Carbon-Bauteile aus Produktionsresten

Ziel der Projektpartner unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT, Aachen, war die Entwicklung eines Prozesses, um kohlenstofffaserverstärkte thermoplastische Tapes wiederzuverwerten. Denn beim Schneiden flächiger CFK-Tapes gehen bis zu 30 % des Ausgangsmaterials als Produktionsabfall verloren. Der Projektpartner Lösing GmbH Schneideservice, Herford, fand einen Weg, diese Abfälle zu sammeln und für den Recyclingkreislauf bereitzustellen.

Bisher werden beim Recycling von FVK oft nur die Fasern wiederverwendet. Zum einen liegt dies daran, dass die Fasern der kostenintensive Teil des Verbundwerkstoffs sind. Zum anderen kommen in den meisten Fällen nicht schmelzbare Duromere als Matrixsysteme zum Einsatz. Dadurch, dass sich thermoplastische Materialien mehrfach aufschmelzen lassen, können diese wiederverwendet werden. Diese Eigenschaft nutzten die Forscherinnen und Forscher im Projekt TapeZyklat: Um den Recyclingprozess noch kostengünstiger zu gestalten, trennen die Projektpartner Fasern und Kunststoff des Tapes jedoch nicht. Stattdessen fügen sie die Schnittreste in einem neuartigen Verfahren zu einem neuen, flächigen Band zusammen. So bilden sie ein hochwertiges Tape-Halbzeug, das für die Herstellung neuer Bauteile verwendet werden kann. Es lässt sich unter Wärmeeinwirkung in die gewünschte Bauteilgeometrie umformen. Dadurch, dass die bereits vorgenommene Imprägnierung der Fasern mit dem Matrixmaterial bestehen bleibt, entfällt ein weiterer aufwändiger Prozessschritt.

Für die Eigenschaften des zukünftigen Bauteils spielt es keine Rolle, dass keine Endlosfasern in den zugeschnittenen Resten mehr vorliegen. Es werden ähnlich gute Materialeigenschaften erzielt, wie bei neuwertigem Material. Da die Produktionsreste im neuen Recyclingprozess kontinuierlich weiterverwendet werden, können hohe Durchsatzraten erzielt werden.

Vorteile beim Thermoformen

Besonders vorteilhaft beim neuen Wiederverwertungsprozess ist es, dass bekannte Technologien wie Tapelegen und Thermoformen und bereits vorhandene, konventionelle Anlagentechnik genutzt werden können. Im Gegensatz zu konventionellen CFK-Tapes besteht das recycelte Material nicht aus Endlosfasern. Was nach einem Nachteil klingt, bietet einen großen Vorteil: Aus Tapes mit Endlosfasern lassen sich aufgrund der geringen Fließfähigkeit nur schwer Bauteile mit komplexen Formen herstellen. Anders beim recycelten Tape: Die Tapestücke verschieben sich beim Thermoformen gegeneinander, sodass der Prozess gezielt auf die Drapierbarkeit des Materials abgestimmt werden kann. Durch die neuartige Aufbereitung ist es sogar möglich, das Material beim Thermoformen in Faserrichtung tiefzuziehen. Dies erlaubt eine größere Vielfalt beim Design der hergestellten Bauteile und führt zu robusteren Thermoforming-Prozessen. Hierfür entwickelte der Projektpartner M.Tec Engineering, Herzogenrath, ein Materialmodell des neuartigen Tapematerials und führte Bauteil- und Umformsimulationen durch, um das Potenzial des Materials in neuen Bauteilen umsetzen zu können.

Die Projektpartner nehmen die Materialdaten auf und werten diese aus, während sie das recycelte Material herstellen. Um die mechanischen Eigenschaften des neuen Halbzeugs sicherzustellen und zu testen, setzen sie Simulationen ein und produzieren Demonstratorbauteile. Die hergestellten Schutzhelme für die Industrie prüfen sie anhand geltender Normen.

Erweiterte Einsatzgebiete von CFK

Zukünftig ist geplant, FVK-Bauteile aufgrund des geringeren Gewichts auch in weiteren Anwendungen einzusetzen, die deutlich preissensibler sind, zum Beispiel im Automobil- oder Maschinenbau. Um bei den Herstellungspreisen mit konventionellen Werkstoffen mithalten zu können, ist es für einen effizienten Werkstoffkreislauf zwingend erforderlich, übriggebliebene Stoffreste wiederzuverwerten. Die Projektpartner planen für die Zukunft, industriell einsetzbare Recyclingprozesse für Tapematerialien für weitere Anwendungsfelder zu entwickeln.

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