RecyCarb E-Book

Holger Fischer

• Herausgeber: Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 111

Veröffentlichungsjahr: 2019

Beschreibung

Im Forschungsvorhaben RecyCarb wurde eine qualifizierte Wertschöpfungskette für rezyklierte Carbonfasern (rCF) initiiert, die deren qualitativ hochwertige und nachhaltige Ver-wendung in anspruchsvollen Faserverbundbauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Bereich der Sportgeräte oder Medizintechnik gestattet. Die technologische Lücke zwischen am Markt verfügbaren Abfallmaterialien und deren funktionellen Wiedereinsatz konnte weiter geschlossen werden. Alle wesentlichen Projektziele konnten erreicht werden: - Upscaling des Prozesses der Vliesstoffherstellung aus rCF - Aufbau eines prozessbegleitenden Monitorings von Qualitätsparametern - Erfolgreiche Prozessführung im Airlay- und Krempelverfahren - Verarbeitung unterschiedlicher Produktionsresten und Pyrolysefasern, pur oder in Mischung mit Thermoplastfasern - Prepregherstellung aus rCF-Vliesstoffen und Verarbeitung zu rCFK - Verfestigung der rCF-Vliesstoffe durch Vernadeln oder im Nähriwkrverfahren (Typ Maliwatt) - Online-Überwachung der Faserorientierung nach unterschiedlichen Prozessstufen im Krempel- und Airlayverfahren Die Ergebnisse belegen die Mehrfachnutzung der Fasern durch Wiedereinsatz sowie die weitgehende Vermeidung von Downcycling der energieintensiv hergestellten Carbonfasern.

Leseprobe

GEMEINSAMER SCHLUSSBERICHT ZU NR. 3.2

Vorhabenkonsortium:

Faserinstitut Bremen e.V. — FIBRE Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. — STFI TENOWO GmbH — TENOWO Eissmann Cotesa GmbH — COTESA Schmuhl FVT GmbH & Co. KG — SCHMUHL Autefa Solutions Germany GmbH — AUTEFA

Förderkennzeichen:

03ZZ06xx

Vorhabenbezeichnung:

„RecyCarb — Ganzheitliche verfahrenstechnische Betrachtung und prozessbegleitendes Monitoring von Qualitätsparametern bei der Aufbereitung von Carbonfaserabfällen und deren hochwertigen Wiedereinsatz in textilen Flächengebilden als Basismaterial für Faserverbundwerkstoffe der Zukunft.“

Laufzeit des Vorhabens:

01.12.2016 – 30.11.2018

Berichtszeitraum:

01.12.2016 – 30.11.2018

Bremen, 2019-04-30

Ort, Datum

Vorhabenkoordinator

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0608 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Zusammenfassung

Danksagung

Einleitung

I.1 Ausgangssituation / Motivation

I.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand

I.5 Zusammenfassung der Problemstellung

Durchführung des Projekts

II.1 Arbeitsteilung im Vorhaben

II.2 Arbeitspaket 1 / Rahmenbedingungen für Q-Monitoring, Prüfparameter

II.3 Arbeitspaket 2 / Applikation / Neuentwicklung von Prüfverfahren und - vorschriften

II.3.1 Sammlung der rCF

II.3.2 Anpassung / Neuentwicklung von Prüfverfahren

II.3.3 Untersuchung der rCF auf mögliche lungengängige Partikel

II.3.4 Applikation der Prüfverfahren / erste Resultate

II.3.5 Entwicklung der online-Messung

II.4 Arbeitspaket 3 / Untersuchungen zur Weiterentwicklung der Aufbereitungstechnologie als Basis für das Upscaling in den industriellen Maßstab

II.4.1 Pyrolysefasern

II.4.2 Verschnittabfall

II.4.3 Rovingreste / Absaugreste aus der Gelegeherstellung

II.5 Arbeitspaket 4 / Verarbeitungstests der in AP 3 gewonnenen rCF mittels verschiedener Vliesstofftechnologien im Technikumsmaßstab

II.5.1 Weiterverarbeitung der Pyrolysefasern

II.5.2 Weiterverarbeitung der Verschnittabfälle

II.5.3 Weiterverarbeitung der Rovingreste /Absaugreste

II.5.4 Input/Output-Betrachtung/Stoffstromanalyse

II.5.5 Verwendung eigene Vliesstoffabfälle im Prozess „rrCF“

II.6 Arbeitspaket 5 / Integration der in AP 2 ausgewählten Prüfverfahren und - vorschriften in die modifizierte Prozesskette und erste Feldtests zur Halbzeugherstellung

II.6.1 Faserorientierung der unterschiedlichen Prozessstufen

II.6.2 Faserorientierung über gesamte Warenbreite

II.6.3 Abhängigkeit der Faserorientierung von der Flächenmasse

II.6.4 Faserorientierung der rrCF-Vliesstoffvarianten

II.6.5 Online Messung der Faserorientierung

II.7 Arbeitspaket 6 / Compositeherstellung, Nachweis erreichbarer Effekte und Zuordnung zu den Anforderungen der verschiedenen Produktgruppen

II.7.1 Compositeherstellung am STFI

II.7.2 Herstellung von Verbundwerkstoffen bei der Firma Schmuhl Faserverbundtechnik

II.7.3 Herstellung von Verbundwerkstoffen bei der Firma Eissmann Cotesa

II.8 Arbeitspaket 7 / Entwicklung einer qualifizierten, industriell umsetzbaren Wertschöpfungskette sowie Verifizierung bei den Industriepartnern

II.9 Verwertung und Wirtschaftliche Bedeutung

II.10 Öffentlichkeitsarbeit

II.10.1 Veröffentlichungen in der Vorhabenlaufzeit

II.10.2 Veröffentlichungen nach Ende des Vorhabens

Ausblick

Literaturverzeichnis

Beteiligte Institutionen und Ansprechpartner

V.1 Faserinstitut Bremen e.V.

V.2 Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.

V.3 Autefa Solutions Germany GmbH

V.4 TENOWO GmbH

V.5 Eissmann Cotesa GmbH

V.6 Schmuhl Faserverbundtechnik GmbH & Co. KG

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1

Überblick über Verwertungsoptionen von C-Faser-Rezyklaten [2].

Tabelle 2

Analyseschema und Messmethoden für rCF

Tabelle 3

Ergebnisse Stoffstromanalyse Airlayverfahren

Tabelle 4

Ergebnisse Stoffstromanalyse Krempelverfahren

Tabelle 5

MD/CD-Verhältnisse Airlayverfahren

Tabelle 6

MD/CD – Verhältnisse Krempelverfahren

Tabelle 7

Übersicht Verbundwerkstoffe aus Pyrolysefasern

Tabelle 8

Übersicht Verbundwerkstoffe aus Verschnittresten

Tabelle 9

Übersicht rCF- und rrCF-Airlay-Verbundwerkstoff

Tabelle 10

Übersicht rCF-und rrCF-Verbundwerkstoff aus kardierten Vliesstoffen

Tabelle 11

Vergleich Zugfestigkeit und offline Bildanalyse rCF- und rrCF-Verbunde

Tabelle 12

Übersicht Laminatvarianten online Messung

Tabelle 13

Vergleich MD/CD-Verhältnis Laminat zu MD/CD-Verhältnis der online Messung

Tabelle 14

Übersicht rCF-Vliesstoffe für die Prepregherstellung

Tabelle 15

Übersicht Verbundplatten u.a. aus Prepregs hergestellt

Tabelle 16

Übersicht Versuchsplatten der Firma Schmuhl

Tabelle 17

Übersicht Prüfplatten hergestellt bei der Firma Eissmann Cotesa

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:

Projektlogo RecyCarb.

Abbildung 2:

Entwicklung der weltweiten Carbonfaser-Produktion

Abbildung 3:

Marktanteile der C-Faserhersteller

Abbildung 4:

Übersicht der Arbeitspakete des Vorhabens RecyCarb

Abbildung 5:

Balkenplan des Vorhabens RecyCarb

Abbildung 6:

Schematische Darstellung der Zusammenarbeit im Vorhaben

Abbildung 7:

Carbonvliesstoffanlage am STFI.

Abbildung 8:

Übersicht der Probenahmestellen im Kardierverfahren (mittels Krempel)

Abbildung 9:

Ergebnisse der Umfrage von Composites Germany

Abbildung 10:

Rezyklatsammlung mit Rovings, Gelegen, Kurzschnitt und Glasfaserfraktion

Abbildung 11:

Rezyklatsammlung verunreinigt mit Einmalhandschuhen, Holzspatelresten etc.

Abbildung 12:

in der Rezyklatsammlung enthaltene Metallteile

Abbildung 13:

Längenverteilung vs. Probenumfang für geschnittene rCF als Box-and-Whisker Plots

Abbildung 14:

Längenverteilung vs. Probenumfang für rCF aus Absaugung Airlay (Histogramme)

Abbildung 15:

Längenverteilung vs. Probenumfang für rCF aus Absaugung Airlay als Box-and-Whisker Plots

Abbildung 16:

REM-Analyse der rCF auf Partikel nach WHO-Klassierung

Abbildung 17:

kürzeste gefundene Partikel im Detail

Abbildung 18:

Filamentfestigkeit verschiedener rCF als Box-and-Whisker Plots

Abbildung 19:

E-Moduln verschiedener rCF als Box-and-Whisker Plots

Abbildung 20:

Querschnittsflächen der gemessenen rCF als Box-and-Whisker Plots

Abbildung 21:

REM-Aufnahmen der Proben V1 (links) und V2 (rechts)

Abbildung 22:

Messpunkte „Reste 1“ (links) und „Reste 3“ (rechts) im Detail; oben Zugfestigkeit, unten E-Modul

Abbildung 23:

REM-Aufnahmen der Proben „Reste 1“ (links) und „Reste 3“ (rechts)

Abbildung 24:

Originalbild, Kantenoperator und resultierendes Histogramm der bildanalytischen Orientierungsanalyse

Abbildung 25:

Ableitung von MD und CD in der Bildanalyse aus der Filamentorientierungsverteilung

Abbildung 26:

TENOWO Probe 5133/3 mit und ohne Maskierung der Vernähung in der Bildverarbeitung

Abbildung 27:

Erster Ansatz zur Prozesskontrolle mit NOS 200 in offline-Anordnung

Abbildung 28:

Vergleich direkte (Blitz) vs. Dombeleuchtung

Abbildung 29:

Eingehaustes online-Messsystem an der Anlage

Abbildung 30

Faseraufbereitung mittels Schneid- und Reißmaschine am STFI

Abbildung 31

vernetzte Abfälle vor der Pyrolyse und nach der Pyrolyse

Abbildung 32

Abfallbetrachtung Pyrolyseabfall

Abbildung 33

Carbonfaseranteil

Abbildung 34

Rest

Abbildung 35

pyrolysierte Gelegeflakes

Abbildung 36

geöffnetes Fasermaterial

Abbildung 37

Herstellung des Faserflors

Abbildung 38

Pyrolysefasern vor Faseröffnung (Probenpräparation für FibreShape)

Abbildung 39

Pyrolysefasern nach Faseröffnung (Probenpräparation für FibreShape)

Abbildung 40

Schnittlänge 50 mm

Abbildung 41

Schnittlänge 70 mm

Abbildung 42

Schnittlänge 100 mm

Abbildung 43

Vergleich angestrebte Kantenlänge und mittlere Faserbündellänge

Abbildung 44

Flakes auf Materialzuführband zur Reißmaschine

Abbildung 45

Materialzuführung und Aufreißprozess

Abbildung 46

geöffnete Faserflakes

Abbildung 47

Vergleich Schnittlänge und gemessene mittlere Faserbündellänge

Abbildung 48

Rovingreste vor der Faseröffnung

Abbildung 49

geöffnete Rovingreste

Abbildung 50

Vliesbildung mittels Airlayverfahren und anschließender Vernadelung am STFI

Abbildung 51

Vliesbildung mittels Krempelverfahren und anschließender Vernadelung am STFI

Abbildung 52

Verarbeitung des pyrolysierten Abfalls aus EoL von Eissmann Cotesa

Abbildung 53

Verschnittreste vor Faseröffnung

Abbildung 54

Verschnittreste nach Faseröffnung

Abbildung 55

vernadelter Vliesstoff mit Fehlstellen

Abbildung 56

Airlayflor

Abbildung 57

Transport zur Vernadelung

Abbildung 58

vernadelter Airlayvliesstoff, 300 g/m

2

Abbildung 59

Faserflor nach der Krempel

Abbildung 60

gestapelter Faserflor nach Leger

Abbildung 61

vernadelter Vliesstoff, 300 g/m

2

Abbildung 62

Probenahmestellen im Krempelverfahren

Abbildung 63

Probenahmestellen im Airlayverfahren

Abbildung 64

Zuführung des Vliesstoffes zur Reißmaschine

Abbildung 65

geöffneter Vliesstoff

Abbildung 66

Airlayflor

Abbildung 67

mittlere Faserbündellänge rrCF-Airlayvliesstoff

Abbildung 68

mittlere Faserbündellänge rrCF-Krempelvliesstoff

Abbildung 69

Versuchsaufbau offline Messung der Faserorientierung

Abbildung 70

Faserorientierung eines Krempelvliesstoffes (200 g/m

2

), MD/CD-Verhältnis: 0,57

Abbildung 71

Faserorientierung der einzelnen Prozessschritte im Krempelverfahren

Abbildung 72

Airlayflor und vernadelter Vliesstoff während der Ermittlung der Faserorientierung

Abbildung 73

Faserorientierung der einzelnen Prozessschritte im Airlayverfahren

Abbildung 74

Faserorientierung über die gesamte Warenbreite im Krempelverfahren

Abbildung 75

Faserorientierung vernadelter, kardierter rCF-Vliesstoffe über die gesamte Warenbreite

Abbildung 76

Faserorientierung vernadelter Airlayvliesstoffe über gesamte Warenbreite

Abbildung 77

Abhängigkeit der Faserorientierung und Flächenmasse bei dem Krempelverfahren

Abbildung 78

Faserorientierung im Krempelverfahren

Abbildung 79

Faserorientierung im Airlayverfahren

Abbildung 80

Faserorientierung rCF-Airlayvliesstoff und rrCF-Airlayvliesstoff

Abbildung 81

Faserorientierung rCF-Krempelvliesstoff und rrCF-Krempelvliesstoff

Abbildung 82

Faserorientierung kardierte, übernähte Vliesstoffe

Abbildung 83

On-line Analyse der Orientierungsverteilung im laufenden Prozess am Airlayflor

Abbildung 84

On-line Analyse der Orientierungsverteilung im laufenden Prozess am Krempelflor

Abbildung 85

Faserorientierung nach der Vernadelung

Abbildung 86

Zugfestigkeit von Laminat aus 100 % Pyrolysefaser im Vergleich zum Laminate auf 50% Pyrolysefasern

Abbildung 87

E-Moduln von Laminat aus 100% Pyrolysefasern im Vergleich zum Laminat aus 50% Pyrolysefaser

Abbildung 88

Biegefestigkeit von Laminat aus 100 % Pyrolysefasern im Vergleich zum Laminat aus 50 % Pyrolysefasern

Abbildung 89

Biegemoduln von Laminaten aus 100 % Pyrolysefasern im Vergleich zum Laminat aus 50 % Pyrolysefasern

Abbildung 90

REM Aufnahme Laminat 100 % Pyrolysefaser und Laminat auf 50 % Pyrolysefasern/50 % Primärfaserreste

Abbildung 91

Zugfestigkeit der Verbundwerkstoffe aus TENOWO Vliesstoffen

Abbildung 92

E-Moduln der Verbundwerkstoffe aus TENOWO Vliesstoffen

Abbildung 93

Biegefestigkeit der Verbundwerkstoffe aus TENOWO Vliesstoffen

Abbildung 94

Biegemoduln der Verbundwerkstoffe aus TENOWO Vliesstoff

Abbildung 95

Schnittlänge 50 mm MD-Richtung

Abbildung 96

Schnittlänge 100 mm CD-Richtung

Abbildung 97

Schnittlänge 70 mm MD-Richtung

Abbildung 98

Schnittlänge 70 mm CD-Richtung

Abbildung 99

Zugfestigkeit rCF- Airlay-Verbund und rrCF-Airlay-Verbund

Abbildung 100

E-Moduln rCF-Airlay-Verbund und rrCF-Airlay-Verbund

Abbildung 101

Biegefestigkeit rCF-Airlay-Verbund und rrCF-Airlay-Verbund

Abbildung 102

Biegemoduln rCF-Airlay-Verbund und rrCF-Airlay-Verbund

Abbildung 103

REM-Aufnahme rCF-Airlay-Verbund und rrCF-Airlay-Verbund

Abbildung 104

Zugfestigkeit rCF-Verbund und rrCF-Verbund aus kardierten Vliesstoffen

Abbildung 105

E-Moduln rCF-Verbund und rrCF-Verbund aus kardierten Vliesstoffen

Abbildung 106

Zugfestigkeit rCF-Verbund und rrCF-Verbund aus kardierten Vliesstoffen in unterschiedlichen Winkeln

Abbildung 107

Biegefestigkeit rCF-Verbund und rrCF-Verbund aus kardierten Vliesstoffen in unterschiedlichen Winkeln

Abbildung 108

rCF-Prepreg aus TENOWO-Vliesstoff

Abbildung 109

rCF-Prepreg aus Airlayvliesstoff

Abbildung 110

hydraulische Oberkolbenpresse am STFI mit Prepreg

Abbildung 111

Verbund aus rCF-Prepregs mit Vliesstoffen der Fa. TENOWO GmbH

Abbildung 112

Zugfestigkeit Handlaminat und Verbund aus rCF-Prepreg (TENOWO-Vliesstoff)

Abbildung 113

Zugfestigkeit Handlaminat und Verbund aus rCF-Prepreg (STFI – Vliesstoff)

Abbildung 114

Versuchsaufbau bei Fa. Schmuhl Faserverbundtechnik

Abbildung 115

Plattenwerkzeug bestückt mit rCF-Vliesstoffen

Abbildung 116

Biegefestigkeit der Platten 1-3 der Firma Schmuhl

Abbildung 117

Biegemoduln der Platten 1-3 der Firma Schmuhl

Abbildung 118

Zugfestigkeit der Prüfplatten der Fa. Schmuhl mit unterschiedlichen Faservolumengehalte

Abbildung 119

Biegefestigkeit der Prüfplatten der Fa. Schmuhl mit unterschiedlichen Faservolumengehalte

Abbildung 120

Kotflügelwerkzeug der Fa. Schmuhl

Abbildung 121

Kotflügel aus rCF-Airlayvliesstoff vom STFI

Abbildung 122

Kotflügel aus kardiertem, übernähten rCF-Vliesstoff der Fa. TENOWO

Abbildung 123:

CT-Liege aus rCF-Vliesstoffen (im Nähwirkverfahren verfestigt)

Abbildung 124

Querschnitt der Prüfplatte aus rCF-Airlayvliesstoff-Prepregs gefertigt bei der Firma Eissmann Cotesa

Abbildung 125

Querschnitt der Prüfplatte aus kardierten, übernähten rCF-Vliesstoff-Prepregs (TENOWO) gefertigt bei der Firma Eissmann Cotesa

Abbildung 126

Zugfestigkeit der Verbundwerkstoffe gefertigt bei Eissmann Cotesa

Abbildung 127

Biegefestigkeit der Verbundplatten gefertigt bei Eissmann Cotesa

Abbildung 128

Luftführung im Interieurbereich

Abbildung 129

Heckspoiler aus rCFK-Prepreg mit Sichtlage

Abbildung 130

Pressteil aus rCF-Prepreg für den Automobil-Interieurbereich

Abbildung 131:

Pressteil aus rCF-Prepreg mit Carbongewebe-Sichtlage für den Automobil-Interieurbereich

Abbildung 132:

Fahrradsattel aus rCF-PA-Hybridvliesstoff

Abbildung 133:

Autefa Solutions Nonwovens competence center, Linz, AT. Bildquelle: AUTEFA.

Zusammenfassung

Im Forschungsvorhaben RecyCarb wurde eine qualifizierte Wertschöpfungskette für rezyklierte Carbonfasern (rCF) initiiert, die deren qualitativ hochwertige und nachhaltige Verwendung in anspruchsvollen Faserverbundbauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Bereich der Sportgeräte oder Medizintechnik gestattet. Die technologische Lücke zwischen am Markt verfügbaren Abfallmaterialien und deren funktionellen Wiedereinsatz konnte weiter geschlossen werden. Alle wesentlichen Projektziele konnten erreicht werden:

Upscaling des Prozesses der Vliesstoffherstellung aus rCF

Aufbau eines prozessbegleitenden Monitorings von Qualitätsparametern

Erfolgreiche Prozessführung im Airlay- und Krempelverfahren

Verarbeitung unterschiedlicher Produktionsresten und Pyrolysefasern, pur oder in Mischung mit Thermoplastfasern

Prepregherstellung aus rCF-Vliesstoffen und Verarbeitung zu rCFK

Verfestigung der rCF-Vliesstoffe durch Vernadeln oder im Nähriwkrverfahren (Typ Maliwatt)

Online-Überwachung der Faserorientierung nach unterschiedlichen Prozessstufen im Krempel- und Airlayverfahren

Die Ergebnisse belegen die Mehrfachnutzung der Fasern durch Wiedereinsatz sowie die weitgehende Vermeidung von Downcycling der energieintensiv hergestellten Carbonfasern.

Danksagung

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die im Rahmen des Förderprogrammes „Zwanzig20 — Partnerschaft für Innovation“ erfolgte, finanzielle Förderung dieses Vorhabens mit den Förderkennzeichen 03ZZ0608A…M.

Wir danken dem PTJ Projektträger Jülich — Forschungszentrum Jülich GmbH als Projektträger des BMBF für die kooperative Zusammenarbeit und Betreuung der Arbeiten. Insbesondere möchten wir Dr. Axel Löbus für seine kontinuierliche, engagierte und lösungsorientierte Unterstützung danken.

Den Mitgliedern des Beirates von futureTEX danken wir für die richtungsweisenden Anregungen und wertvollen Diskussionen in den Beiratssitzungen und darüber hinaus.

I Einleitung

I.1 Ausgangssituation / Motivation

Abbildung 1: Projektlogo RecyCarb.

Im Vorhaben RecyCarb sollte eine qualifizierte Wertschöpfungskette für rezyklierte Carbonfasern initiiert und ausgebaut werden, die deren qualitativ hochwertige und nachhaltige Verwendung in anspruchsvollen Faserverbundbauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie im Bereich der Sportgeräte oder Medizintechnik gestattet. Die technologische Lücke zwischen bereits am Markt in den unterschiedlichsten Aufmachungen verfügbaren Abfallmaterialien und deren funktionellen Wiedereinsatz, z.B. als Verstärkungselemente in Bauteilen, sollte weiter geschlossen werden. Zur Verifizierung des technisch-technologischen Fortschrittes war die Entwicklung eines normgerechten Schemas zur Qualitätsbewertung der Rezyklatchargen und eines darauf aufbauenden prozessbegleitenden Monitorings im Sinne der Industrie 4.0 zwingend erforderlich. Die Ergebnisse sollten einen Beitrag zur weitgehenden Erhaltung von Fasereigenschaften und Funktionalität leisten, die Mehrfachnutzung der Funktionalität beim Wiedereinsatz erlauben sowie die Vermeidung von Downcycling der energieintensiv hergestellten Carbonfasern ermöglichen.

I.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde