 Bei der Produktion von Organoblechen fallen Verschnittreste an, die sich nicht direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückführen lassen. Die werkstoffliche Verwertung dieser Verschnitte stellt dafür einen vielversprechenden Recyclingansatz dar.

Faserverstärkte Thermoplaste mechanisch rezyklieren und in die Produktion zurückführen

Faserverarbeitung

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Mahlgut

Kunststoff Werkstoffe

Kunststoff-Rezyklat

Recycling

Umweltmanagement

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Kunststoff-Recycling

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Kunststoff-Aufbereitung

Organobleche (gewebeverstärkte Thermoplast-Halbzeuge)

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Mahlen

Organoblech-Verschnitte recyceln

Der Fortschritt bei Fügetechnologien wie dem Laserdurchstrahlschweißen, die steigende Nachfrage nach wärmeleitenden Kunststoffen, der Leichtbau und die Elektromobilität gehören in der Material- und Anwendungsentwicklung mit Polyamid zu den großen Trends. Auch bei bei diesem Polymer wächst der Bedarf an nachhaltigeren Werkstoffen. Geschlossene Stoffkreisläufe werden deshalb künftig in der Herstellung von PA 6 und PA 66 eine immer wichtigere Rolle spielen.

Polyamid (PA): Produktverbesserungen und Ersatz von PA 66 durch PA-6-Compounds

Hybridtechnik

Spritzgießen

Compound

Thermoplaste

Elektronik

Automotive

Vibrationsschweißen

Verbindungstechnik Verfahren

Thermisches Fügeverfahren

Hybridwerkstoffe

Polyamide

Technische Kunststoffe

Laserschweißen

Kunststoff

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Laserauftragsschweißen

Oberflächentechnik

Laserbearbeitungen

Lasertechnik

Kunststofffasern

Verstärkungsstoffe

Verbesserungen bei Materialien und  der Verarbeitung

Biobasierte Kunststoffe können in langlebigen und recycelbaren Anwendungen große Mengen an CO2 speichern und einen echten Beitrag zum Klimaschutz leisten. Entsprechendes Produktdesign und eine funktionierende Kreislaufwirtschaft vorausgesetzt, könnte die Kunststoffbranche zu einer Schlüsselindustrie einer grünen Wirtschaft werden.

Wie biobasierte Kunststoffe zur langfristigen Speicherung von CO2 beitragen können

Kunststoffe, biobasiert

Biokunststoffe

Kunststoffe, bioabbaubar

Mit Biokunststoffen zur Zukunftsbranche

Seit Oktober 2020 ist Warden Schijve Teil des AZL-Engineering-Teams und baut den Bereich für Produkt- und Anwendungsentwicklung im Leichtbau weiter aus.

Glasfasern / -matten

Kohlenstofffasern / -matten

Sekundärfasern

Fasern

Aramidfasern

Personen

kunststoffe.de

Werkzeuge für Faserverarbeitung

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

Neues Mitglied im AZL-Engineering-Team

Zur Erwärmung von endlosfaserverstärkten Thermoplasten eignet sich auch der Joule-Effekt. Am Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Halbzeuge über Kontaktelemente bestromt werden.

Einfluss der Kontaktierung auf die Joulesche  Erwärmung endlosfaserverstärkter Thermoplaste

Heizeinrichtungen, elektrisch

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Richtig heiß mit runden Ecken

Vier Forschungspartner haben es sich zum Ziel gesetzt, im Rahmen eines „Zero-Waste“-Projekts eine neue Presstechnik für die Herstellung von nachhaltigen Faserverbundlösungen zu entwickeln.

Forschungsprojekt zeigt Recyclingpotenzial für Composite-Leichtbau auf

Composite-Halbzeuge

Anlagen zur Composite-Herstellung

Spritzprägen

Bruchmechanische Prüfung

Messtechnik

Werkstoffprüfung

Harzsysteme für Composite-Herstellung

UD-Tapes

Presswerkzeuge, Kunststoff

Pressen von Kunststoffen

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

„Zero-Waste“-Konzept für Carbon-SMC

Eine Reihe von Untersuchungsmethoden kann Schwachstellen aufgrund von Faserfehlorientierungen aufzeigen. Aufschluss über das Steifigkeits- und Zugfestigkeitsverhalten erlauben insbesondere der Faservolumengehalt und die Faserverteilung, die sich mit einer neuen Ultraschallmethode flexibel am fertigen Bauteil erfassen lassen.

Methoden zur Bestimmung der Faserorientierung in verstärkten Kunststoffen

Ultraschall-Sensoren

Sensoren / Messwertaufnehmer

Computer-Tomografie-Systeme

Optische Mess- und Prüftechnik

Ultraschallprüfgeräte

Röntgenprüfgeräte

Software für Optische Messtechnik

Richtungsweisende Ultraschall-Scherwellen

Die Optik spielt bei Kunststoffbauteilen eine immer größere Rolle. Entscheidend für ein ansprechendes Aussehen sind glänzende und gleichmäßige Oberflächen. Diese Anforderungen lassen sich bei glasfaserverstärkten Polyamiden bisher meist nur mit einer zusätzlichen Lackierung erreichen. Eine Alternative bietet ein speziell für die Gestaltung von Oberflächen entwickeltes Polyamid.

Aliphatisches Hochleistungspolyamid für Oberflächen

Glänzende Bauteile ohne Lackierung

Dr. Isabell Schmidt sprach mit Kunststoffe über die Sorgen und Nöte der Branche und über Einflussmöglichkeiten auf den ökologischen Wert von Kunststoffverpackungen.

Kunststoffverpackungen verbinden hohe Schutzfunktion mit sehr guter Recyclingfähigkeit

Verpackungsmaterial

Logistik

Verbände, Institutionen, Messen

Dienstleistungen

Kunststoff-Verpackungsmaschine

Sondermaschinen

Recycling gleich mitdenken

Nicht nur Gesetzgeber wollen die Kreislaufwirtschaft fördern, auch in Gesellschaft und Industrie haben Rezyklate wieder höchste Bedeutung erlangt.

Qualitätssteigerung bei Material und Verarbeitung auf dem „Praxisforum Kunststoffrezyklate“

Wiederaufbereitung

Additive

Zweites Leben auf hohem Niveau

Verzicht ist der Trend rund um Kunststoffe, der aktuell die öffentliche Wahrnehmung bestimmt. Viele Konsumenten wünschen sich umweltfreundlichere Produkte, was vielfach gleichgesetzt wird mit weniger Plastik. Dabei gilt: Kunststoff ist nach wie vor ein wichtiger Werkstoff, um Antworten auf steigende Bevölkerungszahlen, höheren Energiebedarf sowie zunehmende Urbanisierung und Mobilität zu finden. Häufig ist er auch die klimaschonendste Variante. Ungeachtet aller Kritik hat die Weltkunststoffproduktion in den zurückliegenden Jahren weiter zugelegt. Sie wuchs 2018 um 3 % auf nun fast 360 Mio. t. Europa hat daran einen Marktanteil von rund 17 % und ist damit drittgrößter Produktionsstandort. Dominierende Kunststoffnation ist bereits seit einigen Jahren China mit einem weltweiten Anteil von aktuell etwa 30 %. Darin besteht auch ein Teil des Problems, mit dem Werkstoff und Industrie zu kämpfen haben. Die boomenden Kunststoff- und Verpackungsbranchen, gerade in Südostasien, haben zu einem immer größer werdenden Abfallproblem geführt.

Gastkommentar von Dr. Michael Zobel

Messe K-Kunststoffmesse

Kunststoffe

Photonik

Optik

Leichtbau

Kunststoffhandel

Handel

Werkstoff

Die Antwort auf viele Fragen

Das steigende Aufkommen an Kunststoffabfällen und die wachsende Verschmutzung der Meere durch solche Abfälle haben den nachhaltigen Umgang mit Kunststoffprodukten zunehmend in den gesellschaftlichen und politischen Fokus gerückt.

Warum Folie aus Altkunststoff nicht zwangsläufig nachhaltig ist

Flachfolienanlagen

Extrusionsanlagen

Blasfolienextrusion

Flachfolien- und Plattenextrusion

Extrusion

Nachhaltigkeit

Folien

Folienblasanlagen

Kreislaufwirtschaft

3D-Blick auf Nachhaltigkeit

Die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften von Kunststoffen werden ökologisch zunehmend zum Verhängnis. Wie die K 2019 gezeigt hat, bereiten zahlreiche Initiativen und technische Entwicklungen den Weg für den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft.

Bilanz der K 2019: Die Kunststoffbranche hat ihre Verantwortung erkannt

Ressourcenmanagement

Produktion

Aufbruch ins Zeitalter der  Kreislaufwirtschaft

Die Marschrichtung scheint klar: Mehrschichtverpackungen müssen künftig besser recycelbar sein – aber was heißt das technisch? Und welche Lösungen braucht und akzeptiert der Markt?

Wie sich Folienverpackungen weiterentwickeln müssen

Verpackungsanlagen

Coilhandling

Nachholbedarf in Europa

 Bisher hatten die Automobilbauteilhersteller Bedenken, Rezyklate in sicherheitsrelevanten Bereichen einzusetzen. Der Materialhersteller JSP hat ein expandiertes Polypropylen mit 25 % Rezyklatanteil für genau für diese Einsatzgebiete entwickelt.

Kreislaufwirtschaft für expandiertes Polypropylen (EPP)

Polypropylen

Aus Verpackungen werden Automobilbauteile

Wiedereinsatz rezyklierter Carbonfasern in anspruchsvollen Bauteilen

Carbonfasern sind kostspielig und deshalb sehr interessant für das Recycling. Die Ergebnisse des Projekts RecyCarb ermöglichen die Mehrfachnutzung von Carbonfasern durch einen funktionellen Wiedereinsatz. Erste Demonstratoren aus der Medizintechnik und dem Automobilbau belegen die industrielle Umsetzbarkeit.

Carbonfasern sind kostspielig und deshalb interessant für das Recycling. Die Ergebnisse des Projekts RecyCarb ermöglichen die Mehrfachnutzung von Carbonfasern durch einen funktionellen Wiedereinsatz. Erste Demonstratoren belegen die industrielle Umsetzbarkeit.

Die Wachstumsvorhersagen für carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind aufgrund der speziellen Eigenschaften der Carbonfasern weltweit hervorragend. Durch den höheren Verbrauch wächst auch die Menge an CFK-Abfällen. Einerseits nehmen die Produktionsreste und Ausschussteile zu, andererseits steigt ebenfalls die Anzahl der End-of-Life-Abfälle (EoL-Abfälle). Aufgrund des hohen Werts der CFK erhöht sich auch das Interesse an einem wirksamen Recycling des Materials.

Das RecyCarb genannte Forschungsvorhaben des Faserinstitut Bremen e. V. (Fibre) und des Sächsischen Textilforschungsinstitut e. V. (STFI), Chemnitz, verfolgt daher das Ziel, Carbonfasern wiederzugewinnen und den Kreislauf zu schließen. Zusammen mit vier Industrieunternehmen entwickelten die Wissenschaftler ein Verfahren, das die hochwertige Verwendung der rezyklierten Carbonfasern (rCF) in Faserverbundbauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie, in Sportgeräten und in der Medizintechnik gestattet. Im Projekt konnten folgende Ziele erreicht werden:

<ul><li>Upscaling des Prozesses der Vliesstoffherstellung aus rCF</li><li>Aufbau eines prozessbegleitenden Monitorings von Qualitätsparametern</li><li>Verarbeitung unterschiedlicher Produktionsreste und Pyrolysefasern (pur oder in Mischung mit Thermoplastfasern) im Airlay- und Krempelverfahren</li><li>Mechanische Verfestigung der rCF-Vliesstoffe durch Vernadeln oder im Nähwirkverfahren (Typ Maliwatt)</li><li>Online-Überwachung der Faserorientierung nach unterschiedlichen Prozessstufen</li><li>Prepreg-Herstellung aus rCF-Vliesstoffen und Weiterverarbeitung zu rCFK</li></ul>

Am Zentrum für textilen Leichtbau des STFI wurde eine Technikumsanlage zur Aufbereitung trockener Carbonfaserabfälle und der Weiterverarbeitung zu rCF-Vliesstoffen installiert (Teaserbild). Die Carbonfaserabfälle werden zunächst mittels Fallschneidemaschine zu Langfaserrezyklaten mit einer durchschnittlichen Faserlänge von 50 bis 120 mm zugeschnitten. Anschließend erfolgen eine Faseröffnung und -vereinzelung unter Verwendung einer modifizierten Reißmaschine.

Die Vliesbildung ist entweder im Airlay- oder Krempelprozess möglich. Letzterer kann mit einem Kreuzleger kombiniert werden. Die Arbeitsbreite beträgt 1 m. Bei der aerodynamischen Vliesbildung mittels Airlay (mit der Vliesmaschine Airlay Card K12-direct von Autefa Solutions Germany GmbH, Friedberg) werden die Carbonfasern mithilfe eines Luftstroms wirr auf eine Unterlage, ein Siebband, abgelegt. Dadurch ergibt sich eine quasiisotrope Vliesstoffstruktur.

Für das Krempeln wird eine Krempelmaschine des Typs MiniCard mit einem Kreuzleger des Modells Topliner, beide Modelle ebenfalls von Autefa Solutions, kombiniert. Bei diesem Verfahren werden die Carbonfasern über einen Tambour (Haupttrommel) und Arbeiter-Wender-Paare aufgelöst, parallelisiert und anschließend über den Kreuzleger entsprechend dem Zielflächengewicht im Zickzack-Muster abgelegt bzw. gestapelt. Dadurch ergeben sich anisotrope Vliesstoffstrukturen; die Vliesstoffe besitzen also in Querrichtung höhere Festigkeiten als in Längsrichtung.

Eine nachfolgende mechanische Inline-Verfestigung durch Vernadelung oder im Nähwirkverfahren (Typ Maliwatt) bildet den späteren Vliesstoff. Während bei der Vernadelung mit Widerhaken versehene Nadeln durch senkrechtes Einstechen in den Faserflor zu einer Verfestigung führen, wird beim Nähwirkverfahren ein zusätzlicher maschenbildender Nähfaden eingebracht.

Für die als Rohware gelieferten rCF-Chargen wurde ein Probenentnahmeschema entwickelt, das sich an DIN EN 12751:1999 anlehnt. Die Offline-Analyse der rCF-Chargen erfolgt mittels Dia-Stron. Untersucht wurden die Einzelfilamentfestigkeit und der Elastizitätsmodul (E-Modul) in Anlehnung an DIN EN ISO 5079:1996. Die Untersuchung der Faserlängenverteilung erfolgte mittels der Software FiVer. Bei Bedarf ergänzte Rasterelektronenmikroskopie die Analyse. Die Vorschrift zur FiVer-Probenvorbereitung musste angepasst werden, um auch Proben mit besonders breiter Längenverteilung, wie z. B. Filterstäube aus der Anlage oder sehr inhomogene Schnittfasern, reproduzierbar beurteilen zu können. Bestanden die gelieferten oder im Prozess verwendeten Rezyklatchargen aus Rovingabschnitten, wurden sie bei 100 dpi im Flachbettscanner erfasst und mithilfe der Software Fibreshape V5 analysiert (ausführlich beschrieben in Kunststoffe 11/2013, ab S. 88).

Zur Prozessüberwachung sind jeweils drei Positionen für die Offline-Probenahme sowie Online-Überwachung mittels Kameras vorgesehen (Bild 1). Offline wird die Wareneingangskontrolle durchgeführt, Proben aus Krempel- bzw. Airlayflor entnommen und schließlich der Nadelvliesstoff beprobt. Die Onlinekontrolle erfolgt an der Zufuhr zu Krempel bzw. Airlay (Identifikation von Kontaminationen), direkt nach Krempel bzw. Airlay (Kontrolle der Faserorientierung und Florhomogenität) sowie nach der Vernadelung (Kontrolle der Faserorientierung und Vliesstoffhomogenität). Die Verarbeitungsversuche konnten damit erfolgreich durchgeführt und analytisch begleitet werden.

Das im Rahmen dieses Projekts entwickelte Online-Messsystem basiert auf CCD-Kameratechnik (Charge Coupled Device) in Verbindung mit einer bildanalytischen Auswertesoftware, die am Fibre entwickelt wurde. Die bildanalytische Bestimmung des Längs-und Querrichtungsverhältnisses (MD/CD) erfolgt anhand der Filamentorientierungsverteilung, die als Histogramm dargestellt wird (ausführliche Beschreibung in [1]).

Herstellung der Vlies- und Verbundwerkstoffe

Das STFI entwickelte sowohl im Airlay- als auch im Krempelverfahren rCF-Vliesstoffe mit einer Flächenmasse von insgesamt 300 g/m². Die Möglichkeit eines Recyclings durch die Aufbereitung eigener Vliesstoffabfälle und deren erneute Zuführung zum Vliesstoffprozess wurde ebenfalls untersucht. Dadurch entstanden sogenannte re-recycelte Vliesstoffe (rrCF-Vliesstoffe) mit Flächenmassen von 100 bis 250 g/m². Danach erfolgte eine Imprägnierung der Vliesstoffe mit Epoxidharz im Handlaminierverfahren und anschließend die Verpressung auf 2 mm, unter Verwendung einer hydraulischen Oberkolbenpresse. Die dadurch entstandenen Laminate wurden hinsichtlich ihrer Zug- (gemäß DIN EN ISO 14125) und Biegefestigkeit (gemäß DIN EN ISO 527–4/1b/2) überprüft.

Die ermittelten mechanischen Kennwerte wurden mit den Resultaten der Bildanalyse des Krempelflors verglichen. Die Ergebnisse und Produktionsparameter sind in der Tabelle zusammengefasst. Bild 2 zeigt die Ergebnisse der Zugprüfung der hergestellten Verbunde. Deutlich ersichtlich ist, dass die rCF-Vliesstoffvariante in 90°-Richtung ein höhere Zugfestigkeit und somit eine deutliche Querorientierung der Fasern im Verbund aufweist. Die rrCF-Variante dagegen zeigt eine Art Isotropie (rot markiert). Die Längs- und Querfestigkeiten weisen keinen deutlichen Unterschied zueinander auf; eine Faserorientierung in Querrichtung ist somit nicht erkennbar. Die Quasiisotropie des rrCF-Verbundes bestätigt die in der Offline-Bildanalyse ermittelten Werte. Sie lässt sich durch eine höhere Abzugsgeschwindigkeit des Legers begründen, bedingt durch die kürzere Faserlänge der erneut rezyklierten Fasern.

Um die Isotropie des Verbundes zu überprüfen, wurden zusätzlich Zugprüfproben in 45° sowie Biegeproben in den Winkeln 0°, 30°, 45° und 60° aus der rrCF-Platte entnommen. Der Wert der Zugprobe in 45°-Richtung lag mit 304,5 MPa ungefähr auf dem Niveau der 0°- und 90°-Biegeprobe. Die Ergebnisse der Biegeproben liegen alle im Bereich 350 bis 400 MPa und bestätigen die isotrope Struktur des Verbunds und somit des Vliesstoffs. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass die im Laminat ermittelten MD/CD-Verhältnisse für die Varianten rCF-Krempel und rrCF-Krempel den im Bildverfahren ermittelten MD/CD-Verhältnissen entsprechen (Tabelle). Die Bildanalyse ist somit für die Ermittlung der Faserorientierung geeignet.

Verfahren auch im Industrieeinsatz anwendbar

Bei den Industriepartnern wurden im Anschluss Demonstratoren hergestellt, die die industrielle Umsetzbarkeit des Verfahrens sowie die wirtschaftliche Verwertbarkeit der rCFK zeigen. Eine bei der Firma Schmuhl Faserverbundtechnik GmbH & Co. KG, Liebschütz, entwickelte Liege für einen Computertomografen (Bild 3) besteht aus vier Lagen rCF-Vliesstoff mit 400 g/m². Er wurde im Kardierverfahren hergestellt und im Nähwirkverfahren verfestigt. Der Einsatz dieses Vliesstoffs ermöglichte die Substitution von Carbon Tapes und -Gelegen. Dadurch ist zukünftig die Verwendung eigener, in der CFK-Produktion anfallender Verschnittreste möglich.

Beim Projektpartner Eissmann Cotesa GmbH, Mittweida, wurde ein zweiteilig geklebtes Bauteil, bestehend aus zwei Rohteilen, im Autokolavverfahren gefertigt. Der hergestellte Heckspoiler (Bild 4) besteht aus einer äußeren Schale als Sichtanwendung mit typischer Köpergewebeoptik und einer inneren Schale (Nichtsichtanwendung) aus rCF-Halbzeug (Prepreg). Somit wurden in den nicht sichtbaren Bereichen die Gewebelagen durch kosteneffizientere rCF-Prepregs ersetzt. Das Bauteil kommt damit auf einen rCF-Anteil von ungefähr 65 %.

Qualifizierte Wertschöpfungskette für Carbonfasern

Die Beispiele zeigen, dass im Forschungsvorhaben RecyCarb eine qualifizierte Wertschöpfungskette für rezyklierte Carbonfasern initiiert wurde, die eine hochwertige Verwendung dieser Fasern in anspruchsvollen Bauteilen gestattet. Die technologische Lücke zwischen verfügbaren Abfallmaterialien und deren Wiedereinsatz konnte weiter geschlossen werden.

[1] Fischer, H.; Heilos, K.; Hofmann, M.; Miene, A,; Ziller, M.; Cleff, C.; Maidorn, J.; Hohmuth, H.; Schaarschmidt, R. & Bauer, K.: 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. In Reihe: Forschungsberichte aus dem Faserinstitut Bremen 60. Herstellung und Verlag: Books on Demand GmbH, Norderstedt, April 2019, 128 Seiten. ISSN 1618–7016. ISBN 978–3–7494–3150–2

Faserinstitut Bremen e. V. FIBRE 

www.faserinstitut.de

Ausgabe-2019-11

Tabelle. Vergleich Zugfestigkeit und Offline-Bildanalyse rCF- und rrCF-Verbunde

Bild 1. Übersicht der Probenahmestellen im Kardierverfahren (mittels Krempel): Die Online- kontrolle erfolgt an der Zufuhr zum Krempel

Bild 2. Vergleich der Zugfestigkeit des rCF- und des rrCF-Verbunds aus kardierten Vliesstoffen (MD = Machine Direction, in Maschinenlaufrichtung; CD = Cross Direction, in Querrichtung)

Bild 3. CT-Liege aus rCF-Vliesstoffen: Durch den Vliesstoff können Carbon-Tapes und -Gelege ersetzt werden

 Carbonvliesstoffanlage des STFI mit Fallschneidemaschine (1), Reißmaschine (2), Füllschacht (3), Airlay (4), Krempel (5), Kreuzleger (6), Nadelmaschine (7) und Nähwirkmaschine des Typs Mali- watt (8)

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Dr. Holger Fischer beschäftigt sich mit Naturfasern und Biocomposites am Faserinstitut Bremen e.V. (Fibre), Bremen. Dr. Andrea Miene ist am Fibre im Bereich Bildanalyse tätig.

Katharina Heilos ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Sächsischen Textilforschungsinstitut e. V. (STFI).

Marcel Hofmann leitet das Zentrum für textilen Leichtbau am STFI.

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die im Förderprogrammes „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ erfolgte finanzielle Förderung des Vorhabens mit den Förderkennzeichen 03ZZ0608A…M.