Erleuchtung! Lasereinsatz optimiert Recycling von Carbonfasern

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Am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (Ernst-Mach-Institut EMI) gelingt es jetzt, Endlos-Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen (CFK) zurückzugewinnen ...

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe, abgekürzt auch CFK genannt, sind Composites (Faserverbundwerkstoffe), die sehr leicht sind, aber extrem viel aushalten, wenn sie mechanisch belastet werden. Die Fasern liegen im Bauteil bekanntlich in einer Matrix aus Kunststoff. Das ist meist ein Duromer (früher Duroplast), also ein harzartiges Polymer, das nicht wieder schmelzbar ist. Aber es gibt auch thermoplastische Matrizes, die sich wie Kerzenwachs immer wieder schmelzen lassen, was das Recycling verbessert. Im Rahmen einer möglichst geschlossenen Kreislaufwirtschaft war die Entsorgung und Wiederverwertung dieser leistungsfähigen und auch relativ teuren Materialien bisher alles andere als trivial, vor allem, wenn es um endlose Carbonfasern als Verstärkung geht, die in duromeren Matrizes eingebettet sind. Doch einem Team vom Fraunhofer-EMI ist es gelungen, einen neuartigen Prozess zu entwickeln, in dem die Carbonfasern ausgedienter CFK-Teile relativ effizient zur Wiederverwendung aufbereitet werden können. Und das klappe, ohne die hervorragen mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Bisher war das nämlich nicht so, denn die CFK-Bauteile wurden in der Regel geschreddert, weshalb danach nur noch Kurzfasern vorliegen, die weniger verstärkend wirken. Nun kommt ab ein Hochleistungslaser ins Recyclingspiel von duromeren CFK-Teilen.

Recycelte Carbonfasern sind so gut wie Neuware

Die Forscher tragen die Faserverstärkung der duroplastischen Composites jetzt nämlich kontrolliert mithilfe eines Hochleistungslasers ab. Das punkte besonders, wenn es um das Recycling von Wasserstoff-Druckbehältern gehe, bei denen ein Carbonfaserbündel endlos um eine Kunststoffhülle gewickelt ist. Sie halten damit gut 700 bar Innendruck aus. Der grundlegende Vorteil des laserbasierten Recyclings von CFK-Bauteilen ist nach Aussage der Experten die Möglichkeit, die duroplastische Matrix durch lokale Pyrolyse aufgrund der Laserenergie zu entfernen, wobei die Carbonfasern quasi unbeeinflusst bleiben. Pyrolyse und Abwickeln der Fasern geschehen dabei gleichzeitig und schnell, wie die EMI-Forscher betonen. Wichtig ist aber, das Prozessfenster dafür möglichst ideal zu öffnen, wie es weiter heißt. Denn die Matrix hält zwischen 300 und 600 °C aus, während die Carbonfasern ab 600 °C Schaden nehmen können. Die Forscher setzen deshalb auf einen Kompromiss zwischen Pyrolysegeschwindigkeit und Rezyklatqualität. So stünden die zurückgewonnenen Fasern einer Neuware sozusagen in nichts nach.

Antwort auf hohe Energiekosten und Umweltprobleme

Das innovative, laserbasierte Recyclingverfahren für Carbonfasern bietet aber nicht nur ökologische Vorteile, sondern auch erhebliches wirtschaftliches Potenzial für Recyclingunternehmen, wie die Forscher glauben. Denn der lokale Wärmeeintrag und das gleichzeitige Abziehen des endlosen Faserbündels ersparten eine sonst recht lange Pyrolysezeit und entsprechend hohe Prozesskosten, die die dickwandigen Wasserstoffbehälter üblicherweise verursachten. Die laserunterstützte Rückgewinnung der Fasern benötigt außerdem nur circa ein Fünftel der Fertigungsenergie von neuen Fasern, wie man anmerkt. In Zeiten steigender Energiekosten und wachsender Umweltanforderungen seien diese Vorteile nicht zu verachten. Nun arbeitet man daran, das Verfahren noch energieeffizienter zu machen und die Qualität der zurückgewonnenen Fasern zu verbessern. Das Projekt läuft noch bis Ende diesen Jahres und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Bis 4. April kann man sich das Ganze auch noch auf der Hannover Messe anschauen. Und zwar in Halle 2.

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