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Das Recycling von Faserverbundkunststoffen (FVK) ist technisch anspruchsvoll und bedingt die getrennte Erfassung sowie eine aufwendige Demontage. Es findet aktuell in Deutschland kaum statt. Hinzu kommt, dass die derzeitigen Abfallmengen an carbon- und glasfaserverstärkten Kunststoffabfällen (CFK und GFK-Abfälle) gering sind. Das Recycling der ressourceneffizienten Leichtbauwerkstoffe gilt als unwirtschaftlich. Die durchgeführte Marktstudie für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK legt den Verbleib der entsprechenden Altprodukte dar und zeigt, dass die FVK-haltigen Abfälle dieser Produktgruppen sowie teilweise auch die vollständigen Produkte der hochwertigen Verwertung verloren gehen. Das ist von erheblichem ökologischem Nachteil. Eine Bündelung und ein gemeinsames Recycling dieser drei Produktgruppen mit anderen FVK-haltigen Abfällen (z.B. Rotorblätter von Windenergieanlagen und bestimmte Bauprodukten) erscheint ökologisch sinnvoll und praktikabel im Sinne einer hochwertigen, schadlosen und wirtschaftlich zumutbaren Abfallverwertung. Vor diesem Hintergrund ist es Ziel dieses Vorhabens, ein Kreislaufkonzept für Sportboote und Leichtflugzeuge sowie Bedarfsgegenständen aus CFK zu entwickeln. Um ein hochwertiges Recycling zu ermöglichen, müssen Bauteile aus FVK separat erfasst werden. Hierzu wurden detaillierte Handlungsanweisungen für die Trockenlegung, Demontage und Zerkleinerung von Sportbooten und Leichtflugzeugen sowie Möglichkeiten zur Sammlung und Rücknahme von CFK-haltigen Bedarfsgegenständen erarbeitet. Das Konzept schließt die systematische Wiederverwendung und Vorbereitung zur Wiederverwendung ein. Aus Sicht des Umweltschutzes kritische Punkte der Abfallverwertung wurden erkannt, beschrieben und Vorschläge für den sicheren Umgang mit Abfällen erarbeitet. Diese umfassen neben grundlegend wichtigen Empfehlungen zur Verwertung und der Nutzung digitaler Konzepte auch die Berücksichtigung politischer und organisatorischer Instrumente. Die Instrumente umfassen die Einführung von technischen Standards basierend auf den im Rahmen der Studie entwickelten Handlungsanweisungen, die Fortentwicklung bestehender Recyclingverfahren, den digitalen Produktpasses für Sportboote und freiwillige Rücknahmesysteme für CFK-haltige Bedarfsgegenstände. Eine wichtige formale Voraussetzung für die spezialisierte Verwertung ist die Einführung entsprechender Abfallschlüssel, was eine Änderung des Europäischen Abfallverzeichnisses erfordert., Recycling products with fibre reinforced plastics (FRP) is technically demanding and requires separate collection as well as adjusted dismantling procedures. There is currently hardly any such recycling taking place in Germany. In addition, the quantities of carbon and glass fibre reinforced plastic waste (CFRP and GFRP waste) are low. Recycling of these resource efficient, lightweight materials is not regarded as economically viable. The market study carried out in the course of the project for sports boats and light aircrafts as well as consumer goods made of CFRP shows the whereabouts of the end-of-life products and shows that the FRP-containing waste of these product groups, and actually the whole product, is currently lost to high-quality recycling. This is a considerable environmental burden. Bundling and joint recycling of these three product groups with other waste containing FRP (e.g. wind turbine blades and certain construction products) could be useful and feasible in establishing a high valuable, non-polluting and economical waste treatment. Against this background, the aim of this project is to develop a circular concept for sports boats and light aircrafts with FRP as well as consumer goods made of CFRP. In order to enable high-quality recycling, components made of FRP must be collected separately. For this purpose, detailed guidelines for the draining, dismantling and shredding of sports boats and light aircrafts as well as possibilities for the collection and taking back of consumer goods containing CFRP were developed. The concepts include measures for reuse and preparation for reuse. Critical issues of waste treatment procedures from the point of view of environmental protection were recognized and described, and measures for safe treatment were recommended. These are fundamentally important recommendations for recycling and the use of digital concepts but also the consideration of political and organizational instruments. These instruments include the introduction of standards based on the developed guidelines and further development of existing recycling processes, a digital product passport for sports boats and voluntary take-back systems for consumer goods containing CFRP. An important legal prerequisite for any specialized waste treatment are waste codes, which implies the need of the revision of the European List of Wastes.

Oxide fibre composites (OFCs) are a potential key technology for aerospace and energy applications due to their quasi-ductile fracture behaviour, high continuous service temperature and chemical and oxidation resistance. An inherent weakness of OFCs, which restricts their use, is their high susceptibility to shear. The aim of the work is to increase the interlaminar shear strength by producing an OFC with a simulatively designed three-dimensional braided reinforcement structure. In order to achieve a smooth surface and homogeneous impregnation, the infusion process is modified. For processing brittle oxide ceramic fibres, a fibre-friendly bobbin with adaptive yarn guidance is being developed to minimise the transverse forces acting on the roving. By adapting a yarn break detection system based on magnetic proximity sensors to rewind bobbins, additional yarn guiding elements can be omitted. Process design is enabled by creating a virtual twin using a combination of a design tool and a multi-body simulation. To model the textile structure, a topological simulation is extended with a compacting algorithm. Compared to conventional yarn guidance, the adaptive yarn guidance reduces the yarn tension fluctuation by 43 % and the filament breakage rate by 55 %. In a benchmark comparison of 2D woven OFC with 3D braided OFC, an increase in the interlaminar shear strength of 96 % is determined due to a z-fibre content of 13.1 % in the loading direction. The simulation-based design tool ‘Virtual Braiding Simulation’ (ViBraSi) enables variation of the preform architecture and the creation of a digital material model on a micro level.

Der Wet Compression Molding Prozess und dessen Prozesskette, zur großvolumigen Herstellung kontinuierlich faserverstärkter Verbundbauteile mit duromerer Matrix, ist seit 2013 in der Serienproduktion im Einsatz. Geringere Zykluszeiten lassen sich aufgrund des gleichzeitigen Drapierens des mit Matrix benetzten textilen Halbzeugs in Kombination mit der Parallelisierung der Prozessschritte Aushärtung und Matrixapplikation realisieren. Während des Kompressionsschritts findet, zusätzlich zur Umformung des initial getränkten textilen Halbzeugs, eine erzwungene Fluidausbreitung der Matrix sowohl über der, als auch durch die permeable Faserstruktur statt. In Abhängigkeit der Prozessparameter können sich Fluid-Struktur-Interaktionen ergeben, die zu Verschiebungen von Fasern, als auch zur Beeinflussung der Faserimprägnierung führen können. Beides beeinflusst die Bauteilqualität negativ. So führen bereits geringe Änderungen der Faserorientierung in Relation zur Lastrichtung zur Minderung der mechanischen Performance. Gleichzeitig kann eine inhomogene Tränkung die Häufigkeit von Lufteinschlüssen und somit Poren innerhalb der Bauteilstruktur erhöhen. Dementsprechend ist das Ziel dieser Arbeit die Identifizierung kritischer Prozessparameter während des Kompressionsschritts beim WCM Prozess. Des Weiteren sollen Mechanismen, die zur Entstehung fluidinduzierter Faserverschiebungen führen, evaluiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit folgt eine vergleichende Betrachtung der Fluidausbreitung beim WCM Prozess mit und ohne simultane Umformung des textilen Halbzeugs. Hierzu wird die Fluidausbreitung mit Hilfe eines transparenten Werkzeugs anhand einer generischen Geometrie auf Prüfstandebene visualisiert. Zur weiteren Analyse der Formfüllung findet abschließend eine makroskopische Betrachtung der Fluidausbreitung mit und ohne simultaner Umformung anhand eines komplexen generischen Demonstrators statt.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind aufgrund ihrer hohen Designflexibilität und ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften im Flugzeugbau nicht mehr weg zu denken. Der Aufbau des Materials aus einzelnen Lagen ermöglicht es lokale, lastpfadgerechte Verstärkungen und Sensorik in das Laminat zu integrieren, um somit etwa der örtlichen Beanspruchung Rechnung zu tragen oder einen hohen Leichtbaugrad zu realisieren. Daher wurden am Fraunhofer IWU Funktionsträger in unterschiedlichen Varianten entwickelt, mithilfe einer Tape-Lege Anlage gefertigt und zwischen multiaxialen Carbonfaser-Halbzeugen eingebracht und qualifiziert. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Funktionsträger hinsichtlich Positioniergenauigkeit und Ausrichtung in der Struktur, erfolgte die Entwicklung einer roboterbasierten Ultraschalluntersuchung mit automatischem Datenmanagement. Dabei wurden ein kollaborierender Roboter eingesetzt, um den Ultraschallsensor über das Bauteil zu führen und neue Wege hinsichtlich Auswertung sowie Datenmanagement beschritten. Die Untersuchung unterschiedlicher Parameter wie Prüfgeschwindigkeit, Rasterweite und die Fokussierung des Sensors, erlaubte die Ableitung von Standards, sowie die Gestaltung eines hocheffizienten zerstörungsfreien Prüfprozesses mittels Ultraschall-Analyse. Dadurch lassen sich die hohen Anforderungen aus der Luftfahrt erfüllen und Kosten durch automatische Inspektion und Bewertung deutlich reduzieren. Die innovativen Funktionsträger der Tape-Lege Anlage liefern darüber hinaus beste Voraussetzungen für die Integration in CFK-Luftfahrtstrukturen von morgen.

New trends in technology come at the cost of increasing demands on material properties. Prepreg-based materials as used in Printed Circuit Boards (PCBs) are no exception. The short and long-term temperature range which they need to operate in has increased dramatically, critical material failures are often the consequence. Additionally, RoHS compliances and governmental regulations limit the use of i.e., lead-based soldering processes have their share as well. Lead-free soldering requires temperatures about 40 ��C higher than State-of-the-Art technologies, making thermal management one of the critical properties of modern PCB base materials. State-of-the-Art polymer-based PCB materials such as glass-fiber (GF) reinforced thermosets lack this requirement due to their low intrinsic thermal conductivity. Pairing high thermally conductive metals that also possess a low CTE with polymers in PCBs creates a challenge as both material classes show a different dimensional behavior under thermal cycling, and PCB delamination or hot-spot formation is the result. The current research is challenged by the broad spectrum of requirements that need to be fulfilled. Increasing thermal conductivity and other thermal properties usually come at the cost of other must-have properties of PCBs, like water absorption, dielectric and mechanical properties. So how does one make the impossible possible? Searching for the ���holy grail��� in the fields of PCB substrates is finding a material (combination) whose processing is cost-efficient material-wise with a short production cycle at an industrial scale. In addition, the base material must comply with current regulations and has to meet the requirements coming from more demanding and new applications in challenging environments. Therefore, this doctoral thesis, aims to design a process and material that are environmental-friendly and cost-efficient and applicable in industrial scale. The high-Tg base material is tailored towards a simultaneous increase in thermal conductivity and flame retardancy without deteriorating other essential properties (i.e., water absorption, dielectric properties). The workflow involves the screening of different fillers of different nature, different filler sizes, and concentrations in feasibility studies. In addition, filler combinations and their ratios are investigated. The fillers��� dispersion and orientation are vital factors that can be triggered by an optimized processing method. Experimental studies are conducted in different stages: filled resin plates, prepregs, and their corresponding GF-reinforced laminates. The structure-property-relationship is established by comparing the overall results with special attention to the effect of GF. The main aim is to understand the impact of (synergistic) filler combinations, and the increasing FVC on filtration of fillers, filler network formation and the final laminate properties. The transferability between filled resin plates to their fiber-reinforced systems is studied to focus on thermal and mechanical properties. It is of great scientific interest to understand the inter-dependency of different fiber volume contents (FVC) with the thermal properties to describe models and give forecasts.

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022; Düren : Shaker Verlag 331 S. (2023). doi:10.18154/RWTH-2023-01253 = Dissertation, RWTH Aachen University, 2022, Oxide fibre composites (OFCs) are a potential key technology for aerospace and energy applications due to their quasi-ductile fracture behaviour, high continuous service temperature and chemical and oxidation resistance. An inherent weakness of OFCs, which restricts their use, is their high susceptibility to shear. The aim of the work is to increase the interlaminar shear strength by producing an OFC with a simulatively designed three-dimensional braided reinforcement structure. In order to achieve a smooth surface and homogeneous impregnation, the infusion process is modified. For processing brittle oxide ceramic fibres, a fibre-friendly bobbin with adaptive yarn guidance is being developed to minimise the transverse forces acting on the roving. By adapting a yarn break detection system based on magnetic proximity sensors to rewind bobbins, additional yarn guiding elements can be omitted. Process design is enabled by creating a virtual twin using a combination of a design tool and a multi-body simulation. To model the textile structure, a topological simulation is extended with a compacting algorithm. Compared to conventional yarn guidance, the adaptive yarn guidance reduces the yarn tension fluctuation by 43 % and the filament breakage rate by 55 %. In a benchmark comparison of 2D woven OFC with 3D braided OFC, an increase in the interlaminar shear strength of 96 % is determined due to a z-fibre content of 13.1 % in the loading direction. The simulation-based design tool ‘Virtual Braiding Simulation’ (ViBraSi) enables variation of the preform architecture and the creation of a digital material model on a micro level., Published by Shaker Verlag, Düren