CFK-Recycling. Entwicklungs- und Anwendungspotenzial. Stand Dipl.-Ing. Philipp Schwanemann Prof. Dr. rer. nat.

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1 Fakultät Maschinenwesen, Fakultät Verkehrswissenschaften Friedrich List CFK-Recycling Entwicklungs- und Anwendungspotenzial Stand Dipl.-Ing. Philipp Schwanemann Prof. Dr. rer. nat. Hubert Jäger Mail: Web: tu-dresden.de/mw/ilk Tel: Fax:

2 Matrix Systeme als Multiplikatoren Carbon Faser Märkte 2030 Matrix Systeme Luftfahrt Energie & Automobil Anlagen- & Machinenbau Hoch-, Tief- & Brückenbau Polymere Carbon Leicht Metall / Hybride SiC Keramik Beton Wachstum 9,5 15 5,5 >> 20 [ % ] 2

3 Die Carbon Faser Welt 2030 CF Bedarf Welt [ Kto ] 800 Mit CF Beton Mit China* * Automotive Strategy Märkte heute 100 rcf Heutige PAN Mengen reichen nicht für erwartetes Marktwachstum Carbon Fasern. Alternative Precursor Fasern müssen erschlossen werden 2. CF Beton als neuer globaler Markt wird nach 2020 mit Wachstumsraten > 20 % starten 3. Recycling von CFRP als neuer Markt wird > 20 kto jährlich beitragen 4. Strategien für Bionik & Multi Material Ansätze sind essentiell 3

4 Recyclingrouten für CFK Pyrolysis Solvolysis 12 Kto Mittel / langfristig anfallender CFK-Wertstoff Kein Downcycling ( end of live 2 40 Jahre) Matrixhaltiger Verschnitt 18 Kto Trockener Verschnitt Intelligente "In-Line" Verarbeitung (und andere Recycling-Prozesse) 4

5 Herausforderung bei CFK-Entsorgung Entsorgung Deponierung und thermische Verwertung durch gesetzliche Bestimmungen in großen Mengen nicht möglich, insbesondere in der Automobilindustrie kritisch Nutzung von CFK in hybrider Bauweise erschwert zusätzlich das Recycling durch die Notwendigkeit des Entfügens der Strukturen Sortierung Wichtig sind die genaue Materialzuordnung nach Matrix- und Fasertypen sowie nach textiler Verarbeitung der verwendeten Kohlenstofffasern Durch die Spezifizierung der Stoffströme kann der Werterhalt signifikant vergrößert werden Recycling Entwicklungen werden zukünftig zu einer Verringerung des Energiebedarfs im Recycling sowie zu Verbesserung der Materialqualität und damit zum Erhalt der mechanischen Eigenschaften führen Zugehörige textile Handhabung und Aufbereitung hat starken Einfluss auf die erzielbaren Materialeigenschaften von Bauteilen aus rcf 5

6 Kaskadennutzung von Kohlenstofffasern Ziel Energie- und Werterhalt im Faserhalbzeug Fasern werden mit jeder Kaskadenstufe weiter gekürzt und somit die mech. Eigenschaften verringert Endlosfaser Gewebe aus großen Bauteilen Trockener Faserverschnitt Solvolyse Endlosfaser Gewebe aus kleinen Bauteilen Pyrolyse Langfaser Elektrodyn. Fragmentierung Schreddern Kurzfaser Energetische Verwertung Energie 6

7 Recyclingverfahren negativ positiv Forschungsziel Kosten Durchsatz Energieeffizienz Umweltverträglichkeit Mechan. Eigenschaften Serienreife Pyrolyse Solvolyse (Superkritisches Wasser) Solvolyse /Hydrolyse (basischer Aufschluss) Schreddern (Stoffliche Verwertung) Energetische Verwertung Elektro-dynamische Fragmentierung Polymerisation CCeV-Arbeitsgruppe Nachhaltigkeit, Augsburg

8 Recyclingverfahren - Pyrolyse 1. Diverse Wertstoffklassen werden nach Fasertyp und Verarbeitungszustand sortiert und gegebenenfalls zerkleinert. Anschließend erfolgt mittels thermischer Behandlung die vollständige Rückgewinnung der reinen Kohlenstofffasern. 2. Bei Temperaturen um 400 C wird unter Sauerstoffausschluss das Matrixmaterial zersetzt und die Kohlenstofffaser freigelegt. 3. Die Fasern werden je nach Faserlänge und Anwendungsanforderungen beschlichtet und textil aufbereitet. 8

9 Druck Recyclingverfahren - Solvolyse Carbonfasern vollständig und unbeschädigt aus der jeweiligen textilen Struktur herausgelöst und neuwertig wiederverwendet Hochleistungs-rCF-Bauteile unter Erhalt der recycelten textilen Architektur werden neu gefertigt Gelöste Matrixbestandteile werden als Rohstoff der chemischen Industrie rückgeführt (stabile Aromaten) und dort in chemische Prozesse integriert Es entstehen keine zu entsorgenden Abfallprodukte fest (Eis) flüssig Superkritische Region Triple-Punkt Temperatur gasförmig kritischer Punkt 230 bar / 400 C 9

10 Recyclingverfahren - Solvolyse Textile Aufbereitung Mechanische Eigenschaften von FKV hängen sehr stark von Faserorientierung im Bauteil ab rcf liegen nach heute meist ungeordnet vor ITM verarbeitet rcf aus Pyrolyse zu Hybridgarnen und anschließend zu Geweben und konsolidiert diese Somit können die Fasern ihr mechanisches Potential stärker ausschöpfen (bis 90% Festigkeit) rcf Band Textiles Halbzeug rcf aus Solvolyse in diesem Verfahren bereits verarbeitet Durch geringere Faserschädigung größeres mechanisches Potenzial gegenüber rcf aus Pyrolyse CFK-Bauteil 10

11 Pyrolyse Solvolyse Kombination Solvolyse / Pyrolyse CFK-Bauteil (end of life) Verschnitt Sortierung des CFK Kurz- bis Langfaser Energie Endlosfaser mit def. Faserarchitektur rcf rcf + Faserarchitektur Gelöstes Polymer rcf Markt Chemische Industrie 11

12 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK 3000 t Kohlenstofffaserabfälle pro Jahr Recycling führt zu geringeren Faserlängen Hybrider Leichtbau vorteilhaft für Kaskadennutzung InEco, funded by EFRE Duroplastische FKV Thermoplastische FKV Hybridstrukturen mit Schaumkern FKV / Stahl-Hybridbauteile Aluminium Stahl 12

13 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK + = Hybrid-Vlies (CF + Polymerfasern) Kurzfaserverstärktes Spritzgussgranulat Thermoplastische Sandwichstruktur Steifigkeit Designflexibilität Dichte Kosten 13

14 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK Wirtschaftliche und ökologische Alternative zu endlosfaserverstärkten Thermoplasten (mittlere Lasten) Für Komponenten mit mittleren Lasten Herstellung von Matten von Grimm Schirp: Airlay-Technologie Aufeinanderfolgende Fixierung von losen Fasern durch Nadeln und Nähen Vlies-Halbzeuge werden gestapelt im Autoklav zu Platten verarbeitet Anschließend können diese in der Spritzgießmaschine umgeformt und zu Sandwichstrukturen weiterverarbeitet werden Konsolidierung von Kohlenstofffaser / PA6-Hybridmatten im Autoklav-Prozess 14

15 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK Plastifiziereinheit mit SCF-Einheit CFK-Decklage Gasversetzte Schmelze Heizeinheit Formwerkzeug Sandwich- Panel rcf-vlies Platte Formwerkzeug Roboter mit Heizeinheit Auswerfer Geschäumtes Sandwich-Panel 15

16 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK 16

17 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK Spritzgegossene Sandwichstrukturen für geometrisch komplexe Sandwichstrukturen Maßgeschneiderte Materialeigenschaften in Abhängigkeit von lokalen Anforderungen Demonstratorbauteil: Strukturbelastete Hutablage Akustische Anregung Subwoofer Gurtanbindung Crashlast Anbindungselement (Kindersitz o. ä.) 17

18 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK erste Stufe der Kaskade 18

19 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK Hohes Maß an Gestaltungsfreiheit Integration von Einsätzen und Funktionsintegration Kombination von geschäumten und ungeschäumten Bereichen 19

20 Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK Fazit Hohes Potenzial von thermoplastischen Sandwichmaterialien mit recycelter Kohlefaserverstärkung für Biegebelastungen Anpassung Prozessparameter, dadurch homogene und feine Zellstruktur sowie Verbesserung der mechanischen Eigenschaften Neuartiges One-Shot-Verfahren für thermoplastische Sandwichstrukturen mit prozessintegrierter Thermoformung von Deckschichten 20