Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen. Dipl.-Ing. Michael Tesch

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1 Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Dipl.-Ing. Michael Tesch

2 Agenda Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Kurzvorstellung NeMa - Bereich der Werkstofftechnik/Neue Materialien des Kunststoff-Institut Lüdenscheid Einführung in das Thema / Beweggründe Prozessbeschreibung/ Materialentwicklung Ausblick Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

3 Werkstofftechnik/Neue Materialien (NeMa) Materialauswahl / Definition von Anforderungsprofilen Sortenminimierung/ Kostenreduktion Anwendungsorientierte Materialentwicklung Evaluierung, Entwicklung und Validierung von Funktionswerkstoffen für Branchenlösungen Einsatz biobasierter Materialien und nachwachsender Rohstoffe Einführung von Recyclingkonzepten/ Rezyklateinsatz in der Kunststoffverarbeitung Durchführung von Schulungen im Bereich der Werkstofftechnik Grundlagenforschung Institutsvorstellung

4 Agenda Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Kurzvorstellung NeMa - Bereich der Werkstofftechnik/Neue Materialien des Kunststoff-Institut Lüdenscheid Einführung in das Thema / Beweggründe Prozessbeschreibung/ Materialentwicklung Ausblick Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

5 Eigenschaftsveränderungen durch CFK Eigenschaftsveränderung durch CFK (Carbon-Faser verstärkter Kunststoff): CF besitzen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit Für gleiche Festigkeit wie GF-Compounds wird ca. 1/3 der Carbonfasergehaltes benötigt Geringere Dichte (1,8 g/cm³) im Vergleich zu Glasfasern (2,5 g/cm³), Gewichtseinsparung bis 25 % möglich Steigerung der elektrische und thermische Leitfähigkeit Verbesserung des tribologischen Verhaltens Nachteile CFK-Verwendung: Carbonfasern als Neuware sind sehr hochpreisig (25-30 /kg) Herstellungsprozess der Fasern ist sehr energieaufwendig Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

6 Marktpotential Globaler Bedarf an Kohlestofffasern in Tonnen Schätzung nach Bernhard Jahn * Aufteilung der Tonnen Kohlenstofffasern im Jahr 2020 Abhilfemaßnahmen Ausbau von Produktionskapazitäten Recycling von CFK-Produkten 45% 42% Windenenergieanlagen Flugzeugbau Automobilbau Andere Anwendungen 6% 7% Quelle: Eickenbusch, H.; Krauss, O.: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe im Fahrzeugbau- Ressourceneffizienz und Technologie, VDI Zentrum Ressourceneffizienz, Berlin, 2013 *Quelle 2013: Kunststoff-Information; Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

7 Marktpotential Flugzeugindustrie ~ 30 Jahre Windkraftanlagen ~ 20 Jahre Recycling von CFK Automotive ~ 15 Jahre Sport ~ 5 Jahre Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

8 Beweggründe CFK-Recycling Menge an End-of-Life Abfällen nimmt zu [1] CFK-Abfälle unterliegen dem Deponierungsverbot Die Verbrennung von Abfällen ist problematisch und teuer [1] Pflicht zum CFK-Recycling aufgrund von neuen Gesetzen (z. B. Altautoverordnung, EU-Abfallrahmenrichtlinie) Immer mehr Produktionsabfälle entstehen i.d.r bis zu 30 % an Verschnitt bei Gelegeherstellung [1] Ungünstige Kostenentwicklung durch Verfügbarkeit/Engpässe Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz [2] Geringere Umweltwirkung als Neuware im Bereich CO 2 [2] [1]Hofmann, M.: Faservliessstoffe für die Verbundherstellung, das Recyclingkonzept für Carbonabfälle in Langfaserform, Sächsisches Textil Forschungsinstitut e.v., Chemnitz, 2012 [2]Hahnemann, J.: Optimierung der CO² Bilanz durch definierten Rezyklateinsatz in Kunststoffbauteilen, FIT Umwelttechnik GmbH, Wolfsburg, 2013 Abbildung rechts: CarboNXT GmbH Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

9 Energiebedarf CF-Neuware/Rezyklat Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

10 Projekt ReCarbo Der Einsatz von CF-Fasern fördert insbesondere den Leichtbau Positive CO 2 -Bilanz durch nachhaltige Herstellung und/oder Recycling Das Projekt ReCarbo ist ein gemeinschaftliches Vorhaben der Unternehmen Projektziel: Rückführung von rezyklierten Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Zeitraum 07/2013 bis 07/2015 Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

11 Agenda Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Kurzvorstellung NeMa - Bereich der Werkstofftechnik/Neue Materialien des Kunststoff-Institut Lüdenscheid Einführung in das Thema / Beweggründe Prozessbeschreibung/ Materialentwicklung Ausblick Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

12 Projektinhalte ReCarbo Prozessführung bei der Carbonfaserrückgewinnung Kompaktierung der Fasern Verfahrensentwicklung Vermahlung von Fasern Compoundieren von CF-Materialien Materialvalidierung Spritzgießtechnische Bemusterung Rückführung von rezyklierten Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

13 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Abfallsortierung und Zerkleinerung Verfahrensablauf - Pyrolyseprozess Faserqualität und Lieferform Compoundierung Validierung Bauteil CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

14 1. CFK-Abfälle Die CarboNXT GmbH ist ein zertifizierter Entsorgungsfachbetrieb für Carbonfaserhaltige Produktionsreste End-of-Life Bauteile Verarbeitung von: trockenen Faserresten Prepreg-Materialien ausgehärtete CFK-Bauteile CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG Quellen: Flugzeugindustrie Automobilindustrie Freizeitindustrie Verschnitt aus dem Herstellprozess technischer Teile Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

15 1. Sortierung und Zerkleinerung Sortierung der unterschiedlichen Faserqualitäten nach: Fasertypus Prepreg Materialien End-of-Life-Produkte Carbonfaserreste Verarbeitungszustand Vor Rückgewinnung der reinen Carbonfaser erfolgt bei Bedarf eine Vorzerkleinerung der Bauteile Geschnittene CFK-Abfälle CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co.KG Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

16 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Verfahrensablauf - Pyrolyseprozess CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

17 2. Verfahrensablauf - Pyrolyseprozess CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

18 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Faserqualität und Lieferform CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

19 3. Faserqualität/Veredelung Durch gezielte Prozessführung und Optimierung des Inertbereiches in der Pyrolyseatmosphäre entstehen hochreine Carbonfasern ohne anhaftende Pyrolyseruße Die Fasern erfahren im Anschluss eine anwendungsabhängige Oberflächenbehandlung Je nach verwendeter Quelle entstehen Fasern im Bereich von cm Länge, Zerkleinerung auf reproduzierbare Länge Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

20 3. Lieferformen der Carbonfasern Milled Kurzfaser mit mittlerer Faserlänge von 120 µm Eignet sich als Füllstoff für mechanische sowie elektrische Eigenschaften Chopped Stapelfaser mit Faserlängen bis 100 mm Optimiert für Duroplastanwendungen Besonders geeignet für Bulk- und Sheet Moulding Compounds (BMC / SMC) Fiberballs Kompaktierte Faser-Rezyklate rieselfähig Mittlere Faserlänge 100 µm Ermöglicht eine vereinfachte Verarbeitung durch Reduzierung der Staubentwicklung CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG (Bilder oben und Mitte) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

21 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Compoundierung CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

22 4. Compoundierung und Materialentwicklung Aufgabendefinition/Ziel Eigenschaftsevaluierung Recherche / Additivauswahl Herstellung von Mustermengen Versuchsplanerstellung/Compoundierung Erarbeitung geeigneter Prozessparameter Rezepturentwicklung inkl. Auswahl Schneckenprofils Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

23 4. Compoundierung ZSK 26 gleichdrall Doppelschneckenextruder modularer Schneckenaufbau separate Seitenbeschickung Anpassung und Bewertung der Verarbeitungsbedingungen an unterschiedlichen Lieferformen der Fasern Matrixpolymere (PA, PP, PC, PEEK) Ziel ist eine zuverlässige, homogene Dispergierung der Faser in der Kunststoffschmelze Schneckendesign zeigt hohen Einfluss auf Produktqualität Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

24 4. Compoundierung - Screw Design Screw Design: Austesten der Grenzen zwischen hoher bis geringer Scherung durch modularen Aufbau der Schnecke Untersuchung zum Einfluss des Schneckendesigns auf mechanische Kennwerte Für optimal Produktqualität: Zugabe der Carbonfasern auf dem letzten Drittel oder Viertel mittels Sidefeeds Schnecke sollte stromabwärts möglichst frei von Knetblöcken sein Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

25 4. Materialentwicklung mit recycelten Carbonfasern Einfluss der Schneckenkonfiguration auf mechanische Kennwerte Vergleich der Schneckengeometrien CFK 007 E-Modul / MPa CFK 001 CFK 006 CFK CFK 004 CFK 005 CFK Zugfestigkeit / MPa Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

26 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Validierung CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

27 5. Validierung der Produkteigenschaften Um die hergestellten Compounds umfangreich zu charakterisieren, führt das Kunststoff-Institut Lüdenscheid u.a. die folgenden akkreditierten Untersuchungen durch Zugeigenschaften nach ISO 527 Biegeeigenschaften nach ISO 178 Charpy Schlageigenschaften nach ISO Beurteilung der Faseranbindung mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM)* Faserlängenverteilung* zur Beurteilung unterschiedlicher Schnitttechnicken der Carbonfasern *nicht akkreditiert Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

28 7. Validierung der Produkteigenschaften Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

29 7. Validierung der Produkteigenschaften Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

30 7. Validierung der Produkteigenschaften Die Faser-Matrixanbindung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Festigkeitssteigerung durch die Carbonfasern Die Faseranbindung kann im REM optisch untersucht werden Eine schlechte Anbindung führt beim Zugversuch zu kreisrundem Pull-out (Abbildung rechts), die Faser ist kaum mit Matrixmaterial benetzt Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

31 7. Validierung der Produkteigenschaften Materialeigenschaften mit rezyklierten CF-Fasern sind mit Werte kommerzieller Produkte vergleichbar jedoch zu einem um 20-30% geringerem Preis bessere Anhaftung der Fasern im Vergleich zu Neuware durch reaktive Oberfläche aus Pyrolyseprozess Weitere Optimierung findet statt, hinsichtlich Beschlichtung/Faseranbindung an Kunststoffmatrix Unterschiedliche Faserqualitäten Unterschiedliche Mahltechniken der Fasern Einsatz rezyklierter Carbonfasern an Polymeren Polypropylen (PP) Polycarbonat (PC) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

32 Prozesskette CFK-Recycling Rückführung von recycelten Carbonfasern Bauteil CarboNXT GmbH (Bild 1, 2 oben, alle anderen Bilder KIMW) Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

33 8. Endprodukt Aus den so hergestellten Compounds lassen sich über einen Spritzgießprozess Bauteile jeglicher Form spritzgießen Sekundärer Recyclingkreislauf Aus recycelten Carbonfasern entsteht ein neues, Carbonfaserverstärktes Produkt Demonstrator "Naviblende", KIMW Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

34 Agenda Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen Kurzvorstellung NeMa - Bereich der Werkstofftechnik/Neue Materialien des Kunststoff-Institut Lüdenscheid Einführung in das Thema / Beweggründe Prozessbeschreibung/ Materialentwicklung Ausblick Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

35 Ausblick Bedarf an CFK steigt Höchste Wachstumsraten sind im Automotivbereich zu erwarten Elektromotorisierung ist mit dem Thema Leichtbau unabdingbar verknüpft Herstellung erfolgt auf Basis regenerativen Energiequellen / Rohstoffen OEMs sind gefordert, Abfälle direkt wiederzuverwenden oder zu verwerten Der Anteil an Abfallströmen wächst Die Rückführung von Carbonfasern in einem Sekundarkreislauf ist eine Lösung von vielen. Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

36 Danksagung Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Kontakt: Dipl.-Ing. Michael Tesch Werkstofftechnik/ Neue Materialien Kontakt: Mark Rabener, M.Sc. Werkstofftechnik/ Neue Materialien

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