeit und des Moduls ihrer High-Performance Continuous-Fiber Crossply-Paneele in derselben Faser- und Harzkonfiguration bieten.

Konzeptnachweis

Um die Fähigkeiten seiner Zero-Waste Tailored Blanks zu demonstrieren, führte Van Wees mehrere Demonstratorprojekte durch. Eines war ein Versteifungs-/Crash-Balken für Türinnenseiten an einem Pkw. Basierte auf dem Lipa Series Projekt, das Leichtbau-Composite-Teile für Serienproduktion für verschiedene Industrien entwickelte. Das nun inaktive Konsortium in Büsslingen, Schweiz, baute auf Kerntechnologien: Vorformen von Continuous-Faser Organosheet/Glass-Mat Thermoplastic (GMT) Composites und Rückfüllen mit faserverstärktem Harz in Spritzgießmaschine.

Van Wees Demonstrator-Balken (Teil für Seitenaufprall/Einbruchsvorschriften) war ca. 650 mm lang, 110 mm breit, nominelle Wand 3 mm, wog ca. 450 g im Benchmark-Material (3 mm Glasgewebe-verstärktes PA6). Das Teil hatte auch eine kuppelförmige Struktur in der Mitte, 40 mm hoch. Der Organosheet-Crashbalken lieferte nicht ausreichend Energieabsorption für Anwendungsanforderungen, so versuchten Van Wees Forscher, Gesamtperformance bei gleicher Wanddicke (da bestehendes Werkzeug genutzt wurde), in unter einer Minute Zykluszeit und Zero Waste zu verbessern.

In Zusammenarbeit mit mehreren Polymerzulieferern produzierte Van Wees UD-Tapes im Haus mit verschiedenen Polymeren und Verstärkungen – einschließlich Glasfaser/PA4/10, Glasfaser/PP, Carbonfaser/PP, Glas + Carbonfaser/PP. Passende Kurzfaser-Overmolding-Compounds wurden von Harzlieferanten produziert. Simulation evaluierte Anzahl und Orientierung einzelner UD-Lagen für Tailored Blanks, um Performance-Anforderungen zu erfüllen oder zu übertreffen. Dann wurden Tapes zu Continuous-Faser-Laminaten verarbeitet, aus denen Crashbalken gefertigt wurden. CAE-Ergebnisse sagten Glasfaser/PA4/10 Tailored Blanks beste Eigenschaften bei niedrigeren Kosten als Fabric/Organosheet voraus, physikalische Tests bestätigten dies.

Um Möglichkeiten zur Abfall- und Kostenreduzierung weiter zu erkunden, nutzten Forscher Verschnitt (ca. 30 % Schnittverluste) aus Continuous-Faser-Laminatproduktion, um Crashbalken zu fertigen, recycelten dieses Material zu 1-mm-dicken Chip-basierten Laminaten und nutzten dieses als Kernlage (ersetzt drei UD-Lagen) zwischen „Skins“ aus mehr UD-Material vom Multiaxial-UD-Gerät. Interessanterweise zeigten Vorversuche mit begrenzter Stichprobengröße wenig oder keinen Performanceverlust für Hybridlaminate mit Mix aus Continuous und Discontinuous Verstärkung im Vergleich zu voll Continuous-verstärkten Laminaten.

Zusätzliche Berechnungen des Teams zeigten, dass Van Wees Produktionsziel von 2 Mio. Crashbalken pro Jahr mit dem 1-Minuten-Composite-Overmolding-Prozess des Lipa Series Teams erreichbar wäre. Angesichts der Geschwindigkeit der Van Wees Tailored-Blank-Produktionslinien (1.800 Patches/Stunde auf Multiaxial UD, 1.260 Patches/Stunde auf Crossply) würde zusätzliche Equipment zur Umwandlung von Verschnitt in Chip-basierte Laminate ein Zero-Waste-Produktionssystem schaffen und Produktionsvolumen um 30 % auf 2,6 Mio. Teile/Jahr erhöhen. Ironischerweise wären Spritzgießmaschinen der Flaschenhals in dieser Produktionskette – was nicht oft passiert.

Ein weiteres Schnelldrehprojekt war Entwicklung von Composite-Gesichtstürgriffen für den Konferenzraum im Van Wees HQ. Finale Composite-Einsätze waren für Teilnehmer letztes Jahr auf der Composites Overmolding Konferenz verfügbar.

„Co-Development und Innovation sind die treibenden Kräfte moderner Industrie“, bemerkt Rien van den Aker, Van Wees Direktor. „Wir glauben, dass gemeinsame Entwicklung mit allen Akteuren in der Composite-Kette von höchstem Interesse ist. Metalle sind die Wettbewerber unserer Industrie und werden auf rationalste Weise hergestellt. Daher wird es nur mit intelligenten Prozessen und Equipment gelingen, Leichtbau-Composite-Produkte in Hochvolumenanwendungen einzuführen.“ Er betont, dass es gemeinsame Anstrengungen der Lieferkettenmitglieder braucht, um Zero-Waste-Produktion von Duroplast- und Thermoplast-Composite-Teilen möglich zu machen. „Van Wees unterstützt interessierte Parteien gerne bei Produkt- und Prozessentwicklung“, fügt er hinzu.