CFK-Recycling - IG KURIS...Wachstum 9,5 15 5,5 >> 20 [ % ] Luftfahrt Hoch-, Tief- & Brückenbau...
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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
Excellence in Lightweight Design
Matrix Systeme als Multiplikatoren
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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
Excellence in Lightweight Design
Die Carbon Faser Welt 2030
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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
Excellence in Lightweight Design
Recyclingrouten für CFK
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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)
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
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Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung von Kohlenstofffasern
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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
Excellence in Lightweight Design
Recyclingverfahren
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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)
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.
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Recyclingverfahren - Pyrolyse
www.cfk-recycling.de
• 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
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Recyclingverfahren - Solvolyse
kritischer Punkt 230 bar / 400°C
Temperatur
Dru
ck
fest (Eis)
flüssig
Super- kritische Region
Triple-Punkt
gasförmig
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Recyclingverfahren - Solvolyse
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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
Excellence in Lightweight Design
Kombination Solvolyse / Pyrolyse
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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
Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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• 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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Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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+ =
Hybrid-Vlies (CF + Polymerfasern)
Kurzfaserverstärktes Spritzgussgranulat
Thermoplastische Sandwichstruktur
Steifigkeit
Design-flexibilität
Dichte
Kosten
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Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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• 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
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
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
Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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erste Stufe der Kaskade
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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
Excellence in Lightweight Design
Kaskadennutzung am Beispiel des Projektes ReLei am ILK
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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