MAI CaRinA | Carbonfaser Recyclingwerkstoffe für industrielle Anwendungen

Recycling von carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK)

Mit der Entwicklung serientauglicher Fertigungsmethoden ist der Einsatz carbonfaserverstärkter Kunststoffe (CFK) in den letzten Jahren stark angestiegen. Als Leichtbauwerkstoff mit hervorragender spezifischer Steifigkeit und Festigkeit wird die Bedeutung dieses Materials insbesondere im Automotive-Sektor zukünftig weiter zunehmen. Mit der vermehrten Verwendung von CFK in Serienanwendungen gewinnt auch die Verwertung entstehender Abfälle an Bedeutung. Nicht nur die zukünftig stark steigende Abfallmenge durch Bauteile am Ende ihrer Nutzungsdauer, sondern auch die heute als Produktionsverschnitt anfallenden Mengen sind von Bedeutung.

Eine höherwertige Verwertung von CFK-Abfällen und -verschnittresten ist zwingend erforderlich und aufgrund des Potentials der Carbonfaser und des hohen Energieaufwandes für die Produktion der Fasern geboten. Durch ein flächendeckendes, hochwertiges Recycling von CFK wird die energetische und ökonomische Gesamtbilanz der Carbonfaser insgesamt verbessert. Die fehlende Durchgängigkeit in der CFK-Recyclingkette stellt derzeit ein großes Hindernis für die Verwendbarkeit des Leichtbauwerkstoffs CFK und letztlich für die Erreichbarkeit der Klimaziele dar.

Krempel des Instituts für Textiltechnik Augsburg (ITA) zur Herstellung von Vliesstoffen aus rezyklierten Carbonfasern
© ITA
Krempel des Instituts für Textiltechnik Augsburg (ITA) zur Herstellung von Vliesstoffen aus rezyklierten Carbonfasern
Technikum (Bildausschnitt - Heißpresse) des IGCV zur Verarbeitung von Vliesstoffen aus rezyklierten Carbonfasern
© Fraunhofer IGCV
Technikum (Bildausschnitt - Heißpresse) des IGCV zur Verarbeitung von Vliesstoffen aus rezyklierten Carbonfasern
Beispielhafter Demonstrator aus rezyklierten Carbonfasern (weitere Bauteile in Planung)
© Fraunhofer IGCV
Beispielhafter Demonstrator aus rezyklierten Carbonfasern (weitere Bauteile in Planung)

Leistungsspektrum für rCF-Vliese

Vor diesem Hintergrund war es das Ziel des Projektvorhabens »MAI CaRinA«, der starken Forderung der Industrie nach einem übersichtlichen und leicht zugänglichen Leistungsspektrum für rCF-Vliese nachzukommen. Unter Einbezug aller industrierelevanten Parameter sollte den Vliesstoffen dabei ein umfassendes Eigenschaftsprofil für die eindeutige Rückverfolgbarkeit zugewiesen werden. Dadurch wird die geforderte Vergleichbarkeit sowohl untereinander als auch in Konkurrenz zu anderen Materialklassen geschaffen und erstmalig ein die gesamte Prozesskette der Herstellung von rCF Produkten umfassendes Datenmodell geschaffen.

Projektziele »MAI CaRinA«

  • Untersuchung und Verbesserung der Vliesbildung mit Carbonfaser
  • Entwicklung und Verbesserung der Imprägnierung der rCF-Vliesstoffe mit thermoplastischen Matrizes
  • Generierung von Materialkarten kommerziell verfügbarer und in Entwicklung befindlicher rCFK aus rCF-Vliesstofffen mit unterschiedlichen Thermoplasten und Duromeren
  • Bereitstellung von rCF-Materialien als gängiges Material in Software-Tools zur Materialauswahl im Produktdesign für IngenieurInnen, EntwicklerInnen und DesignerInnen
Ashby-Plot unterschiedlicher Materialien für biegedominierte Anwendungen (in grün die rCF-Materialien)
© Fraunhofer IGCV
Ashby-Plot unterschiedlicher Materialien für biegedominierte Anwendungen (in grün die rCF-Materialien)

Validierte Simulationen bestätigen Projekterfolg

Im Projekt konnten über 100 Vliesstoffe hergestellt und charakterisiert werden. Dabei wurden die Zusammenhänge der Krempel auf die Qualität, Produktivität und Eigenschaften der Vliesprodukte systematisch untersucht. Neben 100% rCF-Vliesstoffen wurden thermoplastische Mischvliese hergestellt und auch alternative Imprägnierverfahren getestet. Alle mechanischen Tests wurden zur Validierung von Materialienkarten genutzt, um das Material für typische CAx-Tools nutzbar zu machen. So konnten die hergestellten Bauteile simuliert und die Simulation validiert werden. Auch die Potentiale hinsichtlich akustischer Abschirmung von rCF-Vliesstoffen und lokaler Verstärkung durch Neufasertapes wurden aufgegriffen und erste positive Erkenntnisse gewonnen.

Am Ende des Projekts wurde die Anwendbarkeit an drei unterschiedlichen Demonstratoren nachgewiesen. Hierfür wurden eine Türverkleidung und ein Unterbodenschutz im Bereich des Automobilsektors und ein Hitzeschild im Helikopter-Heckausleger erfolgreich umgesetzt.

Türverkleidung aus einer rCF-Duromer Bauweise
© SGL Carbon SE
Türverkleidung aus einer rCF-Duromer Bauweise
Unterboden aus einer rCF-Sandwichbauweise
© Röchling Automotive SE & Co. KG
Unterboden aus einer rCF-Sandwichbauweise
Heckausleger aus einer rCF-Prepreg-Sandwichbauweise
© Airbus Helicopter GmbH
Heckausleger aus einer rCF-Prepreg-Sandwichbauweise
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