Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Recycling von Carbon Fasern und nachfolgende Aufbereitung zur Herstellung von 3D CFK-Bauteilen

Kohlenstofffasern (CF) verleihen Faserverbundwerkstoffen (CFK) hervorragende mechanische Eigenschaften bei geringer Masse. Ein ungelöstes Problem ist deren Recycling, das in max. 10-15 Jahren in großem Umfang mit der Entsorgung von Autos und Flugzeugen aus CFK beginnt, z. B. BMW i3/i8, B787 und A350. Nach Schätzungen sind ca. 93% der CF (ca. 18.444 kg einer B787) stofflich recycelbar. Die Rückgewinnung erfolgt aktuell fast nur in teuren Pyrolyseverfahren bei Temperaturen von 450 bis 600°C und führt zur deutlichen Reduktion der rCF Faserlänge und Festigkeit. Mechanisch eignen sich diese rCF nur für Low-Performance-Produkte. Daher ist ein Projektziel die Entwicklung eines kontinuierlichen CFK-Recyclings durch Zersetzung der Epoxidharzmatrix mittels eines geeignetem Katalysator und überhitztem Dampf (<300°C). Dadurch sind CF schnell und schonend mit mind. 10 cm Faserlänge rückgewinnbar (rCF). Diese rCF eignen sich hervorragend zur Befriedigung der hohen Nachfrage nach thermoplastischen Verbundwerkstoffen für Strukturanwendungen. Dazu erfolgt die Entwicklung hochorientierter thermoplastischer rCF-Hybridgarne und die Weiterentwicklung der Garnherstellungstechnologien DREF-Spinnen. Parallel erfolgen die Entwicklung neuer rCF-Hybridgarnstrukturen mit skalierbaren mechanischen Eigenschaften, angepasster Schlichten und Applizierungsverfahren sowie hochbelastbarer Verstärkungsstrukturen mit metallähnlichem Umformverhalten und deren Herstellungsverfahren für eine schnelle und kostengünstige Herstellung komplexer 3D r-CF-Preforms. Die Entwicklung von rCF-Faserbändern und Papieren aus Kurzfaserabfällen (Kardierprozess, Faserlänge <3cm) erlaubt eine vollständige CF Wiederverwendung. Begleitend erfolgen umfassende textilphyskalische u. mechanische Untersuchungen der textilen Strukturen und von r-CFK. Mit den Projektergebnissen wird erstmals unseren KMU`s ein bequemer und produktiver Weg für das vollständige, großflächige u. mechanisch hochwertige CFK-Recycling verfügbar sein.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Projekt 265 EBR entwickelte Recyclingprozesskette ermöglicht eine vollumfängliche CFK-Wiederverwendung als hochwertige recycelte Carbonfasern (rCF) in Hybridgarnform für neue thermoplastische Verbundbauteile. Gleichzeitig ermöglichen die resultierenden Eigenschaften der rCF-Hybridgarne und der daraus entstehenden textilen Verstärkungsstrukturen die schnelle und hochproduktive Herstellung von 3D-Verbundbauteilen aus rCF für weitere Anwendungen, z. B. im Automobil- oder Anlagenbau. Das abgeschlossene Projekt trägt dazu bei, die gegenwärtig bestehenden Nachteile beim Recycling von CF zu überwinden. Die Untersuchungen zeigten gute Ergebnisse beim Faserrecycling aus EOL-CFK-Bauteilen. Das Verfahren zur Herstellung von Hybridgarnen auf Basis der DREF-Friktionsspinntechnik wurde für die Verarbeitung von rCF, die durch den entwickelten zweistufigen Recyclingprozess aus EOL-CFK durch Solvolyse in überhitztem Wasserdampf extrahiert wurden, modifiziert. Die mechanischen Eigenschaften der resultierenden rCF-Hybridgarne ermöglichen eine textiltechnologische Weiterverarbeitung zu textilen Verstärkungshalbzeugen mittels Flachstricktechnologie. Die rCF-Hybridgarne wurden zu biaxial-verstärkten, gestrickten Strukturen weiterverarbeitet. Die aus den entwickelten rCF-Hybridgarnen hergestellten UD-rCFK zeigten eine etwas geringere Zugfestigkeit im Vergleich zu denen aus neuen CF. Die ermittelten Verbundkennwerte aus den biaxial verstärkten Strukturen lagen unter den avisierten 50% im Vergleich zu den UD-Strukturen.

Durch einen der Metallblechumformung ähnlichen Umform- und nachgelagerten Heißpressprozess wurde erfolgreich ein thermoplastisches Demonstratorbauteil als ‚T-Napf ‘ umgesetzt.