Carbonfaserabfälle für den Leichtbau

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Sächsisches Texilforschungs- institut e.V.

Die tiefgründige Untersuchung des Aufbereitungsprozesses für trockene Carbonfilamentabfälle und für aus Pyrolyseprozessen entstammende Abfälle steht im Fokus eines aktuellen Forschungsprojektes. Mit einem hinsichtlich Materialführung und Energiebeauflagung modifizierten Reißprozess konnten bereits vergleichbare oder sogar längere Faserlängen bei deutlich geringerem Kurzfaseranteil und hoher wirtschaftlicher Effizienz nachgewiesen werden. Sowohl Gewebe als auch Gelege aus Carbonfilamenten sind nach einem Vorschnitt in einem vorzugsweise einstufigen Aufbereitungsprozess verarbeitbar. Die geringe Faserschädigung widerspiegelt sich in mittleren Faserlängen, die mit etwa 60 mm immer noch etwa 85 % der im Vorschnitt aufgebrachten Schnittlänge betragen. Für mittels Reißprozess aufbereitete Pyrolysefasern liegt der Faserschädigungsgrad bei 25 % bezogen auf die Ausgangsschnittlänge [6].

Die gefundene Aufbereitungstechnologie bildet gemeinsam mit der darauf abgestimmten Vliesbildungstechnologie inzwischen die Grundlage für alle im Technikum des STFI durchgeführten Verarbeitungsversuche. Eine besondere Wertschätzung der geleisteten Entwicklungsarbeiten erhielt das Projektteam des STFI durch die Auszeichnung mit dem vom BMWi ausgeschriebenen Deutschen Rohstoffeffizienz-Preis 2013 [7].

Dazu steht dem STFI eine auf neuestem Standard beruhende Komplettanlage mit einem Meter Arbeitsbreite zur Verfügung. Diese Anlage ist speziell auf die Verarbeitung von Carbonfasern in reiner Form aber auch in Mischungen mit anderen Fasern ausgelegt. Vernadeln und Nähwirken sind als Verfestigungsmethoden in die Anlage integriert.

Faserverbundtechnikum für den kurzen Weg zum Bauteil

Ein ebenso hochmodernes Technikum für Faserverbundkunststoffe erweitert die vorhandenen Kompetenzen des STFI im Bereich Composite-Werkstoffe/Leichtbau auf die Fertigung von Werkstoffproben, Prototypen und Kleinserien. Herzstück des Technikums ist eine hydraulische Oberkolbenpresse mit einer Pressfläche von 900 x 600 mm². Sie arbeitet mit bis 2.000 kN Presskraft bei einer Temperatur von maximal 350 °C. Für die Verarbeitung faserverstärkter Thermoplaste sind eine Infrarot-Vorwärmstation und eine automatische Beschickungseinheit installiert.

Zusätzlich stehen eine hydraulische Handhebelpresse (320 x 320 mm², Maximaltemperatur 400 °C), Anlagen für die Vakuum- und Druckinjektion, ein Cutter zum Materialzuschnitt sowie ein Laborofen zur Wärmebehandlung von Bauteilen zur Verfügung. Parallel dazu wird die Materialprüfung im STFI auf Faserverbundkunststoffe ausgeweitet. Aktuell verfügbar sind Zugversuch, Biegeversuch, interlaminarer Stress und Druckversuch, jeweils nach verschiedenen Prüf-Standards.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Vliesbildung aus 100 % Primär-Carbonfasern sowie aus 100 % rezyklierten Carbonfasern unter Nutzung des mechanischen Kardierverfahrens möglich ist - eine Technologie, die der Industrie neue Potenziale eröffnet. Mit hohem Umformvermögen bei zugleich ausreichender Festigkeit lassen sich die gefertigten Carbonfaservliesstoffe sehr gut als Halbzeuge bei der Herstellung von CFK-Strukturen einsetzen. Die entwickelten Carbonfaservliesstoffe weisen ein Eigenschaftsprofil auf, welches sie für einen Einsatz in CFK-Strukturen mit mittleren Festigkeitsanforderungen qualifiziert. Beispielhaft generiert ein mittels Pressverfahren in einer Matrix aus Epoxidharz eingebetteter Carbonfaservliesstoff bei etwa 22 % Faservolumengehalt Elastizitätsmoduli von 15,7 GPa (MD) beziehungsweise 30 GPa (CD) und Zugfestigkeiten von 200 MPa (MD) beziehungsweise 404 MPa (CD). Damit werden die mit vergleichbaren faserbasierten GFK-Strukturen erreichbaren Kennwerte um mehr als das Doppelte überboten. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse wird durch ermittelte Variationskoeffizienten < 2 deutlich.

Einsatzmöglichkeit könnte in der Rehabilitationstechnik sein

Aktuelle Untersuchungen zur Verarbeitung von Carbonfaservliesstoffen mittels Hochdruck-RTM-Verfahren zeigen, dass Faservolumengehalte von mindestens 35 % erreichbar sind. Die Ermittlung der dabei möglichen Materialkennwerte ist Bestandteil derzeitiger Arbeiten. Prädestinierte Einsatzmöglichkeiten sind aus heutiger Sicht hauptsächlich im Bereich des funktionsintegrierten Leichtbaus, der Sport- und Rehabilitationstechnik und dem Freizeitbereich, zum Beispiel Camping, sowie dem allgemeinen Bauwesen und der Architektur zu finden. Auf Grund der Verwendung von rezyklierten Carbonfasern wird der Einsatz im Fahrzeugbau zunächst auf nicht strukturrelevante Bauteile, wie Sitzschalen oder Verkleidungen im Innen- oder Kofferraumbereich, beschränkt bleiben. Weitere Einsatzmöglichkeiten bietet die Kombination mit Gewebe- und/oder Gelegelagen zur Kostensenkungen derzeitig eingesetzter Bauteile.

Die dieser Veröffentlichung zugrundeliegenden Vorhaben wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages unter den Förderkennzeichen VP2034018VT0 sowie VF120003 gefördert.

Literatur

[1] VDI-ZRE Kurzanalyse Nr. 3: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Fahrzeugbau – Ressourceneffizienz und Technologien, www.vdi-zre.de/cfk-kurzanalyse.

[2] H. Erth et all: „Leichtbau, Automobil & Co. MaliTec-Konsortium für neue Technische Textilien“; mtex-Symposium 4.06.2008, Chemnitz.

[3] J. Schreiber: Grüner Punkt für schwarzes Material; Kettenwirkpraxis 4/2010, S. 17-19.

[4] M. Hofmann, B. Gulich: „Faservliesstoffe für die Verbundherstellung – das Recyclingkonzept für Carbonabfälle in Langfaserform“; 27. Hofer Vliesstofftage 07.11.2012, Hof.

[5] T. Rademacker: „CFK Recycling Center für Europa“; 10. STFI-Kolloquium „recycling for textiles“, 01.12 2011, Chemnitz.

[6] B. Gulich, M. Hofmann: „Aufbereitung von Carbonabfällen und deren Wiedereinsatz in textilen Strukturen unter Nutzung des Kardierprozesses“; 3. Fachtagung Carbon Composites 21.11.2013, Augsburg.

[7] Pressemitteilung des BMWi vom 28.11.2013, http://www.bmwi.de/DE/Presse/pressemitteilungen,did=610148.html.

* Bernd Gulich und Marcel Hofmann arbeiten in der Abteilung Vliesstoffe/Recycling des Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) in 09125 Chemnitz, Tel. (0371) 52 74-0, stfi@stfi.de

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