GrafCarbon - Entwicklung eines plasmabasierten Graftingprozesses für die Maximierung der Belastbarkeit von ultraleicht-Carbonfaserverbundwerkstoffen mit unpolaren Matrixkunststoffen; Teilvorhaben: Konstruktion der Faserführung

Abstract

Das Teilvorhaben der 3win Maschinenbau GmbH hatte das Ziel, eine Faserführungsanlage für die plasmabasierte Behandlung kontinuierlicher Carbonfaserrovings zu entwickeln und konstruktiv umzusetzen. Im Mittelpunkt der Arbeiten stand die Entwicklung einer modular aufgebauten Versuchsanlage, welche eine reproduzierbare Führung empfindlicher Carbonfasern ermöglicht und gleichzeitig die Voraussetzungen für eine möglichst homogene Plasmabehandlung schafft. Die Bearbeitung des Vorhabens erfolgte als iterativer Entwicklungsprozess, bei dem konstruktive Entwicklung, Fertigung und experimentelle Untersuchung eng miteinander verknüpft wurden. Bereits während der frühen Projektphase zeigte sich, dass zahlreiche Zusammenhänge zwischen Faserführung, Luftführung und Plasmabehandlung erst durch praktische Untersuchungen vollständig bewertet werden konnten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden kontinuierlich in die Weiterentwicklung der Versuchsanlage übernommen und führten zu einer schrittweisen Optimierung sämtlicher Baugruppen. Im Verlauf des Projektes wurden unterschiedliche Walzengeometrien entwickelt, gefertigt und experimentell untersucht. Die vergleichenden Untersuchungen zeigten den erheblichen Einfluss der konstruktiven Ausführung auf die Qualität der Faserspreizung sowie auf die Stabilität des gesamten Prozessablaufs. Darüber hinaus konnten durch die Entwicklung angepasster Luftführungselemente und Abschirmungen die Strömungsverhältnisse innerhalb des Plasmabereiches gezielt verbessert werden. Die erfolgreiche Integration sämtlicher Baugruppen in die Plasmaanlage bestätigte die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des entwickelten Anlagenkonzeptes. Die im Projekt entstandene Versuchsanlage ermöglicht reproduzierbare Untersuchungen plasmabasierter Oberflächenbehandlungen und stellt eine geeignete Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten dar. Neben den konstruktiven Entwicklungen leistete das Teilvorhaben einen wesentlichen Beitrag zum Gesamtvorhaben GrafCarbon. Durch die Bereitstellung einer geeigneten Faserführung konnten die wissenschaftlichen Untersuchungen der Projektpartner unter definierten und reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden. Gleichzeitig entstand eine modulare Forschungsplattform, welche zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet unterstützt. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zeigen, dass die Qualität plasmabasierter Oberflächenbehandlungen nicht ausschließlich von der Plasmaquelle selbst abhängt. Vielmehr beeinflusst die konstruktive Gestaltung der Faserführung den Behandlungserfolg in erheblichem Maße. Erst das abgestimmte Zusammenwirken von Faserspreizung, Luftführung, Walzengeometrie und Anlagenstruktur ermöglicht eine reproduzierbare Prozessführung. Zusammenfassend konnten die im Teilvorhaben definierten Entwicklungsziele erreicht werden. Es wurde eine modulare und experimentell validierte Faserführungsanlage entwickelt, welche die Anforderungen an eine wissenschaftliche Versuchsanlage erfüllt und eine belastbare Grundlage für zukünftige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet der plasmabasierten Oberflächenmodifizierung kontinuierlicher Carbonfaserrovings bildet. Die Ergebnisse des Vorhabens leisten damit einen Beitrag zur Weiterentwicklung innovativer Verfahren für die Herstellung leistungsfähiger Carbonfaserverbundwerkstoffe und schaffen gleichzeitig die konstruktiven Voraussetzungen für zukünftige Entwicklungen in Richtung industriell einsetzbarer Anlagenkonzepte.