Hochleistungslaser macht aus recycelten Carbonfasern Top-Werkstoffe
Bislang war es sehr aufwendig, Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen zurückzugewinnen, und die Qualität der gewonnenen Fasern ließ meist zu wünschen übrig. Fraunhofer-Forschenden ist es nun gelungen, mittels Hochleistungslaser ein neues Verfahren zu entwickeln. Es ist nach Aussage der Forschenden einfacher, günstiger und die recycelten Fasern haben eine hohe Qualität.
Die Fraunhofer-Forschenden arbeiteten mit einem experimentellen Aufbau, um die lokale Hochleistungs-laserinduzierte Pyrolyse umzusetzen.
Foto: Fraunhofer EMI
Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, hat eine neue Technologie entwickelt, um Carbonfasern aus Verbundwerkstoffen zurückzugewinnen, die keine Einbußen bei der Materialqualität mit sich bringen soll. Das neuartige Recyclingverfahren setzt dabei auf einen Hochleistungslaser. Er zersetzt gezielt die Matrix der mehrlagigen faserverstärkten Kunststoffe. Neben den ökologischen Vorteilen birgt die Methode auch ein beträchtliches wirtschaftliches Potenzial.
Carbonfaser-Verbundwerkstoffe, auch Composites genannt, haben zwei besondere Eigenschaften: Sie sind sehr fest und leicht. Diese Vorteile sorgen dafür, dass sie in zahlreichen Branchen sehr gefragt sind. Sie haben aber auch einen Nachteil: Ihre Entsorgung und Wiederverwertung stellt eine große Herausforderung dar.
Von Rotorblättern zu Textilien: Recycling von Windenergieanlagen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer EMI haben nun einen Prozess entwickelt, der es ermöglicht, die Fasern aus gebrauchten Composites effizient für eine Wiederverwendung aufzubereiten, ohne dabei ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Bisher verwendete Recyclingverfahren basieren auf dem Schreddern der Faser-Kunststoff-Verbunde. Das hat zur Folge, dass die Fasern verkürzen und es zu einem Downcycling kommt. Dagegen bewahrt das neue Recyclingverfahren die Integrität der Carbonfasern und eröffnet neue Möglichkeiten für eine hochwertige Wiederverwertung.
Innovatives Recyclingverfahren für Carbon dank Hochleistungslaser
Ein Blick in die Werkstoffe zeigt: Carbonfaser-Verbundwerkstoffe bestehen aus Faserbündeln, die in eine Polymermatrix eingebettet sind. Diese Matrix dient dazu, die Fasern zusammenzuhalten, die Form eines Bauteils zu definieren und die Fasern vor Umwelteinflüssen zu schützen. Es gibt zwei Hauptkategorien von Kunststoffen, die sich zum Einbetten eignen: Duroplastische Composites verfügen über eine nicht schmelzbare Matrix, was bedeutet, dass sie nicht erneut bearbeitet werden können. Sie sind in ihren Verhalten vergleichbar mit aushärtendem Klebstoff, der eine permanente feste Verbindung eingeht. Im Gegensatz dazu lassen sich thermoplastische Composites schmelzen und wiederverarbeiten. Aufgrund ihrer einfacheren Verarbeitbarkeit finden duroplastische Composites jedoch häufiger Anwendung in der Industrie.
Mit dem neuen Recyclingverfahren lassen sich die Faserverstärkungen der duroplastischen Composites kontrolliert mithilfe eines Hochleistungslasers abtragen. Das ist besonders wichtig, wenn es um Wasserstoffdruckbehälter geht. Denn bei ihnen werden Carbonfaser-Bündel endlos um eine Kunststoffhülle gewickelt. Das sorgt für eine besondere Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Betriebsdrücken von bis zu 700 bar. Das Verfahren ermöglicht es, die gewickelten Faserstrukturen schonend und effizient zurückzugewinnen.
Recyclingverfahren für Carbon: Lokale Pyrolyse ohne Faserbeschädigung
„Die Besonderheit dieses Prozesses besteht darin, dass wir die Pyrolyse der Matrix und das Abwickeln der Fasern gleichzeitig, möglichst schnell und ohne Beeinträchtigung der Carbonfasern durchführen“, erläutert Projektleiter Mathieu Imbert.
Eine Herausforderung gibt es dabei natürlich ebenfalls. Sie dreht sich um die Definition des optimalen Prozessfensters: Während sich die Matrix bei Temperaturen zwischen 300 und 600 Grad Celsius zersetzt, können die Fasern ab circa 600 Grad Celsius Schaden nehmen. „Wir haben einen sehr guten Kompromiss zwischen Prozesseffizienz und Qualität des Rezyklats gefunden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die zurückgewonnenen endlosen Fasern die gleichen hohen Leistungsmerkmale aufweisen wie neue Fasern, was das Verfahren besonders attraktiv macht“, betont Imbert.
Energieeffizienz steigern und Transfer in die Recycling-Industrie
Für Recyclingunternehmen könnte Carbon damit zu einem lohnenden Geschäft werden. Die Kombination aus gezieltem lokalen Wärmeeintrag und dem parallelen Abziehen des endlosen Faserbündels verkürzt eine sonst langandauernde Pyrolysezeit. Damit einhergehend reduzieren sich die häufig hohen Prozesskosten, die bei dickwandigen Wasserstoffbehältern üblicherweise anfallen. Auch die laserunterstützte Rückgewinnung benötigt lediglich etwa ein Fünftel der Fertigungsenergie im Vergleich zur Produktion neuer Fasern. Entscheidende Vorteile angesichts steigender Energiekosten und wachsender Umweltanforderungen.
Das Projekt gehört zum DigiTain-Projekt und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Es läuft noch bis Ende 2025. In dieser Zeit wollen die Forschenden das innovative Recyclingverfahren für Carbon noch energieeffizienter gestalten und die Qualität der zurückgewonnenen Fasern weiter optimieren. Das positive Verhältnis von hohem Rezyklatwert zu niedrigen Prozesskosten sieht das Forscherteam als entscheidendes Argument für den geplanten Transfer der Technologie in die Recycling-Industrie. Am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand auf der Hannover Messe 2025, die vom 31. März bis zum 4. April 2025 stattfindet, präsentieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Technologie.
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