Gegenstand der vorliegenden Dissertationsschrift ist die Entwicklung und Umsetzung von neuartigen Hybridgarnen aus recycelten Carbonfasern (rCF) und Polyamid (PA) 6-Fasern für thermoplastische Verbundbauteile mit hohem Leistungsvermögen. Diese Hybridgarne können die hervorragenden mechanischen Eigenschaften der rCF im Gegensatz zu bisherigen Lösungen auf Basis von Spritzguss und Vliesstoffen in hohem Maße ausnutzen. Bedingt durch deren spezielle Fasereigenschaften (insbesondere hohe Querkraftempfindlichkeit, Sprödigkeit und fehlende Kräuselung) wurde dafür die Prozesskette der konventionellen Stapelfasergarnherstellung, bestehend aus Krempel, Strecke und Flyer, umfangreich analysiert und technologisch-konstruktiv weiterentwickelt, wodurch erstmalig eine schonende und gleichmäßige Herstellung der Hybridgarne ermöglicht werden konnte. Für eine reproduzierbare und effiziente Prüfung der Faserlänge der rCF wurde zudem ein anforderungsgerechtes Faserlängenmesssystem auf Basis der Fibrographmethode entwickelt. Die im Rahmen der Arbeit abschließend durchgeführten Verbund-prüfungen belegen das enorm hohe Potential der Hybridgarne, die über 80 % der Verbundzugfestigkeit von vergleichbaren Referenzprüfkörpern aus Carbon-Filamentgarn und PA 6-Matrix erreichen. Das entwickelte analytische Modell bietet zudem die Möglichkeit zur Berechnung der Verbundzugkennwerte in Abhängigkeit wesentlicher Faser- und Hybridgarnparameter.

3D textile performs offer a high potential to increase mechanical properties of composites and they can reduce the production steps and costs as well. The variety of woven structures is enormous. The algorithms based on the conventional weaving notation can only represent the possible woven structures in a limited way. Within the scope of this dissertation, a new weaving notation was developed in order to analyze the multilayer woven structures analytically. Technological solutions were developed in order to guarantee a reproducible preform production with commingled hybrid yarns. Terry weaving technique can be utilized to create vertical connections on carrier fabrics, which makes it suitable for the development of complex profiles. A double rapier weaving machine was modified with electronically controlled terry weaving and pneumatic warp yarn pull-back systems. Various spacer fabrics and 3D profiles were developed. A linear take-up system is developed to assure reproducible preform production with a minimum material damage. Integrated cutting and laying mechanisms on the take-up system provides a high level of automation.

Die Textiltechnik ermöglicht den Einsatz von rezyklierten Kohlenstofffasern in thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen mit hohen Festigkeitsanforderungen. Das Erreichen vergleichbarer mechanischer Eigenschaften entsprechender endlosfaserverstärkter Verbundwerkstoffe wird durch die Nutzung von Stapelfaser-Hybridgarntextilien realisiert. Die Anwendung von thermoplastischen Hybridgarntextilien für die Herstellung von mehr als 100.000 Bauteilen pro Jahr erfordert jedoch eine kurze Taktzeit zur Imprägnierung und Konsolidierung des textilen Halbzeugs. Diese ist in dem derzeitigen Stand der Technik nicht gegeben, sodass hier Forschungsbedarf besteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Methode zur Reduktion der Taktzeit zur Imprägnierung und Konsolidierung komplexer Bauteilgeometrien auf Basis leitfähiger Hybridgarntextilien von derzeitig mehreren Minuten auf unter eine Minute, mit Potenzial zur weiteren Minimierung. Dies erfolgt mittels In-situ-Erwärmung im formgebenden Werkzeug unter Nutzung der Widerstandsverluste bei Stromfluss durch die leitfähigen Verstärkungsfasern. Neben der Charakterisierung und Simulation der Erwärmung im Mehrlagengewebe wird eine Parameteranalyse an generischen Probekörpern durchgeführt, um die Machbarkeit zu demonstrieren. Genauso findet eine erfolgreiche Skalierung der Technologie durch Übertragung der Ergebnisse auf eine komplexe Bauteilgeometrie anhand einer innovativen Werkzeugtechnologie statt. Am Ende der Arbeit erfolgt eine wirtschaftliche Betrachtung der kompletten Prozesskette von der einzelnen Faser, über den Hybridroving und das Mehrlagengewebe, bis zum fertigen Bauteil. Die Arbeit zeigt eine Technologie zur wirtschaftlichen Fertigung von Bauteilen aus rezyklierten Kohlenstofffasern in unter einer Minute Taktzeit. Des Weiteren bieten sich Vorteile durch die geringen Materialkosten des Hybridrovings, den hohen Grad der Automatisierung und die energetisch effiziente intrinsische Erwärmung des Halbzeugs.

Der komplexe Verarbeitungsprozess endlosfaserverstärkter Textilthermoplaste beeinflusst maßgeblich die resultierende textile Struktur und damit im gleichen Maße die strukturellen Eigenschaften des Verbundes. Zur vollständigen Ausschöpfung des vielversprechenden Potentials dieser innovativen Werkstoffgruppe ist es daher notwendig, die Fertigungssimulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der komplexen Deformationsphänomenologie von Textilthermoplasten beim Thermoformen vorgenommen, wobei die eingehende Analyse der lokalen Textilthermoplaststruktur und -verformung fokussiert wird. Auf Grundlage eines umfangreichen experimentellen Prüfprogramm wird abschließend zur modellbasierten Beschreibung der Deformationsvorgänge ein neuartiges Multi-Skalen-Modell entwickelt, mit dem sich die auftretende Phänomenologie virtuell wiedergeben lässt.

Der komplexe Verarbeitungsprozess endlosfaserverstärkter Textilthermoplaste beeinflusst maßgeblich die resultierende textile Struktur und damit im gleichen Maße die strukturellen Eigenschaften des Verbundes. Zur vollständigen Ausschöpfung des vielversprechenden Potentials dieser innovativen Werkstoffgruppe ist es daher notwendig, die Fertigungssimulation in den Entwicklungsprozess zu integrieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine qualitative als auch quantitative Beschreibung der komplexen Deformationsphänomenologie von Textilthermoplasten beim Thermoformen vorgenommen, wobei die eingehende Analyse der lokalen Textilthermoplaststruktur und -verformung fokussiert wird. Auf Grundlage eines umfangreichen experimentellen Prüfprogramm wird abschließend zur modellbasierten Beschreibung der Deformationsvorgänge ein neuartiges Multi-Skalen-Modell entwickelt, mit dem sich die auftretende Phänomenologie virtuell wiedergeben lässt.

In this study, the application of carbon filament yarn (CFY)-based conductive hybrid yarn as the heating element in a textile-reinforced concrete structure is reported. For this purpose, a hybrid yarn having a core-sheath structure (the core is made of carbon filament yarn and the sheath consists of a mixture of short glass and polypropylene fibres) is manufactured by DREF-2000 spinning technique and integrated into textile structure by tailored fibre placement method. Heat can be generated in the concrete structure by passing electric current through the conductive carbon filament yarn core of the hybrid yarn using the principle of resistive heating, where the sheath acts as the protection and isolation layer. From the initial investigations made on a small concrete specimen, important information is gathered and a large concrete slab with integrated conductive hybrid yarn is manufactured. The heat ability and the comfort level of the manufactured concrete slab are measured. The investigations have revealed the potential of using such hybrid yarn for a pointwise heating of the concrete surface for possible appliance in outdoor furniture.

This article reports the successful manufacturing of hybrid yarns from virgin staple CF (40 or 60 mm) or recycled staple CF (rCF) by mixing with polyamide 6 (PA 6) fibers of defined length. The hybrid yarns are produced using an optimized process route of carding, drawing, and flyer machine. Furthermore, the influence of CF length, CF type (i.e. virgin or rCF), CF volume content, and twist of the yarn are also investigated regarding the tensile properties of unidirectionally laid (UD) thermoplastic composites. The results show that CF length, yarn twist, and CF content of composites play a big role on the tensile properties of thermoplastic composites. From the comparison of tensile strength of UD composites produced from 40 and 60mm virgin staple CF, it can be seen that the increase of yarn twist decreases the tensile strength. However, the effect of twist on the tensile properties of UD composites manufactured from 40mm virgin staple CF is insignificant. The tensile strength of UD thermoplastic composites manufactured from the hybrid yarn with 40 and 60mm virgin staple CF and rCF is found to be 771 ± 100, 838 ± β1, and 801 ± 53.4 MPa, respectively, in the case of 87 T/m containing 50 volume% CF.

3D textile performs offer a high potential to increase mechanical properties of composites and they can reduce the production steps and costs as well. The variety of woven structures is enormous. The algorithms based on the conventional weaving notation can only represent the possible woven structures in a limited way. Within the scope of this dissertation, a new weaving notation was developed in order to analyze the multilayer woven structures analytically. Technological solutions were developed in order to guarantee a reproducible preform production with commingled hybrid yarns. Terry weaving technique can be utilized to create vertical connections on carrier fabrics, which makes it suitable for the development of complex profiles. A double rapier weaving machine was modified with electronically controlled terry weaving and pneumatic warp yarn pull-back systems. Various spacer fabrics and 3D profiles were developed. A linear take-up system is developed to assure reproducible preform production with a minimum material damage. Integrated cutting and laying mechanisms on the take-up system provides a high level of automation.

The availability of a considerable amount of waste carbon fiber (CF) and the increased pressure to recycle/reuse materials at the end of their life cycle have put the utilization of recycled CF (rCF) under the spotlight. This article reports the successful manufacturing of hybrid yarns consisting of staple CF cut from virgin CF filament yarn and polyamide 6 fibers of defined lengths (40 and 60 mm). Carding and drawing are performed to prepare slivers with improved fiber orientation and mixing for the manufacturing of hybrid yarns. The slivers are then spun into hybrid yarns on a flyer machine. The investigations reveal the influence of fiber length and mixing ratio on the quality of the card web, slivers and on the strength of the hybrid yarns. The findings based on the results of this research work will help realize value-added products from rCF on an industrial scale in the near future.