Vor einigen Jahren machte die BMW Group einen revolutionären Schritt nach vorne, indem sie den gesamten Fahrgastraum aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff baute. Wie üblich haben neue Produktionsmethoden auch viel recycelte Kohlefaser hervorgebracht. Wie Sie recycelte Kohlefasern geschickt einsetzen, um Abfall in Schätze zu verwandeln, lesen Sie in diesem Artikel.

Trockenes Carbonfaserweben in der Automobilproduktion Recycelte Carbonfasern können in leistungsstarken technischen Produkten verwendet werden. Als Protofasern, die durch ein innovatives Verfahren zu Stapelfasern verarbeitet werden können, können aus dem mit dieser neuen Faser gefüllten Verbundwerkstoff leichte, hochelastische Automobilkomponenten hergestellt werden.

Lightweight bringt recycelte Kohlefaser

Die Luftfahrtindustrie war oft führend bei der Verwendung von Leichtbaukomponenten. Bei solch kostenintensiven Fahrzeugen liegt der unmittelbare Vorteil der Gewichtsreduzierung in einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Die Automobilindustrie steht vor ähnlichen Herausforderungen. Kernmärkte wie Europa, die Vereinigten Staaten und China haben sich ehrgeizige Klimaziele gesetzt, um die regulatorischen Anforderungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen zu erfüllen. Europäische Vorschriften verlangen beispielsweise, dass der CO2-Ausstoß von Personenkraftwagen bis zum Jahr 2020 auf durchschnittlich 95 g/km gesenkt werden muss. Daher investieren Automobilhersteller und ihre Tochtergesellschaften Geld in die Suche nach neuen Wegen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und in die Umsetzung unrealisierter Ideen in Leichtbaukonstruktionen das kann in Massenproduktion hergestellt werden.

Vor einigen Jahren machte die BMW Group einen revolutionären Schritt nach vorne, indem sie den gesamten Fahrgastraum aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff baute. Wie üblich führen neue Produktionsmethoden auch zu viel recycelter Carbonfaser. Zu diesen recycelten Kohlenstofffasern gehören trockene Faserreste und Nassabfälle. Zunächst konzentrierten sich die Automobilhersteller auf das Trocknen und Recyceln von Kohlefasern zu Stoffen geeigneter Länge für den Einsatz in kleinen Anwendungen. Allerdings entspricht der verbleibende Stoff möglicherweise nicht den Formanforderungen des neuen Teils. Die manuelle Verarbeitung hat sich als kostspielig, zeitaufwändig und anfällig für menschliche Fehler erwiesen. Daher müssen neue Lösungen gefunden werden.

Effiziente Nutzung von Kohlefaser zum Weben

Die AKRO-PLASTIC GmbH aus Lower Chisen, Deutschland, hat einen Weg gefunden, die Wertschöpfung von recycelten Carbonfasern durch deren Zugabe zu Polymerschmelzen zu steigern. Die Stofffasern werden in mehreren Schritten zerkleinert, wie es bei der traditionellen Methode zum Schneiden von Kohlefasern der Fall ist, und dann durch Schwerkraft auf einem Extruder dosiert. Die Hauptschwierigkeit liegt im Pulverbindemittel zum Weben von Stoffen. Ursprünglich sollte es die Lagen des Kohlefasergewebes an Ort und Stelle halten und verhindern, dass es sich bei nachgelagerten Prozessen löst. Der entscheidende Punkt bei der Fütterung ist die genaue Kontrolle der Temperatur im Verarbeitungsprozess. In diesem Fall ist der verwendete Doppelschneckenextruder (Hersteller: FEDDEM GmbH & Co. KG) mit einem neu entwickelten Seiteneinzug ausgestattet, der bis zu 40 % der Carbonfaser schonend in die Polymerschmelze einbringt. Der nächste Schritt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Maschine während des gesamten Prozesses ordnungsgemäß verpackt ist, da sonst die hohe elektrische Leitfähigkeit der Kohlefaser die elektrischen Komponenten beschädigt.

Verbundmaterial mit Gewichtsvorteil

Die neue AKRO-PLASTIC-Reihe kohlenstofffaserverstärkter Produkte, bekannt als ICF, zeichnet sich durch hohe Festigkeit und geringe Dichte zu einem wettbewerbsfähigen Preis aus. Bis zu 40 Prozent Kohlefaser können beigemischt werden. Ziel der neuen Produktlinie ist es, das Gewicht der Produkte, insbesondere der tragenden Komponenten, deutlich zu reduzieren. Kohlefaserverstärkter Verbundwerkstoff verfügt über elektrische Abschirmung und hervorragende Wärmeleitfähigkeit, besonders geeignet für Aktivkohlefilter, Steuergeräteträger und Mittelkonsolenkomponenten. Der Vergleich in Tabelle 1 zeigt, dass der Zugmodul von mit 15 % Kohlefaser verstärktem PA6 (AKROMID B3 ICF 15 schwarz (5026)) dem von mit 30 % Glasfaser verstärktem PA6 entspricht. Ein spezifisches Gewicht von mehr als 12 % reicht aus, um den Kunden bereit zu machen, eine Reduzierung der Biegefestigkeit um 20 % in Kauf zu nehmen. Die Steifigkeit des Polymers nimmt mit zunehmender Faserfüllung um bis zu 42 % zu, während die Biegefestigkeit auf Kosten des Polymers nur um 12 % abnimmt. Der Gewichtsvorteil war jedoch mit einem Gewichtsverlust von 22 Prozent erheblich.

Schäumender Gewichtsverlust

In Kombination mit anderen Bearbeitungsverfahren kann das Gewicht von Bauteilen weiter reduziert werden. Die beiden gängigsten Technologien auf dem Markt sind wasserunterstütztes und gasunterstütztes Spritzgießen (WIT/GIT). Durch das Aufschäumen von Polymerschmelzen mit Treibmitteln lässt sich das Gewicht je nach Methode noch einmal um 6 bis 13 Prozent reduzieren. In dem in Tabelle 2 gezeigten Test wurden 3,5 % des chemischen Schaummittels AF-Complex PE 990310TM zu einer 20 % kohlenstofffaserverstärkten Mischung (Polyamid + Polypropylen) hinzugefügt und auf die Matrize einer Spurstange aufgetragen. Die Dichte nimmt um mehr als 13 Prozent ab – weniger als die Dichte von Wasser. Trotz des erheblichen Gewichtsverlusts kam es zu keiner Verringerung der Biegefestigkeit, wobei die Biegesteifigkeit etwa der von 40 % glasfaserverstärktem Polyamid 6 entsprach, das mit Glasfasern gefüllte Produkt jedoch etwa 50 % mehr wog. Daher ist Schäumen die beste Wahl für Teile, die Biegebeanspruchung erfordern.