CFK-Fasern

Das Thema Recycling sollte bei CFK bedacht werden: Bei BMW werden CFK-Produktionsreste beispielsweise direkt in der Fertigung wiederverwendet. So besteht das i3-Dach zum Beispiel aus Carbonfaser-Verschnitt. - Bild: BMW

Rotoren von Windkrafträdern, Rahmen von Fahrrädern, Flugzeugteile, halbe Autos: Immer mehr Produkte enthalten den strapazierfähigen Leichtbauwerkstoff Carbon. Die meisten Produkte sind langlebig und stehen erst am Anfang ihrer Nutzungsphase. Soll sich der noch immer relativ junge Werkstoff durchsetzen, stellt sich aber bereits jetzt die Frage: Wie lassen sich Produktionsreste verwerten und was passiert am Ende des Produktlebenszyklus?

Einfaches Deponieren oder Verbrennen scheiden aus. "Wie alle Abfälle mit einem Organik-Anteil von mehr als fünf Prozent dürfen auch carbonfaserverstärkte Kunststoffe nicht deponiert werden", erklärt Dr. Siegried Kreibe, stellvertretender Geschäftsführer des bifa Umweltinstituts, Augsburg. Zwar spricht nichts dagegen, sie stattdessen zu verbrennen, doch das ist diffizil. "Müllverbrennungsanlagen in Deutschland nehmen keine carbonfaserhaltigen Materialien mehr an", weiß Kreibe. Der Grund: Carbonfasern (CF) werden bei den üblichen Temperaturen und Verweildauern nicht komplett zerstört. Freigelegte, feine Faseranteile können auffliegen. Geraten die elektrisch leitfähigen Fasern in die Elektrofilter der Abgasreinigung, können sie dort Kurzschlüsse verursachen. Fallen die Filter aus, muss die komplette Anlage heruntergefahren werden.

Warum CFK-Recycling Sinn ergibt

Im Prinzip bleiben deshalb nur Wiederverwendung oder Wiederverwertung. Was auch aus anderen Gründen Sinn hat: Zum einen sind da die gesetzlich vorgeschriebenen, produktspezifischen Recyclingquoten. So müssen von Altfahrzeugen mindestens 85 Prozent des Gewichts wieder verwendet oder stofflich verwertet werden. Zum anderen verbessert Recycling die Ökobilanz des energieintensiv hergestellten Hightech-Werkstoffs. Auch ökonomisch betrachtet ist eine möglichst lange und umfassende Nutzung der teuren Fasern geboten.

Entsprechend sparsam wird das Material eingesetzt: "Kohlefaser-Verbundstoffe sind aktuell noch erheblich zu teuer für die Großserie", sagt Daimler-Sprecherin Silke Kögler. Der Stuttgarter Autobauer verwendet Carbon in seinen Mercedes-AMG. "Bei der Entscheidung, wo wir welches Material einsetzen, spielen das Gewicht, die Ökobilanz, die Wirtschaftlichkeit und vor allem die Anforderungen an die Bauteilfunktion eine wichtige Rolle", erklärt Kögler. In der Produktion setzt Daimler auf neue, Ressourcen schonende Technologien wie das 'Tailored Fiber Placement'. Bei dem noch in Entwicklung befindlichen Verfahren werden Faserverbundwerkstoffe so auf ein Trägersubstrat aufgetragen, dass die Faserorientierung optimal auf die Kraftverläufe ausgerichtet ist. "Aufgrund der exakten Faserablage ist ein nahezu abfallfreies Arbeiten möglich", erwartet Kögler.

Wie BMW mit CFK arbeitet

Auch BMW ist Carbon für seine Volumenmodelle noch zu kostspielig. Dennoch ging es bei den E-Fahrzeugen bereits in Serie: So besteht im BMW i3 unter anderem die komplette Fahrgastzelle aus CFK und auch im für 2021 angekündigten iNEXT soll 'substanziell' CFK eingesetzt werden, verrät Unternehmenssprecher Wieland Brúch: "Wir wollen in der Reichweite noch einmal in neue Dimensionen vorstoßen und da wird CFK wieder eine wichtige Rolle spielen."

BMW i Produktion mit CFK
Bei BMW dient CFK bereits als Werkstoff für die Serienproduktion – allerdings nur bei den Elektrofahrzeugen. - Bild: BMW

CFK erlaubt schlankere und vor allem leichtere Konstruktionen als Metall und senkt über ein geringeres Fahrzeuggewicht den Strombedarf für den Antrieb. "Wenn wir CFK einsetzen, können wir die gleiche elektrische Reichweite mit einer kleineren Batterie erzielen, und das rechnet sich, denn die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektrofahrzeug", erklärt Brúch.

Auch auf die Recycling-Frage hat BMW bereits Antworten. So gehen beispielsweise Produktionsreste direkt zurück in die Fertigung. "Prominentestes Beispiel ist das Dach des BMW i3. Es besteht komplett aus Carbonfaser-Verschnitt, also Material, das noch nicht mit Harz in Berührung gekommen ist", berichtet Brúch.

'Trockene' Kohlefasern und mit Harz getränkte aber noch nicht ausgehärtete Prepregs stellen laut AVK-Bericht derzeit ‚den mit Abstand größten Anteil‘ der Abfallströme dar. Stark im Wachsen ­begriffen ist jedoch das Segment mit dem fertigen Komposit – von Ausschuss bis hin zu Produkten am Ende ihrer Lebensdauer. "Hierfür ist unser großes Thema der Kunststoff­spritzguss mit Rezyklat", sagt Brúch. Die Mittel­konsole des aktuellen Mini wird bereits mit Granulat aus geschredderten CFK-Teilen gefertigt.

Wie Carbon und Kunststoffmatrix wieder getrennt werden können

Ein anderer Recycling-Ansatz für diese Stofffraktion ist das Trennen von Carbon und Kunststoffmatrix. Als großtechnisches Verfahren konnte sich hier bislang nur die Pyrolyse etablieren.

Während sich Kunststoff bereits bei spätestens 600°C verflüchtigt, zersetzen sich Kohlenstoff­fasern erst bei deutlich höheren Temperaturen. Die jährliche Kapazität der beiden größten Anlagen in Europa liegt bei insgesamt rund 4 000 Tonnen CFK jährlich, schätzt Siegfried Kreibe. "Die Unternehmen wären bereit, auszubauen, aber der Markt gibt das noch nicht her", ist seine Beobachtung.

Ein Problem ist die Menge: Es gibt schlicht und einfach noch nicht genügend Reststoffe, die recycelt werden könnten. Zum anderen bedeutet Recycling von CF-Mate­rialien immer Down-Cycling. Auch wenn die Eigenschaften der Einzelfasern denen von Neuware nahe kommen, ist Recycling-CF (rCF) doch ein anderes Material. Allein schon deshalb, weil Neuware in der Regel auf sortenreinen Endlosfasern basiert und rCF-Halbzeuge immer aus kurzen Fasern bestehen.

"Die Recycler warten derzeit auf die Spezifikationen von Kunden, was diese brauchen, während potenzielle Abnehmer gerne wüssten, welche Qualitäten zu welchen Preisen auf längere Sicht zuverlässig im Angebot sein werden, bevor sie in die Produktentwicklung gehen", beschreibt Siegfried Kreibe das Dilemma. Was die Recycling-Quote angeht, ist er vorsichtig optimistisch: "Ich kann mir gut vorstellen, dass ein großer Anteil der vergleichsweise reinen carbonfaserverstärkten Kunststoffabfälle tatsächlich recycelt werden wird. Da passiert schon einiges. Aber es ist noch viel zu wenig."

Sie wollen die Welt der Industrie verstehen?

Erfahren Sie alles zu Industrie 4.0, Smart Manufacturing und der weiten Welt der Technik.

  • exklusive Inhalte
  • professionelle Berichterstattung
  • kostenlose Freemium Mitgliedschaft

Newsletter gratis bestellen!