Institut für Textiltechnik, ITA, RWTH Aachen University ,FKV ,Nanopartikel

Aktueller Projektstand: Die Wärmeleitfähigkeit von PA 6-Compounds durch TiO2, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und Bornitrid konnte gesteigert werden. Diese Compounds werden aktuell auf ihre Schmelzspinnbarkeit hin untersucht. Bild: Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University

Bei der Herstellung von Organoblechen für die Produktion von thermoplastischen, endlosfaserverstärkten Bauteilen handelt es sich um einen energie- und kostenintensiven, zweistufigen Prozess, in dem mehr als 40 % der Produktionskosten des Endbauteils generiert werden. Anhand einer Analyse, der im Rahmen des BMBF-Projekts NanoOrgano abgebildeten Prozesskette, wurde gezeigt, dass die Austaktung einzelner Prozessschritte in der gegenwärtigen Form unzureichend ist, um eine wirtschaftliche Fertigung unter Industriebedingungen abzubilden. Als Taktgeber des Produktionsprozesses wurde die simultane Konsolidierung und Umformung der thermoplastischen Prepregs erkannt, die Aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix besonders zeit-, energie- und somit kostenintensiv ist. Ein weiteres Hindernis für die erfolgreiche Umsetzung der Projektergebnisse in die Praxis stellen noch die vorhandenen Lücken bei der Prüfung und die Sicherstellung der Qualität entlang der einzelnen Stufen der Produktionskette dar.

Ziel des Projektes VIP-Organo am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University ist die Validierung des Innovationspotentials der im Rahmen des BMBF-Projektes NanoOrgano entwickelten Prozesskette für die wirtschaftliche Herstellung von thermoplastischen Verbundbauteilen, die auf dem Einsatz von Nanopartikeln, Comminglinggarnen und semiimprägnierten textilen Halbzeugen basiert.

Zur Verkürzung der Produktionstaktzeiten der Prozesskette ist eine Nanomodifizierung der thermoplastischen Komponente des Verbundwerkstoffs vorgesehen. Es muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Partikelkonzentration auf der einen Seite und den Weiterverarbeitungseigenschaften und der mechanischen Eigenschaften im Verbund auf der anderen. Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Matrixpolymers verkürzt die erforderlichen Zeiten zum Aufheizen und Abkühlen des Polymers bei der Konsolidierung und Formgebung.

Insgesamt wurde eine Reduktion der Produktionstaktzeiten um 20 % angestrebt. Qualitätsprüfung und Qualitätssicherung stellen zentrale Aspekte in vielen Anwendungsbereichen wie Automotive Luft- und Raumfahrt dar. Um eine erfolgreiche Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis zu ermöglichen, sind zur Sicherung der Qualität der hergestellten thermoplastischen Bauteile Methoden zur Qualitätsprüfung entlang der einzelnen Schritte der Prozesskette präzise zu definieren. Vorhandene Verfahren werden analysiert und hinsichtlich Ihrer Anwendbarkeit bewertet. Wenn notwendig, werden bestehende Prüfverfahren modifiziert und auch weiterentwickelt, um die Anforderung des jeweiligen Anwendungsfalls zu erfüllen. Mittels der Methode des Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) werden potenzieller Fehlerursachen identifiziert und bewertet. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird das Konzept eines Qualitätssicherungsystems erarbeitet. Im Rahmen des Projekts wird eine Markteinführungsstrategie erarbeitet. Der Focus liegt hier auf der Untersuchung der betriebswirtschaftlichen Verwendungsmöglichkeiten. Es werden Anforderungen an ein mögliches Produkt im Automobilbereich gestellt. Zusätzlich werden weitere Anwendungen definiert.

Die hier vorgestellte Entwicklung befindet sich im dritten Projektjahr. Der aktuelle Projektstand kann Abbildung 1 entnommen werden. Dabei konnte die Wärmeleitfähigkeit von PA 6-Compounds durch TiO2, Graphit, Carbon Nano Tubes (CNT) und Bornitrid gesteigert werden. Diese Compounds werden aktuell auf ihre Schmelzspinnbarkeit hin untersucht. Dabei konnten bereits Fasern aus PA 6 und dem günstigen Füllstoff TiO2 ausgesponnen, commingelt und verwoben werden. Die Untersuchung von PA 6-Compounds mit CNTs konnten nur geringe Steigerungen der Wärmeleitfähigkeit erreicht werden. Außerdem zeigte das Material Schwächen im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit und die Wirtschaftlichkeit. Daher wurde diese Kombination bereits verworfen. Im Rahmen der Qualitätsüberwachung wurden diverse Systeme für die einzelnen Prozessschritte identifiziert. Diese werden in den folgenden Monaten eine Untersuchung, im Hinblick auf ihre Eignung, zur vollständigen Prozessüberwachung unterzogen. Des Weiteren wurde bereits eine Prozesskostenanalyse der dargestellten Kette durchgeführt.