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Fakultät Maschinenwesen, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ Mail: [email protected] | Web: tu-dresden.de/mw/ilk | Tel: +49 351 463 37915 | Fax: +49 351 463 38143 CFK-Recycling Entwicklungs- und Anwendungspotenzial Stand 08.05.2018 Dipl.-Ing. Philipp Schwanemann Prof. Dr. rer. nat. Hubert Jäger

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Fakultät Maschinenwesen, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“

Mail: [email protected] | Web: tu-dresden.de/mw/ilk | Tel: +49 351 463 37915 | Fax: +49 351 463 38143

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

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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

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Excellence in Lightweight Design

Die Carbon Faser Welt 2030

07.05.2018 3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

100

200

300

400

500

600

700

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

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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)

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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

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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

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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)

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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

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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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Excellence in Lightweight Design

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

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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

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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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Excellence in Lightweight Design

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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Excellence in Lightweight Design

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

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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

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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