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Fakultät Maschinenwesen, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“
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CFK-Recycling
Entwicklungs- und Anwendungspotenzial Stand 08.05.2018
Dipl.-Ing. Philipp Schwanemann
Prof. Dr. rer. nat. Hubert Jäger
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Excellence in Lightweight Design
Matrix Systeme als Multiplikatoren
07.05.2018 2
Carbon Faser Märkte 2030
Polymere
Leicht Metall / Hybride
Beton
Carbon
SiC Keramik
Matrix Systeme
[ % ] Wachstum 9,5 15 5,5 >> 20
Luftfahrt Hoch-, Tief- & Brückenbau
Energie & Automobil
Anlagen- & Machinenbau
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Excellence in Lightweight Design
Die Carbon Faser Welt 2030
07.05.2018 3
0
100
200
300
400
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800
0
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600
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800
2.010 2.020 2.030
Mit CF Beton
Märkte heute
2010 2020 2030
CF B
ed
arf
Welt
[ K
to ]
1. 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
Mit China*
rCF
* Automotive Strategy
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Excellence in Lightweight Design
Recyclingrouten für CFK
07.05.2018 4
Mittel / langfristig anfallender CFK-Wertstoff
Matrixhaltiger Verschnitt
Trockener Verschnitt Intelligente "In-Line" Verarbeitung
(und andere Recycling-Prozesse)
Pyrolysis Solvolysis
18 Kto
12 Kto Kein Downcycling
( end of live 2 – 40 Jahre)
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Excellence in Lightweight Design
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
07.05.2018 5
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung von Kohlenstofffasern
07.05.2018 6
Solvolyse
Pyrolyse
Elektrodyn. Fragmentierung Schreddern
Energetische Verwertung
Endlosfaser Gewebe aus kleinen Bauteilen
Langfaser
Kurzfaser
Energie
Trockener Faserverschnitt
Endlosfaser Gewebe aus großen Bauteilen
• Ziel – Energie- und Werterhalt im Faserhalbzeug
• Fasern werden mit jeder Kaskadenstufe weiter gekürzt und somit die mech. Eigenschaften verringert
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Excellence in Lightweight Design
Recyclingverfahren
07.05.2018 7
CCeV-Arbeitsgruppe Nachhaltigkeit, Augsburg 25.9.2015
Kosten Energie- effizienz
Umwelt-verträglich-
keit
Durch- satz
Pyrolyse
Solvolyse
(Superkritisches Wasser)
Solvolyse /Hydrolyse (basischer Aufschluss)
Energetische Verwertung
Elektro-dynamische Fragmentierung
Polymerisation
negativ positiv
Mechan. Eigen-
schaften
Serien- reife
Forschungs- ziel
Schreddern (Stoffliche Verwertung)
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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.
07.05.2018 Excellence in Lightweight Design 8
Recyclingverfahren - Pyrolyse
www.cfk-recycling.de
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• 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
07.05.2018 Excellence in Lightweight Design 9
Recyclingverfahren - Solvolyse
kritischer Punkt 230 bar / 400°C
Temperatur
Dru
ck
fest (Eis)
flüssig
Super- kritische Region
Triple-Punkt
gasförmig
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Excellence in Lightweight Design
Recyclingverfahren - Solvolyse
07.05.2018 10
rCF
Textiles Halbzeug
CFK-Bauteil
Band
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 aus Solvolyse in diesem Verfahren bereits verarbeitet
• Durch geringere Faserschädigung größeres mechanisches Potenzial gegenüber rCF aus Pyrolyse
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Excellence in Lightweight Design
Kombination Solvolyse / Pyrolyse
07.05.2018 11
So
lvoly
se
Pyroly
se
CFK-Bauteil (end of life)
Sortierung des CFK
Kurz- bis Langfaser
rCF Markt Chemische Industrie
rCF Gelöstes Polymer
rCF + Faser-
architektur
Endlosfaser mit def. Faserarchi-
tektur
Energie
Verschnitt
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
07.05.2018 12
• 3000 t Kohlenstofffaserabfälle pro Jahr
• Recycling führt zu geringeren Faserlängen
• Hybrider Leichtbau vorteilhaft für Kaskadennutzung
Duroplastische FKV Thermoplastische FKV
Hybridstrukturen mit Schaumkern FKV / Stahl-Hybridbauteile
Aluminium Stahl
InEco, funded by EFRE
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
07.05.2018 13
+ =
Hybrid-Vlies (CF + Polymerfasern)
Kurzfaserverstärktes Spritzgussgranulat
Thermoplastische Sandwichstruktur
Steifigkeit
Design-flexibilität
Dichte
Kosten
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
07.05.2018 14
• 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
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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Plastifiziereinheit mit SCF-Einheit
CFK-Decklage Heiz-
einheit Gasversetzte
Schmelze Form-
werkzeug Sandwich-
Panel
rCF-Vlies Platte Geschäumtes
Sandwich-Panel
Auswerfer Roboter mit Heizeinheit
Form-werkzeug
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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Gurtanbindung Crashlast Anbindungselement
(Kindersitz o. ä.)
Akustische Anregung Subwoofer
• Spritzgegossene Sandwichstrukturen für geometrisch komplexe Sandwichstrukturen
• Maßgeschneiderte Materialeigenschaften in Abhängigkeit von lokalen Anforderungen
• Demonstratorbauteil: Strukturbelastete Hutablage
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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erste Stufe der Kaskade
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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• Hohes Maß an Gestaltungsfreiheit
• Integration von Einsätzen und Funktionsintegration
• Kombination von geschäumten und ungeschäumten Bereichen
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
07.05.2018 20
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