CO2-SaVer – Nachhaltiger Leichtbau durch Recyclingcarbonfaser-Vliesstoff

Ressourceneffizienz und CO2-Einsparung durch den Einsatz von recycelten Carbonfaser-Vliesstoffen zur Herstellung von Sandwich-Strukturen

 

Carbonfasern (CF) gelten aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte als das »schwarze Gold« des Leichtbaus. Die steigende Nachfrage führt jedoch zu erheblichen Mengen an Verbundwerkstoffabfällen, die effektiv verwertet werden müssen. Derzeit ist die Produktion von Carbon-Neufasern energieintensiv und verursacht hohe CO2-Emissionen. Durch das Zurückgreifen auf recycelte CF (rCF), z. B. gewonnen über die wichtigsten industriellen Recyclingverfahren Pyrolyse oder Solvolyse, können für die Herstellung von Bauteilen aus Carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erhebliche Mengen an CO2-Äquivalenten eingespart und die Nachfrage nach neuen CF gesenkt werden. Des Weiteren fallen bei der CFK-Bauteil-Herstellung bis zu 40 mass.-% CF-Verschnitt an, von denen real weniger als 1 % wieder verwendet werden.

Ziel des Projektes »CO2-SaVer«

...ist daher die Entwicklung und Etablierung eines Verfahrens zur Herstellung von Bauteilen mit einer rCF-Verstärkung von 100 %. Insbesondere Vliesstoffe basierend auf rCF bieten ein großes Potential, den CF-Kreislauf ressourcen- und kosteneffizient zu schließen, weswegen sie im Projekt fokussiert werden. Zudem wird die »3D-Lofter«-Technologie zur Aufbringung lokaler Verstärkungen auf Vliesflächen weiterentwickelt und das Lofting-Verfahren zur Herstellung hochfester Sandwichbauteile in einem Prozessschritt erforscht.

Innovative Recyclingcarbonfaser-Vliesstoffe

Im Rahmen des Projekts »CO2-SaVer« werden innovative rCF-Vliesstoffe hergestellt, die mit Hilfe des additiven »3D-Lofter-Verfahrens« lokal verstärkt werden. Dabei wird gezielt Fasermasse appliziert, die an etwaige Belastungspfade innerhalb des Vlieses angepasst werden kann. Durch die präzise Platzierung der Verstärkungsfasern werden die mechanischen Eigenschaften verbessert und das Leichtbaupotenzial optimiert. Ein weiterer wesentlicher Ansatz des Projektes ist die Erzeugung einer sandwichartigen Struktur durch den sogenannten Lofting-Effekt. Dieser Effekt wird im Niederdruck-RTM-Verfahren durch das Öffnen des Werkzeugs während des Prozesses erreicht. Durch die Freisetzung »verpresster« Spannungskonzentrationen im Zuge des vorangegangenen Übereinanderbiegens der Fasern, richten sich die Fasern innerhalb der Vliesstruktur auf und bilden Hohlräume im Bauteil (»Spring-back-Effekt«). Das Ergebnis ist eine Volumenzunahme verbunden mit einer Dichteabnahme. Die so hergestellten Kernstrukturen zeichnen sich durch hohe Biege- und Drucksteifigkeiten aus. Eine weitere Besonderheit des Projekts ist der Einsatz von biobasierten Harzsysteme, deren Brandschutzeigenschaften durch neu entwickelte Additivmischungen gewährleistet werden.

CO2-Saver: gestackter Halbzeugstapel
© Fraunhofer IGCV
Exemplarisches Schema des thermoplastischen Lofting-Prozesses; Fertig gestackter Halbzeugstapel für den Pressprozess (rCF-PA6-Trockenvlies) (links), verpresste CFK-Platte (Mitte) und geloftete ausgehärtete Struktur nach erneutem Überschreiten der Schmelztemperatur (rechts).

Forschungsfokus: Optimierung der Vliesstoffverarbeitung

Als produktionstechnisches Institut beschäftigt sich das Fraunhofer IGCV mit der Optimierung der Vliesstoffverarbeitung. Dies umfasst die Weiterentwicklung des Niederdruck-RTM- sowie auch des WCM-Verfahrens hinsichtlich der Etablierung eines effizienten Lofting-Prozesses auf Basis duromerer Matrixsysteme. Zudem birgt die Integration von Decklagen auf geloftete Kernstrukturen Forschungsbedarfe, die das Fraunhofer IGCV bedienen möchte. Die hergestellten Platten und Bauteile werden am Fraunhofer IGCV des Weiteren mechanisch charakterisiert, wobei insbesondere die gelofteten Bauteile neue Prüfmethoden erfordern. Neben statischen Tests werden auch dynamische und Langzeittests mit den neuen Werkstoffen durchgeführt, um deren Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

CO2-Saver: Prüfverfahren der rCF-Sandwichstrukturen, Teil 1
© Fraunhofer IGCV
Prüfung gelofteter rCF-Sandwichstrukturen und verschiedene Versagensarten
CO2-Saver: Prüfung von rCF-Sandwichstrukturen, Teil 3
© Fraunhofer IGCV
CO2-Saver: Prüfverfahren der rCF-Sandwichstrukturen, Teil 1
© Fraunhofer IGCV

Projektdemonstrator: Abbildung komplexer Geometrien über das Lofting-Verfahren

CO2-Saver: Lofting-Sandwichstruktur
© Fraunhofer IGCV
Geloftete Sandwichstruktur mit komplexer Konus-Geometrie.

Ein Vorteil in der Arbeit mit Vliesstoffen liegt in der in der Regel guten Drapierbarkeit entsprechend abgeleiteter Strukturen, weshalb auch komplexe Geometrien über das Lofting-Verfahren abbildbar werden. Aus diesem Grund wird im Projekt ein industriegetreuer Demonstrator mit verschiedenen Konturen angestrebt.

Das Demonstrationsprojekt befasst sich konkret mit einer Seitenabdeckung für einen batteriebetriebenen LKW. Daran werden Untersuchungen zum Brandschutz, zur elektromagnetischen Abschirmung und zum Schwingungsverhalten durchgeführt und ausgewertet.
Der Anwendungsnutzen und die Projektergebnisse sind auch auf andere Industriebereiche übertragbar.

CO2-SaVer: Demonstratorbauteil für das Projekt
© EDAG Group
Enwurf des Demonstratorbauteils für das Projekt »CO2-SaVer« – Seitenabdeckung für einen batteriebetriebenen LKW aus Lofting-Sandwichbauteilen
 

Nassvliesanlage

Diese Pilotanlage dient der Herstellung von innovativen und neuartigen Vliesstoffen. Sie ist sehr flexibel ausgelegt und kann sowohl Natur-, Chemie- als auch technische Fasern (bspw. recycelte Carbonfasern) verarbeiten.

 

Recycling von
Composites

Mit zahlreichen Forschungsprojekten sorgen wir entlang der gesamten Recyclingkette für einen nachhaltigeren Umgang mit dieser Materialgruppe.  

 

Fraunhofer IGCVirtuell

Virtueller Rundgang durch die Forschungshallen des Fraunhofer IGCV

Spezielle Tour zu Composite-Recycling

 

Ansprechpersonen

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