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CFK-Bauteile nachhaltig reparieren oder recyceln

(c) mev-Verlag

Carbonfaserverstärkte Hochleistungskunststoffe (CFK) haben sich einen festen Platz in modernen Flugzeugen erobert. Reparaturen sind jedoch nur sehr aufwändig oder überhaupt nicht möglich. Zumeist muss das gesamte Bauteil ausgetauscht werden.

Verbundwerkstoffe aus vernetzten Polymeren – so genannten Thermosets – die mit Carbon-, Glas- oder Naturfasern verstärkt sind, haben ein reiches Spektrum an Eigenschaften, das ihre Bedeutung für die Luft-und Raumfahrt, die Automobilindustrie aber auch für die Windkraft, den Schiffs- und Eisenbahnbau oder den Hoch- und Tiefbau enorm wachsen ließ. Doch auch das beste Material kann geschädigt werden oder Abnutzungserscheinungen zeigen. Die Ingenieure müssen dann entscheiden, ob die defekte Stelle durch aufwändiges teures Patchen repariert werden kann oder das gesamte Bauteil ausgetauscht werden muss.

»Reparatur und Recycling polymerbasierter Composite sind untrennbar mit Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit verbunden«, erklärt Dr. Christian Dreyer, Leiter des Forschungsbereichs Polymermaterialien und Composite PYCO am Fraunhofer IAP. »Endliche Rohstoffe machen nachhaltiges Wirtschaften und somit den Einsatz recycling- und reparaturfähiger Polymerwerkstoffe immer wichtiger«, so Dreyer.

Die Forscher haben daher ein Verfahren für die Reparatur und das chemische Recycling von faserverstärkten Thermosets entwickelt. Diese werden insbesondere als Matrixharze in Compositen für hochbeanspruchte Bauteile eingesetzt. Die vernetzten Polymere bilden eine sehr starre Struktur, die dem Bauteil seine Form verleiht. Doch genau diese Struktur stellt ein Problem bei der Reparatur oder Wiederverwertung dar. Denn einmal ausgehärtet lassen sich Thermosets im Gegensatz zu Thermoplasten nicht ohne weiteres chemisch zersetzen.

Reparatur und Rückgewinnung – einfach, kostengünstig und energiesparend

»Wir haben ein schonendes und schnelles Verfahren zum chemischen Recycling entwickelt, das es ermöglicht, hochvernetzte Kunststoffe wieder in ihre Ausgangsbestandteile zu zerlegen«, erklärt Dreyer. Diese Entwicklung ermöglicht neben dem kompletten Recyceln eines Bauteils auch eine lokale Reparatur. Aus der defekten Stelle wird definiert die Harzmatrix schonend entfernt, ohne die mechanischen Eigenschaften der Verstärkungsfaser signifikant zu beeinflussen. Die freiliegenden Fasern werden anschließend mit einem Reparaturharz wieder aufgefüllt und ausgehärtet.

Auch bei der Wiederverwertung setzt das neue Verfahren Maßstäbe. Bisher wurden ausrangierte Bauteile entweder verbrannt oder zerkleinert als Füllmaterial eingesetzt. Mit dem chemischem Recycling haben die Fraunhofer-Forscher einen entscheidenden Vorteil: Nicht nur die zersetzte Polymermatrix wird zurückgewonnen sondern auch die oftmals teuren Verstärkungsfasern. Durch die begrenzte Größe der Bauteile liegen die Fasern zwar nicht mehr als Endlosfasern vor, doch gibt es eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Fasern im Längenbereich bis zu wenigen Zentimetern Länge zum Einsatz kommen.

Professor Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP erklärt: »Dieses Recyclingverfahren ist für Unternehmen besonders interessant, da das Matrixmaterial auch im industriellen Maßstab recycelt werden kann, um daraus ausreichende Mengen neuer ‚Recycling-Thermosets‘ zu synthetisieren. Mit dem Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und –verarbeitung PAZ – einer gemeinsamen Initiative der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm und für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle/Saale – haben wir die Möglichkeit, diese Harze in industrierelevanten Mengen herzustellen.«

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