Kreislauffähigkeit thermoplastischer gewickelter Faserverbund-Strukturen durch innovatives Materialdesign, abschälbasierte Demontage und Neu-Wickeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Balle; Dr. Mathieu Imbert
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik ; Fügetechnik und Trenntechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530221883

Das Wickeln von thermoplastischen Verbundwerkstoffen ermöglicht die Herstellung von leichten Druckbehältern, die sich besonders für den Transportsektor eignen. Dennoch stellt ein klassisches Recycling ohne Downcycling dieser Strukturen aus wertvollen Endlosfaserstreifen, die in eine Polymermatrix eingebettet sind, eine große technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Um den Wert des Verbundwerkstoffs zu erhalten, sollte die Verarbeitung am Ende der Nutzungsdauer die Kontinuität der Fasern bewahren, um die mechanischen Eigenschaften zu maximieren, und die Einbettung der Fasern in der Matrix erhalten, um die Wiederverwendung zu vereinfachen. Jüngste experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass diese Ziele mit einer abschälbasierten Demontage erreicht werden können, und haben die entscheidende Rolle der interlaminaren Eigenschaften für die Qualität des zurückgewonnenen Materials hervorgehoben. Aufbauend auf diesen Ergebnissen zielt das Projekt Circular² darauf ab, die Materialzirkularität von gewickelten Strukturen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen durch innovatives Materialdesign, abschälbasierte Demontage und Wiedernutzung der Faserstreifen unter Verwendung eines holistischen Design-for-Reuse-Ansatzes zu ermöglichen. Es werden zwei innovative Designstrategien untersucht: (A) materialorientiertes Design, das in der Anpassung der Streifenoberfläche besteht, um die gewünschten Grenzflächeneigenschaften unter spezieller thermomechanischer Belastung zu erzeugen; (B) ein strukturorientiertes Wickeldesign, das die für das Abschälen nachteilige Faserverschachtelung benachbarter Schichten vermeidet, in Kombination mit zwei innovativen Demontagestrategien: (I) ultraschallunterstütztes Abschälen; (II) Abschälen bei niedriger Temperatur oder hoher Abschäl-Geschwindigkeit, um eine Versprödung der Grenzfläche zwischen den Schichten zu bewirken. Die abgeschälten Bänder werden in einem Wickelverfahren wiederverwendet. Die mechanischen Eigenschaften werden nach Herstellung, Abschälen und Wiederverwendung der Endlosfaserstreifen bestimmt. Es wird ein Multiphysik- und Multiskalensimulationswerkzeug entwickelt, um die Mechanismen zu modellieren, die während der verschiedenen Prozesse ablaufen. Schließlich wird der ökologische Fußabdruck der untersuchten Strategien verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Anaïs Barasinski