Klima & Umwelt

Leichtbau: Energieeffizientes Recycling von Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen entwickelt

Für den Leichtbau im Automobilbereich und der Luft- und Raumfahrt werden zunehmend Faserverbundwerkstoffe eingesetzt. Sie sind leichter als Aluminium aber zugleich fester als Stahl: Dadurch versprechen sie eine höhere Sicherheit bei gleichzeitig reduziertem Gewicht, was eine deutliche Spritersparnis mit sich bringt. Insofern ist der Leichtbauwerkstoff auch ein integraler Bestandteil der Elektromobilität, da hier ein geringeres Gewicht mit einer höheren Reichweite gleichzusetzen ist. Die Entwicklung von immer neuen Fasern und Harzsystemen ermöglicht zudem stetig optimierte Eigenschaften und dadurch immer extremere Auslegungen.


Nachteil: Hohe Produktionskosten und schlechtes Recycling

CFK-Strukturen werden heute noch in Manufakturen mit einem hohen Anteil an manuellen Prozessschritten und einem hohen Energieeinsatz gefertigt, was die Produktion teuer macht. Dies ist eines der Hauptforschungsfelder beispielsweise des Augsburg Innovationsparks, der sich mit Investitionen von bis zu 500 Millionen Euro, der Ansiedelung von rennomierten Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt sowie einem Cluster mit führenden Unternehmen der Branche (darunter der Automatisierungs- und Roboterspezialist KUKA und SGL Carbon) zum Ziel gesetzt hat, sich zum „Bayerischen Zentrum für Ressourceneffizienz“ und zum „Carbon Valley im Lechtal“ zu entwickeln. Neben einer kostengünstigen Automatisierung der Carbonproduktion steht die Entwicklung eines ausgereiften, effizienten und kostengünstigen Recyclingverfahrens für die Faserverbundwerkstoffe im Fokus der Forschungsarbeit.

Der Aufbau von Faserverbundwerkstoffen

Obwohl sich die Faserverbundwerkstoffe in ihrer Zusammensetzung stark unterscheiden, sind sie sich von ihrem Aufbau her sehr ähnlich: Sie bestehen aus einem Matrixwerkstoff, in den ein anderes Material als Faserkomponente eingebettet bzw. eingebunden ist. Als Matrixmaterial werden vor allem bestimmte Kunstharze verwendet, aber auch Kohlenstoff, Kunststoffe, Keramik, Metalle oder Zement und Beton. Die Faserkomponenten wiederum bestehen typischerweise aus Kohlenstoff (engl. „Carbon“), Polymeren oder Keramiken. Daneben kommen teilweise auch Bor, Stahl, Aramid oder Naturstoffe zum Einsatz. Dabei gilt, je dünner die Faser, desto fester der Verbundwerkstoff.

Leichtbau: Energieeffizientes Recycling von Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen entwickelt
Bild: Maret Hosemann / pixelio.de

Die bekanntesten Faserverbundwerkstoffe sind CFK, was für Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff oder auch Carbon-faserverstärkter Kunststoff steht (Carbon engl. für Kohlenstoff). Weitere Verbundwerkstoffe sind CFC (Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff), GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) und CMC (Ceramic Matrix Composite). Der Carbon-faserverstärkte Kunststoff wird umgangssprachlich oftmals auch einfach nur als „Carbon“ bezeichnet. Wegen seinen herausragenden Eigenschaften wird das Hightechmaterial der Zukunft auch als „Schwarzes Gold“ bezeichnet.

Hoher Energieaufwand im bisherigen Recycling

Bislang mussten Faserverbundwerkstoffe aufwendig mit pyrolytischen Verfahren unter Sauerstoffausschluss „verschwelt“ werden. Dadurch zerfällt die Kunststoffmatrix, in der die Carbonfasern eingebettet sind, in die kleinen chemischen Moleküle ihre Ausgangsbausteine wie Kohlenstoffmonoxid und andere organische Gase und das Harz wird somit abgebaut. Übrig bleibt das Fasergewebe, das dann erneut verarbeitet werden kann.

Neues Recyclingverfahren für Carbon-Werkstoffe

Der Spitzencluster MAI-Carbon, ein Zusammenschluss von 74 Unternehmen (darunter Audi, BMW und Siemens), Bildungs- und Forschungseinrichtungen sowie unterstützende Organisationen aus der Region München-Augsburg-Ingolstadt, zu dem auch der Augsburger Innovationspark gehört, hat nun ein neues und deutlich energieeffizienteres Recyclingverfahren für Faserverbundwerkstoffe entwickelt: Um die Carbonfasern aus einem gebrauchten Teil oder aus Produktionsabfällen herauszulösen, wird ein so genanntes solvolytischen Recyclingverfahren angewandt. Dabei wird die Harzkomponente bei 200 Grad und unter Druck mit Hilfe von Wasser in niedermolekulare lösliche Alkohole überführt. Bei dem Prozesswerden keine umweltschädlichen Lösemittel verwendet. Die Rückgewinnung der Fasern benötigt zudem deutlich weniger Energie als die Herstellung der Fasern. Das Gewebe des Werkstücks bleibt dabei in seiner Form mit intakten Fasern zurück und kann direkt wieder verarbeitet werden. Die mechanischen Eigenschaften der Fasern bleiben nahezu erhalten. In einer weiteren Optimierung wollen die Forscher nun Möglichkeiten finden, die wiedergewonnenen Fasern auch in neuen, anders geformten Werkstücken einzusetzen.

(mb)

Weiterführende Artikel:

Leichtbau auf dem Weg in die Großserie – erstmals automatisiertes Carbon-Fertigungsverfahren
Faserverbundwerkstoffe für die Großserie
Carbon-Studie: Kosten sinken bis 2020 um 30%, Faserverbundmarkt wächst jährlich um 17%
Aluminium oder Composites – wer wird Leichtbauwerkstoff Nummer eins?
Boeings Albtraumflieger 787 Dreamliner mit neuen Problemen
Interview mit Prof. Dr. Rommel zum Carbon-Recycling und zum AUGSBURG Innovationspark
Interview mit Prof. Dr. Loidl zum AUGSBURG Innovationspark (Präsident der Universität)
Weiterentwicklung bis zur Marktreife gesucht: Verschleißschutzschicht für Faserkunststoffverbunde

Marc Brümmer

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.