Mehr Nachhaltigkeit für Carbon-Bauteile: Produktionsreste von CFK-Tapes wiederverwerten

In Hochleistungsbranchen wie der Luftfahrt und dem Transport-Sektor kommen Leichtbaukomponenten aus Faserverbundwerkstoffen (FVK) zum Einsatz, wenn Nutzlasten und Materialeinsatz gesenkt und Emissionsziele erreicht werden sollen. Jedoch können die Werkstoffe bisher nicht industriell recycelt werden. Hier setzt das Projekt "TapeZyklat" unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen an: Die Projektpartner entwickeln Produktionstechnologien für einen neuen Recyclingprozess. Dabei verbinden sie Produktionsreste aus faserverstärkten Kunststoffen so miteinander, dass neue Bandhalbzeuge entstehen. Diese werden zur Herstellung neuer Bauteile genutzt und bieten sogar noch Vorteile bei der Verarbeitung im Thermoformen, dem Umformen unter Wärmeeinfluss.

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) können dazu beitragen, das Gewicht von Bauteilen zu senken und diese gleichzeitig optimal für hohe Belastungen auszulegen. Da sich thermoplastische Tapes oder Organobleche aus FVK umformen und schweißen, aber auch mit etablierten Verfahren wie Spritzgießen kombinieren lassen, eignen sie sich besonders gut für Anwendungen in der Großserie. CFK werden auch im Fahrzeugbau im Hinblick auf E-Mobilität verstärkt eingesetzt, um Fahrzeuggewicht einzusparen und gleichzeitig gute Crasheigenschaften beizubehalten. Einem breiteren Einsatzspektrum steht bisher der teure Herstellungsprozess und die schwierige Wiederverwertung entgegen. Um die Nachhaltigkeit zu verbessern und Kosten zu senken, ist es erforderlich, die CFK-Materialien ressourceneffizient einzusetzen und industriell anwendbare Recyclingprozesse zu entwickeln.

Ziel der Projektpartner von "TapeZyklat" war es, einen völlig neuen Prozess zu entwickeln, um kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Tapes wiederzuverwerten. Denn beim Schneiden flächiger CFK-Tapes gehen bis zu 30 Prozent des Ausgangsmaterials als Produktionsabfälle verloren. Der Projektpartner Lösing GmbH Schneideservice fand nun im Rahmen des Projekts einen Weg, diese Abfälle zu sammeln und für den Recyclingkreislauf bereitzustellen.

Bisher werden beim Recycling von FVK oft nur die Fasern wiederverwendet. Zum einen liegt dies daran, dass die Fasern der kostenintensive Teil des Verbundwerkstoffs sind. Zum anderen kommen in den meisten Fällen nicht schmelzbare Duromere als Matrixsysteme zum Einsatz.

Dadurch, dass sich thermoplastische Materialien mehrfach aufschmelzen lassen, können diese wiederverwendet werden. Diese Eigenschaft nutzten die Forscherinnen und Forscher im Projekt "TapeZyklat": Um den Recyclingprozess noch kostengünstiger zu gestalten, trennen die Projektpartner Fasern und Kunststoff des Tapes jedoch nicht. Stattdessen fügen sie die Schnittreste in einem neuartigen Verfahren zu einem neuen, flächigen Band zusammen. So bilden sie ein hochwertiges Tape-Halbzeug, das für die Herstellung neuer Bauteile verwendet werden kann. Es lässt sich unter Wärmeeinwirkung in die gewünschte Bauteilgeometrie umformen. Dadurch, dass die bereits vorgenommene Imprägnierung der Fasern mit dem Matrixmaterial bestehen bleibt, entfällt ein weiterer aufwändiger Prozessschritt.

Für die Eigenschaften des zukünftigen Bauteils spielt es keine Rolle, dass keine Endlosfasern in den zugeschnittenen Resten mehr vorliegen. Es werden ähnlich gute Materialeigenschaften erzielt, wie bei neuwertigem Material. Da die Produktionsreste im neuen Recyclingprozess kontinuierlich weiterverwendet werden, können hohe Durchsatzraten erzielt werden.

Besonders vorteilhaft beim neuen Wiederverwertungsprozess ist es, dass bekannte Technologien wie Tapelegen und Thermoformen und bereits vorhandene, konventionelle Anlagentechnik genutzt werden können. Im Gegensatz zu konventionellen CFK-Tapes besteht das recycelte Material nicht aus Endlosfasern. Was nach einem Nachteil klingt, bietet einen großen Vorteil: Aus Tapes mit Endlosfasern lassen sich aufgrund der geringen Fließfähigkeit nur schwer Bauteile mit komplexen Formen herstellen. Anders beim recycelten Tape: Die Tapestücke verschieben sich beim Thermoformen gegeneinander, sodass die Projektpartner den Prozess gezielt auf die Drapierbarkeit des Materials abstimmen können. Durch die neuartige Aufbereitung ist es sogar möglich, das Material beim Thermoformen in Faserrichtung tiefzuziehen. Dies erlaubt eine größere Vielfalt beim Design der hergestellten Bauteile und führt zu robusteren Thermoforming-Prozessen, die wiederum effizienter und kostengünstiger ablaufen. Hierfür entwickelte der Projektpartner M.TEC ENGINEERING GmbH ein Materialmodell des neuartigen Tapematerials und führte Bauteil- und Umformsimulationen durch, um das Potenzial des Materials in neuen Bauteilen umsetzen zu können.

Die Projektpartner nehmen die Materialdaten auf und werten diese aus, während sie das recycelte Material herstellen. Um die mechanischen Eigenschaften des neuen Halbzeugs sicherzustellen und zu testen, setzen sie Simulationen ein und produzieren Demonstratorbauteile. Die hergestellten Schutzhelme für die Industrie prüfen sie anhand geltender Normen.

Zukünftig ist geplant, FVK-Bauteile aufgrund des geringeren Gewichts auch in weiteren Anwendungen einzusetzen, die deutlich preissensibler sind, zum Beispiel im Automobil- oder Maschinenbau. Um bei den Herstellungspreisen mit konventionellen Werkstoffen mithalten zu können, ist es für einen effizienten Werkstoffkreislauf zwingend erforderlich, übriggebliebene Stoffreste wiederzuverwerten. Die Projektpartner planen für die Zukunft, industriell einsetzbare Recyclingprozesse für Tapematerialien für weitere Anwendungsfelder zu entwickeln.

Das Projekt "TapeZyklat" wird durch Mittel des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Produktion NRW gefördert. Es läuft von Januar 2019 bis April 2022.