Wertvolle Faser überzeugt mit „mehreren Leben“

Um das Gewicht der schweren Batterien zu kompensieren, ist im Bereich der Karosserie von Elektromobilen Leichtbau unabdingbar. Doch was passiert mit CFK-Bauteilen nach ihrer Nutzung?

Anlagentechnik zum Carbonfaser-Recycling im Zentrum für Textilen Leichtbau am STFI: Derartige Fasern werden in ihrem "ersten Leben" z.B. am Batteriekasten von E-Mobilen oder in Strukturbauteilen der Karosserie genutzt.

Foto: Dirk Hanus

Elektromobilität ist derzeit „in aller Munde“. Die Zukunft des Verbrennungsmotors erscheint ungewiss, auch wenn intensiv an umweltfreundlicheren Konzepten gearbeitet wird. Besonderer Fokus liegt auf der Antriebstechnik, egal, um welche Art der Motorisierung es sich handelt. Nicht zu vernachlässigen sind jedoch auch die weiteren Komponenten der Automobile, wie die Motorengehäuse und die Karosserie. Letztere muss beispielsweise hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, soll zugleich aber möglichst leicht sein, da dies Kraftstoff sowie Emissionen einspart und der Umwelt nutzt.

Für anspruchsvolle Anwendungen im Automobil kommt vermehrt kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff (CFK) zum Einsatz. Die darin enthaltenen Fasern sind teuer in der Herstellung, tragen aber aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften erheblich zum Leichtbauprofil bei. Umso wichtiger ist es, über ihre weitere Nutzung nach dem Ende des Lebensdauer eines faserverstärkten Bauteils nachzudenken. Recycling-Ansätze sind gefragt. Lösungen dafür haben Institute der Zuse-Gemeinschaft mit Stammsitz in Berlin entwickelt. Zu der großen Gemeinschaft gehören rund 70 Forschungsinstitute mit unterschiedlichen Schwerpunkten in ganz Deutschland.

Teure Kernkomponente Carbonfaser

Carbonfasern (Kohlenstofffasern) bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff. In der Herstellung sind sie sehr energieaufwendig: Bei 1.300 Grad Celsius werden sie aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Die Fasern sind besonders leicht, äußerst bruchfest und haben eine hohe Zugfestigkeit. Das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) arbeitet aktuell mit Industriepartnern daran, statisch-mechanische Stärken der Carbonfasern mit Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung zu verknüpfen. Das Ziel lautet beispielsweise, die Gehäuse von E-Motoren im Auto zu optimieren. In dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt werden Hybrid-Vliesstoffe entwickelt, die neben der kostspieligen Carbonfaser als Verstärkung noch weitere Faserstoffe enthalten. So lassen sich die Vorteile unterschiedlicher Faserstoffe verbinden und ein ideal auf die Forderungen abgestimmtes Produkt entsteht.

Das STFI ist Spezialist für vielfältige Anwendungsfelder von Textilien und seit über 25 Jahren Innovationspartner und Dienstleister. Themenschwerpunkte der Arbeiten am STFI liegen in den Bereichen Technische Textilien, Vliesstoffe, Textiler Leichtbau, Funktionalisierung, Recycling, Digitalisierung und Industrie 4.0.

Langjährige Erfahrungen in den Zuse-Instituten

Mit den Forschungen zu Hybrid-Vliesstoffen ergänzen die Chemnitzer Forschenden bisherige Vliesstoff-Lösungen. Sie blicken auf eine 15-jährige Geschichte in der Arbeit mit recycelten Carbonfasern zurück. Der globale Jahresbedarf der hochwertigen Fasern hat sich im vergangenen Jahrzehnt fast vervierfacht. Nach einer Statistik der AVK (Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e.V., Frankfurt/Main) stieg er auf zuletzt rund 142.000 Tonnen. „Die steigende Nachfrage hat das Recycling immer stärker in den Fokus gerückt“, betont Marcel Hofmann, STFI-Abteilungsleiter Textiler Leichtbau. „Carbonfaserabfälle kosten nur etwa ein Zehntel bis ein Fünftel des Preises von Primärfasern, sie müssen jedoch noch aufbereitet werden. Dreh- und Angelpunkt für den Forschungserfolg beim Thema recycelte Fasern sind konkurrenzfähige Anwendungen.“ Das STFI hat Einsatzmöglichkeiten bei Automobilen, aber auch in der Medizintechnik – wie bei Komponenten für Computertomografen – ermittelt. „Metalle oder Glasfasern werfen nämlich Schatten, Carbon jedoch stört die Bilddarstellung nicht.“

Know-how aus dem Papierrecycling nutzen

Wenn recycelte Carbonfasern nochmals den Produktkreislauf durchlaufen, verbessert das ihre CO₂-Bilanz deutlich. Eine Restriktion für den Wiedereinsatz ist jedoch die Faserlänge: Je kürzer die Carbonfasern ausfallen, desto schlechter lassen sie sich nutzen. Um Abhilfe zu schaffen, haben das Forschungsinstitut Cetex und die Papiertechnische Stiftung (PTS), beides Mitglieder der Zuse-Gemeinschaft, ein neues Verfahren entwickelt. „Üblichweise werden bisher die spröden Recyclingfasern trocken verarbeitet. In einem Verfahren aus der Papierindustrie geschieht dies nass. Am Ende des Prozesses entsteht eine flächige Matte aus recycelten Carbon- und Kunststofffasern“, erläutert Cetex-Projektingenieur Johannes Tietze das Verfahren.

Auch Fasern mit einer Länge von nur noch 40 mm lassen sich sinnvoll zu Zwischenprodukten recyceln. Das aus der Matte in einem Heißpressprozess entstandene Teil dient als Grundmaterial für belastbare spätere Strukturbauteile. Die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge lassen sich weiter verbessern, indem endlosfaserverstärkte Tapes hinzukombiniert werden. Anwendungen können im im Schienen- und Fahrzeugbau liegen. Das Kooperationsnetzwerk Ressourcetex, ein Verbund von 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft, befasst sich mit den weiteren Entwicklungen.

Recycling-Fasern werden bereits in der Autoindustrie genutzt

Industriereife Lösungen für die Verwertung von Carbonfaser-Produktionsabfällen werden im Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt (TITK) in Thüringen weiterentwickelt. Dabei kommen Partnerunternehmen wie SGL Composites in Wackersdorf mit ins Spiel, wo die Entwicklungen industriell umgesetzt werden können. Einsätze gibt es z.B. bereits im „BMW i3“ – im Dach oder in der hinteren Sitzschale – sowie in einem Bauteil für die C-Säule des 7er-BMW. Aktuell liegt ein Entwicklungsschwerpunkt auf dem Einsatz von Recyclingfasern in thermoplastischen Prozessen zur Platten- und Profilextrusion. Dabei werden die Kurz- und die Endlosfaserverstärkung in einem einzigen, leistungsfähigen Prozess-Schritt vereint.