Carbonfaser-Recycling: Wichtige Vorteile und umfassender Prozess

Was ist Carbonfaser (CFK)?

Carbonfaser (Kohlefaser) besteht aus kristallinen Kohlenstofffilamenten, die zu Geweben verarbeitet und mit Polymer (meist Epoxidharz) zu einem Verbundwerkstoff (CFK – Carbonfaserverstärkter Kunststoff) verpresst werden. Eigenschaften:

• 5× leichter als Stahl bei gleichem Elastizitätsmodul
• Herausragendes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
• Korrosionsbeständig, nicht brennbar, ungiftig
• Röntgenstrahlendurchlässig (medizinische Anwendungen)

Einsatz: Luftfahrt (Gewichtsreduktion → Treibstoffeinsparung), Sport (Ski, Fahrräder, Tennisschläger), Motorsport (F1, NASCAR), Medizintechnik, Bauwesen, Militär.

Herausforderungen bei der Zerspanung von CFK

• Delamination (Schichtablösung)
• Ausgefranste Fasern, Faserausrisse
• Ungleichmäßiger Werkzeugverschleiß
• Schlechte Oberflächengüte

Spezialwerkzeuge (z. B. CoreHog) lösen dies:

• Geradegenutete Fräser: Radiale Schnittkräfte → verhindern Delamination
• Kompressionsfräser: Gegenläufige Kräfte → stabilisieren Abtrag, verhindern Delamination, Faserausriss, Grate
• Chipbreaker-Fräser: Scheren Fasern, verkürzen Späne → verhindern Faseraufbau
• Diamantbesetzte Fräser (Diamond Cut): Links-/Rechtsdrall → Fasern aufbrechen & scheren, ideal für Schruppen & Profilieren

Warum ist CFK-Recycling schwierig?

• Hoher Energieaufwand bei Herstellung (hoher „embedded energy“)
• Verschnitt beim Zuschnitt → Abfall
• Nicht biologisch abbaubar → Deponie (Endlagerung)
• Kann nicht wie Thermoplaste eingeschmolzen & umgeformt werden (Duroplast-Matrix)
• Recycling degradiert Eigenschaften → nicht mehr für hochbelastete Strukturen nutzbar

Recyclingverfahren

1. Solvolyse (Chemisches Recycling)

1. CFK-Abfall zerkleinern → größere Oberfläche
2. Lösungsmittel (abhängig von Matrix) zersetzt Polymerketten
3. Trennung: Zentrifugation / Filtration
4. Fasern reinigen → Eigenschaften wiederherstellen
5. Mit Neufsern mischen oder rein verwenden → neue Prepregs/Gewebe

Vorteil: Fasereigenschaften bleiben weitgehend erhalten. Nachteil: Lösungsmittelhandling, Kosten, Prozesszeit.

2. Pyrolyse (Thermisches Recycling)

1. Zerkleinertes CFK in sauerstoffarmer/oxygenfreier Atmosphäre erhitzen (400–600 °C)
2. Polymer zersetzt sich thermisch → Gase, Dämpfe, Pyrolysekohle (Rückstand: Fasern + Füllstoffe)
3. Gase/Dämpfe energetisch nutzen oder weiterverarbeiten
4. Fasern reinigen → mechanische Eigenschaften prüfen
5. Wiederverwendung: allein oder mit Neufsern

Vorteil: Hohe Faserqualität, Energierückgewinnung aus Gasen. Nachteil: Hohe Temperaturenergie, mögliche Faseroberflächenveränderung.

Weitere Verfahren (Ausblick)

• Mikrowellen-Pyrolyse: Schnellere, gezieltere Erwärmung
• Überkritische Fluide: z. B. überkritisches Wasser/Alkohol – schonender
• Mechanisches Recycling: Mahlen → Kurzfasern für Spritzguss/Compound (Downcycling)

Zukunft: Closed-Loop-Systeme für Verbundwerkstoffe

Industrie investiert in hochwertiges Rezyklat (rCF). Ziel: Design for Recycling (lösbare Matrizen, thermoplastische Matrizen wie PEEK, PA6), Rücknahmesysteme, Zertifizierung recycelter Fasern für strukturelle Anwendungen. EU-Verordnung (ELV, WEEE) und CO₂-Bepreisung treiben Wirtschaftlichkeit.

Fazit

Carbonfaser ist ein Hochleistungsmaterial mit Entsorgungsproblem. Solvolyse und Pyrolyse ermöglichen Fasergewinnung mit guten Eigenschaften. Der Wandel zu geschlossenen Kreisläufen (Circular Economy) erfordert: recyclinggerechtes Design, standardisierte Prozesse, Marktakzeptanz für rCF. Unternehmen, die früh investieren, sichern Rohstoffversorgung und Nachhaltigkeitsvorteile.

Autorin: Sarah Wasson, Technical Sales Associate, Harvey Performance Company (CoreHog), B.Sc. Mechanical Engineering, Univ. Vermont 2023.