Großserienproduktion von recycelten thermoplastischen Composites

Recycelbarkeit war ein lang versprochener Vorteil der Verwendung thermoplastischer Composites (TPCs). Doch kommerziell in großem Maßstab wurde sie noch nicht genutzt. Materiallieferant TenCate Advanced Composites und das ThermoPlastic composites Research Center (TPRC) partnereten 2016 mit dem Tier-1-Hersteller GKN Fokker, um einen solchen Prozess zu demonstrieren. Das Team entwickelte ein Zugangstüren-Panel aus Ausschussmaterial TenCate Cetex TC1100 gewebte Carbonfaser/Polyphenylensulfid (CF/PPS) aus GKN Fokkers Produktion des Gulfstream G650 Höhen- und Seitenruders. Der Produktionsabfall wurde gehackt und dann pressverformt mit einem von TPRC entwickelten Prozess und Werkzeug. Das Zugangstüren-Panel verfügte über geformte Versteifungsrippen, Dickenvariationen und geformte Löcher mit Bunds. (Ein Bund ist ein hervorstehendes Merkmal, das einen Befestigungselement in das Loch führt.) Die Verwendung des reklamierten Materials ermöglichte ein leichtes Teil mit größerer geformter Funktionalität, während ein Closed-Loop-Fertigungsprozess gebildet wurde, da das Zugangstüren-Panel dann an der Vorderkante des Gulfstream G650 Seitenruders verwendet wurde. Das Projekt gewann 2016 einen JEC Innovation Award.

Seit dieser Forschung wurde eine neue Organisation gegründet, das ThermoPlastic composites Applications Center (TPAC). „Das TPRC wurde vor zehn Jahren gegründet und arbeitetmostly in grundlegender TPC-Forschung für die Luftfahrtindustrie“, erklärt Thomas de Bruijn, Forscher für Leichtbaustrukturen bei TPAC. „Das TPAC wurde vor ungefähr zwei Jahren gegründet und hat eine anwendungsorientiertere Arbeitsweise. Es ist mit der Saxion University und auch mit KMUs verknüpft. Wir fokussieren uns auf Kostensenkung durch Entwicklung kosteneffizienterer Prozesse. Zusammen bilden diese beiden Gruppen TPC NL, einen Smart Industry, Digital Innovation Hub für TPC-Technologie.“

Die Beteiligung des TPAC und auch TenCates fortgesetzte F&E haben demonstriert, dass diese Art von Closed-Loop-Fertigung nicht nur möglich, sondern ökonomisch vorteilhaft ist. Der Fokus liegt zunächst auf CF/PPS-Materialien, und die Forschung erfolgt in Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um diese TPC-Recycling-verbesserte Teileproduktion zu implementieren.

Die tatsächlich entwickelten Prozesse unterscheiden sich jedoch. TenCate hat sich auf kürzeres Fasermaterial konzentriert, das als Flow-Lage verwendet wird, um geformte geometrische Merkmale und Funktionalität zu kontinuierlichen Faserteilen hinzuzufügen. Gleichzeitig haben TPRC und TPAC versucht, größere Faserlänge beizubehalten, um einen teigartigen Werkstoff zu schaffen, der in Teile mit höheren mechanischen Eigenschaften als mit traditionellen Kurzfaser-Compounds pressverformt werden kann.

TenCate – Flow-Lage verstärkt Organoblech-Teile

„Vor drei Jahren begannen wir, mehr unseres F&E-Budgets in Recycling zu investieren“, sagt Frank ten Napel, TenCate Produktmanager für Thermoplaste. „Das dient nicht nur einem ‚grünen Label‘. Wir sind überzeugt, dass die Einbindung recycelter Materialien in Ihr Teil sehr reale ökonomische und konstruktive Vorteile bietet. Wir können ein Maß an Geometrie auf ein Teil anwenden, das wir sonst nicht erreichen könnten. Durch Auftragen einer Flow-Lage aus recyceltem Material können wir Versteifungsrippen und variable Dicke über das Teil sowie Bunds um Löcher formen, die durch Befestigungselemente induzierte Lasten verteilen. All dies ermöglicht die Verwendung von weniger Continuous-Fiber-Material für dünnere, leichtere und kosteneffizientere Teile im Vergleich zur reinen Verwendung von Jungmaterial.“ Er merkt an, dass diese geformten Merkmale mit Continuous-Fiber-Materialien schwer zu erreichen sind, „aber durch Kombination von Continuous Fiber plus lokalisiertem Overmolding erhält man mehr Designfreiheit.“

TPC-Cycle Projekt

Dieses vierjährige Projekt begann im September 2015 und umfasst Partner aus der gesamten thermoplastischen Composite (TPC) Lieferkette:

• TenCate Advanced Composites (Toray Group) – Materialien
• GKN Fokker Aerostructures – Tier-1-Design und Fertigung von Luftfahrtstrukturen und -baugruppen
• Dutch Thermoplastic Components (DTC) – KMU-Design und Fertigung von Luftfahrt-Rippen, Stringern, Halterungen, Clips, Boxen
• Cato Composites – KMU-Fertigung und Design von Teilen für Aero, Auto, Verteidigung, Sport und Konsumgüter
• Nido RecyclingTechniek (NRT) – Technologie für Zerkleinern und Größenreduktion von zu recycelnden Materialien/Teilen

TPC-Cycle wird von TPAC und der Saxion University of Applied Sciences, insbesondere ihrer Leichtbaustrukturen-Forschungsgruppe, facilitiiert und von Regieorgaan SIA, Teil der Netherlands Organization for Scientific Research (NWO), finanziert.

Thomas de Bruijn ist TPC-Cycle-Projektmanager und Forscher für Leichtbaustrukturen bei Saxion/TPAC. Er erklärt, es gab viele Treiber für den Start des TPC-Cycle-Projekts. „Wir konnten einen Anstieg der Verwendung von Continuous-Fiber-TPCs sehen, besonders für Stamp-Forming, wie bei Clips und Halterungen. Mit diesem Anstieg wird das Volumen an post-industriellem Abfall substanziell. Also war Recycling notwendig, sowohl für die Umwelt als auch ökonomisch, und auch um Vorschriften zu erfüllen. Zum Beispiel verlangt europäische End-of-Life-Gesetzgebung, dass 95 % des in Automobilen verwendeten Materials recycelt wird.“ Er merkt an, dass Airbus ebenfalls Recycling- und End-of-Life-Ziele gesetzt und diese an seine Lieferanten kommuniziert hat. „Die Lieferkette sollte nicht nur sagen, dass sie diese Ziele erreichen kann, sondern diese Fähigkeit auch mit Demonstratoren beweisen“, fügt de Bruijn hinzu.

„Wir haben auch gesehen, dass TPCs außerhalb der Luftfahrt wachsen, in Anwendungen wie Lebensmittelkisten, Möbeln und Industriekomponenten, weil sie niedrigere Zykluszeiten, Leichtbau und smartes Strukturen bieten“, sagt de Bruijn.

Er fährt fort: „Wir wollten einen kommerziell tragfähigen Recycling-Prozesskette beweisen, aber nicht nur Mahlen, was Downcycling ist. Wir wollten hohe Performance. Also wählten wir einen Low-Shear-Mixing-Ansatz, um 0,5–1,0 Zoll Faserlänge beizubehalten. Für Steifigkeit braucht man nur ein paar mm Länge. Aber für Festigkeit und Schlagzähigkeit braucht man mehr als 0,5 Zoll Länge.“ Neben der Beibehaltung der Faserlänge war eine weitere Schlüsselherausforderung, gute Homogenität beim Mischen der Materialien und im endgültigen recycelten Produkt zu erreichen.

„Das Ziel ist, Abfall zu sammeln, auf 0,5–1,0 Zoll Flakes zu zerkleinern und in einen homogenen Teig zu transformieren, der extrudiert und direkt in eine Pressformpresse übertragen wird“, erklärt TPRC-Forscher und Ph.D.-Student Guillaume Vincent. „Die Verarbeitung des Teigs erfolgt durch Einbringen von Flakes und Jungpolymergranulat in einen Low-Shear-Mixer, wodurch der Fasergewichtsanteil auf 25–40 % reduziert wird.“ Er merkt an, dass der Prozess dem Direct Compounding von Long Fiber Thermoplastics (D-LFT) sehr ähnlich ist, was in der Automobilindustrie üblich ist. „D-LFT-Prozesse erfordern jedoch Millionen Dollar Investition, weshalb sie nur in High-Series-Produktion eingesetzt werden. Wir haben unseren Ansatz modifiziert, indem wir kleinere Maschinen nutzen, aber ähnliche Ergebnisse erzielen. Unsere Volumina sind niedrig im Vergleich zu D-LFT-Prozessen.“

Vincent beschreibt ein Beispiel, wo die Einbindung der vollständigen Recycling-Wertschöpfungskette sich auszahlt: „NRT half uns, mit Herstellern größerer Zerkleinerungsmaschinen wie Untha in Verbindung zu treten.“ Dies ist ein Schlüsselteil der Skalierung des Prozesses für Serienteileproduktion.

Die erste entwickelte Prozesskette ist für CF/PPS. Vincent sagt, TPC-Cycle hat Simulationsmodelle und Analysemethoden zur Charakterisierung von Faserlänge und Faserverteilung im recycelten Material gebaut. „Wir verstehen auch, wie diese Materialcharakteristika auf die Eigenschaften des geformten Teils übertragen werden“, beobachtet er. Dies ist tatsächlich der Fokus seiner Ph.D.-Arbeit, die Ende 2019 veröffentlicht werden soll.

Dieser recycelte Teig wird manchmal als Bulk Molding Compound (BMC) bezeichnet. Historisch war BMC eine teigartige Mischung aus Kurzglasfaser (<25 mm), Thermoset-Harzkleber und Füllstoffen, die in Composite-Teile pressverformt wurde. Mit weniger Fasergehalt und mehr Fluss im Vergleich zu Sheet Molding Compound (SMC) bot es auch etwas niedrigere mechanische Eigenschaften. TenCate hat seit Jahren thermoset und thermoplastische BMC verkauft, wobei letztere ein Prozess ist, bei dem gehackte unidirektionale Prepreg-Bänder in eine Form gestreut und gepresst werden. „Unser Produkt ist tatsächlich ganz anders“, betont Vincent. „Bei konventionellem thermoplastischem BMC gibt es generally kein Mischen und erfordert lange Heiz- und Konsolidierungszyklen. Wir fanden, dass Mischen ein homogeneres Produkt und weniger Spannungskonzentrationen im Teil ergibt, also höhere Eigenschaften. Bei konventionellem thermoplastischem BMC erhält man dickere Flakes, die matrix-reiche Bereiche an den Enden haben, die Spannungskonzentrationen im Composite-Laminat erzeugen.“

Der Low-Shear-Mixing-Prozess entwirrt die Flakes in Lagen und trennt dann die Lagen in Bündel und die Bündel in lose Fasern. Polymer wird auch eingemischt, um den Fasergehalt zu verringern, um bessere Fließeigenschaften zu erhalten, sodass der Werkstoff leichter in Formen verarbeitet werden kann.

„Der Teig wird extrudiert und dann robotisch in eine offene, isotherme [beheizte] Pressform gelegt“, erklärt de Bruijn. „Nach dem Mischen sind die Fasern im Teig zufällig orientiert. Aber während des Pressens re-orientiert der Materialfluss die Fasern. Diese Orientierung ist geringer im Vergleich zu Mischungen mit kürzeren Fasern, die spritzgegossen werden, aber sie ist von Teil zu Teil ähnlich. Dies ist eines unserer fortgesetzten Studienthemen.“

Kosten

Der bisher entwickelte TPC-Cycle-Prozesskette erscheint ökonomisch vorteilhaft. „Wir hoffen, später 2019 beantworten zu können, wie stark wir Teilekosten senken können“, sagt de Bruijn. „Aber das ist komplex, weil man einen Markt braucht und das recycelte Material verkaufen muss.“ Er merkt an, dass es viele ökonomische Faktoren gibt. Zum Beispiel werfen die meisten Hersteller heute Produktionsabfall einfach weg. Lokale Entsorgungskosten auf Deponien betragen 80 Euro pro Tonne (90 $). „Aber dieses weggeworfene Material hat Wert“, sagt de Bruijn. „Auch muss man die Kosten für Sammeln, Zerkleinern, Mischen und Pressformen in neue Teile berücksichtigen. Dies ist jedoch auch ein Near-Net-Shape-Prozess mit kurzen Zykluszeiten aufgrund der isothermen Form. Mit anderen Worten, es sollte eine drastische Reduktion oder Eliminierung von sekundärer Nachbearbeitung und Bearbeitung geben.“ De Bruin sagt, TPC-Cycle schaue nun in die Vervollständigung von Kostenanalyse und Lebenszyklusanalyse.

Clean Sky RESET

Ein drittes Projekt, das die Bedeutung der von TenCate und im TPC-Cycle-Projekt geleisteten Arbeit bekräftigt, ist das RESET-Projekt, das von Januar 2016 bis Dezember 2017 lief und vom Leitat Technological Institute in Barcelona, Spanien, koordiniert wurde. Es erscheint, dass RESET unter Clean Sky (2008–2016) begonnen und während Clean Sky 2 (2017–2021) abgeschlossen wurde.

Die Clean Sky und Clean Sky 2 Programme sind in eine obere Ebene von Innovative Aircraft Demonstration Programs (siehe Vehicle IADPs im Bild unten) und eine untere Ebene von Innovative Technology Demonstrators (siehe Large System ITDs im Bild unten) organisiert. RESET wurde als Teil des Airframe ITD, speziell Work Package (WP) A-3.4 Eco-Design für Airframe, abgeschlossen.

Laut Clean Sky Projektbeauftragter Elena Pedone entwickelte das RESET-Team bei Leitat einen Prozess, um zuvor verwendetes Flugzeug-Composite-Material zu recyceln und daraus neue Teile herzustellen. Sie verglichen diese recycelten Teile mit kommerziell gefertigten und fanden ähnliche mechanische Charakteristika. „Die in diesem Projekt entwickelte Technologie könnte realistisch in den nächsten Jahren im Luftfahrtsektor kommerzialisiert werden und möglicherweise auf andere Wirtschaftssektoren übergreifen“, sagt Pedone.

Während des RESET-Projekts wurde an den Effekten von PEEK und PPS Thermoplast-Matrix-Materialien und der chemischen Natur der Carbonfaser-Verstärkung gearbeitet. Die Verstärkungsform wurde untersucht, einschließlich Faserlänge und gewebt versus nicht-gewebt. Der Effekt des Fasergehalts (Polymer-zu-Faser-Verhältnis) wurde ebenfalls untersucht.

In einem zweiten Arbeitspaket war das Hauptziel die Konditionierung und Charakterisierung von recyceltem CF/PPS basierend auf Extrusion und den resultierenden geformten Composites. Zwei Teile – ein thermoplastischer Halter und ein thermoplastischer Klemmklotz – wurden durch Spritzguss und zwei weitere durch Thermoformen erstellt, erklärt Leitats wissenschaftliche Koordinatorin des Projekts Claudia Aguilar. Diese Teile wurden dann getestet. „Die mechanischen Eigenschaften des Materials waren mit dem kommerziellen Gegenstück vergleichbar“, sagt Aguilar.

Das RESET-Projekt behauptet, einen Recyclingprozess demonstriert zu haben, der TPC-Abfallmaterial aus Flugzeugproduktion als Rohmaterial für neue Flugzeugteile nutzen kann. „Bis zu 70 % recyceltes Material wurde verwendet, um eine neue Familie von Composite-Materialien herzustellen“, sagt Aguilar. Sie fügt hinzu, dass „der Recyclingprozess von RESET der europäischen Luftfahrt ermöglicht, den ökologischen Fußabdruck zu begrenzen und die Produktionskosten neuer Flugzeugteile zu reduzieren. Daher macht das Projekt die Luftfahrtindustrie wettbewerbsfähiger und grüner.“

TPC-Zukunft beginnt mit Design

Die Behauptung von TenCate und TPRC/TPAC ist, dass diese nun demonstrierten Recyclingprozesse nicht nur grün, sondern ökonomisch attraktiv sind. Welche Investition ist erforderlich? „Es kommt auf das Produktionsvolumen an“, sagt Ten Napel bei TenCate. „Die benötigten Zerkleinerungsmaschinen sind nicht groß oder teuer und der Prozess wurde so entwickelt, dass er ziemlich unkompliziert ist.“ Beeinflusst der Matrixtyp die Recycelbarkeit? „Nein“, sagt Ten Napel, „aber in Bezug auf ökonomische Tragfähigkeit sind Carbonfaser und PPS, PEEK oder PEKK tragfähiger als Glasfaser und Polypropylen wegen ihres höheren Werts im Vergleich zu Letzterem.“

„Ich denke, wenn das von der Industrie aufgegriffen werden soll, sollte es mit Design beginnen“, fährt er fort. „Die größte Hürde derzeit ist die Denkweise der Ingenieure. Tatsächlich hinauszugehen und mit recyceltem Material zu designen (oder diese teilweise in ein neues Produkt zu integrieren) ist für sie ziemlich neu.“

Ten Napel räumt ein, dass TenCate weder Teile designt noch kommerziell fertigt, „aber wir versuchen, Designer zu inspirieren, so zu denken bei der Entwicklung ihrer neuen Teile und Strukturen.“ Er nennt Flugzeuginnenräume und Zugangspanels und Zugangstüren als low-hanging fruit für die Wiederverwendung recycelter Materialien. „Wenn wir als Industrie uns daran gewöhnen können, unseren eigenen Ausschuss und Abfall wiederzuverwenden, können wir den nächsten Schritt machen und anfangen zu schauen, wie man End-of-Life-Teile adressiert.“

Das Mantra zum Recycling thermoplastischer Composites – einfach mahlen und neu formen – kann definitiv adoptiert werden, sagt Ten Napel, aber es ergibt oft ökonomisch nicht viel Sinn. „Wir haben einen besseren Prozess demonstriert und einen, der tatsächlich kosteneffizientere Teile und Gesamtprogramme erstellen kann. Wir haben gewählt, dieses Wissen zusammen mit TPRC und TPAC zu verbreiten, um die Industrie zu inspirieren, was mit thermoplastischen Composites voll möglich ist. Wenn thermoplastische Composites in großem Maßstab adoptiert werden sollen, ist Recycling als inhärenter Teil der Produktion keine Option mehr, es ist eine Notwendigkeit.“