Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »TapeZyklat«
Recycling kohlenstofffaserverstärkter Tapes
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoff-Tapes (CFK-Tapes) sind wegen der energieintensiven Herstellung ein vergleichsweise teures Ausgangsmaterial für die Herstellung von Flugzeug- und Automobilbauteilen. Von diesen Tapes gehen jedoch in konventionellen Verarbeitungsprozessen – vom Halbzeug über die Konfektionierung, das Tapelegen und das Thermoformen bis hin zum fertigen Bauteil – durchschnittlich 30 Prozent als Verschnittreste und Ausschuss verloren. Ein kostengünstiges und nachhaltiges Recycling für dieses ungenutzte Material ist heute noch nicht verfügbar.
Recyclingprozesse für CFK – für mehr Nachhaltigkeit in der Wertschöpfungskette
Das Land Nordrhein-Westfalen und die Europäische Union förderten das Forschungsprojekt »TapeZyklat«, in dem das Fraunhofer IPT gemeinsam mit zwei Industriepartnern ein Recyclingsystem für kohlenstofffaserverstärkte Kunststofftapes entwickelte. Das Ziel des Projekts war es, recycelte Tapes aus Resten der Produktion herzustellen. Diese fallen in großen Mengen beim Zuschneiden von flächigen Tapes, so auch beim Projektpartner Lösing GmbH Schneideservice, an. Durch die Wiederverwertung solcher Produktionsabfälle wird ein recyceltes Tape als hochwertiges Halbzeug entstehen. So schließt sich der Wertstoffkreislauf durch das industrielle Recycling der Tapes und macht die Kohlenstofffasern zu einem nachhaltigeren Werkstoff. Gleichzeitig können die Materialkosten gesenkt werden. Das, kombiniert mit den sehr guten mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig geringem Gewicht und guter chemischer Beständigkeit, macht CFK-Tapes für den heutigen Flugzeug- und Automobilbau noch attraktiver.
Im Projekt »TapeZyklat« wird ein Recyclingprozess entwickelt, mit dem thermoplastische Tapeabfälle zu neuen Halbzeugen und Bauteilen verarbeitet werden können.
Vom Verschnittrest zu neuem Ausgangsmaterial
Das Fraunhofer IPT hat mit seiner Expertise im Sondermaschinenbau ein Recyclingsystem entwickelt und aufbaut, das aus Verschnittresten automatisiert recycelte Tapes herstellt. Dabei kann unterschiedliches thermoplastisches Material verarbeitet werden. Das recycelte Tape besteht aus gerichteten Langfasern. Die Lösing GmbH Schneideservice untersuchte, wie dieses Tape auf herkömmliche Verarbeitungsbreiten zugeschnitten werden kann. Am Fraunhofer IPT konnten diese Tapes dann mit konventionellen Fertigungsverfahren wie dem Tapelegeverfahren und in Umformprozessen verarbeitet werden. Aus dem recycelten Tape wurden im Tapelegeverfahren flächige Laminate hergestellt, die zu Demonstratorbauteilen umgeformt wurden. Als Demonstratorbauteile wurden Industrieschutzhelme gefertigt. Diese Helme wurden anschließend in Anlehnung an die geltenden Normen für diese Bauteile getestet. So konnten die guten Materialeigenschaften und die hervorragende Verarbeitbarkeit des neuartigen Tapes gezeigt werden. Dies macht das Material für den Einsatz beispielsweise in der Automobilindustrie oder für Sportgeräte interessant.
Vorteile der recycelten Tapes beim Thermoforming
Das Tape aus recyceltem Material, das im Forschungsprojekt »TapeZyklat« entwickelt wird, besteht im Gegensatz zu konventionellen CFK-Tapes nicht aus Endlosfasern, sondern aus zusammengesetzten Tapestücken. Was zunächst nach einem Nachteil klingt, bietet jedoch einen großen Vorteil: Herkömmliche Tapes weisen aufgrund der Endlosfaser eine geringe Fließfähigkeit beim Fertigungsschritt des Thermoformens auf, sodass sich Bauteile mit komplexen Formen nur schwer herstellen lassen. Die Tapestücke des recycelten Tapes können sich jedoch im Thermoformingprozess gegeneinander verschieben, sodass sich die Dehnbarkeit des Materials bei der Prozessauslegung gezielt ausnutzen lässt. Der Projektpartner M.TEC Engineering GmbH simulierte das Prozess- und Bauteilverhalten. So entstand für die Industrie nicht nur ein kostengünstigeres und nachhaltigeres CFK-Material, sondern es ergaben sich darüber hinaus noch zusätzliche Verarbeitungsvorteile für den Thermoforming-Prozess.
Konsortium
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Deutschland
- Lösing GmbH Schneideservice, Deutschland
- M.TEC ENGINEERING GmbH, Deutschland