Fahrzeug-CFK wiederverwenden statt recyceln

CFK hat hervorragende mechanische Eigenschaften, sein End-of-Life bleibt aber problematisch. Wiederverwendbare CFK-Strukturen könnten dem Werkstoff aber eine Tür in die Kreislaufwirtschaft öffnen.

Auch wenn der Hype um kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe in den letzten Jahren einer nüchternen Betrachtung gewichen ist: CFK bleibt der Leichtbauwerkstoff schlechthin – zumindest solange man die Betrachtung auf die mechanischen Eigenschaften beschränkt. Was die Ermüdungsfestigkeit und seine spezifischen mechanischen Eigenschaften angeht, spielt das Material in einer eigenen Liga.

Doch in die Begeisterung über das Material mischen sich mittlerweile auch kritische Stimmen, denn CFK ist nicht nur teuer, sondern auch überaus energieintensiv in der Herstellung. Ein weiterer Knackpunkt ist das End-of-Life von CFK-Bauteilen, denn die Voraussetzungen für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft für Faserverbundwerkstoffe sind bei Weitem noch nicht erfüllt. Zwar gibt es bereits erste Recyclingwerke für die Faserverbundwerkstoffe, wie Petra Weißhaupt vom Umweltbundesamt im Interview erläutert, allerdings seien die Durchsätze zum einen noch gering, zudem lassen sich die wiedergewonnen Fasern in der Regel nur noch für minderwertigere Produkte einsetzen.

Wiederverwendbar und crashsicher

Einen Ansatz für einen nachhaltigeren Umgang mit CFK haben das Fraunhofer IWU und die Unternehmen Edag und Invent im Forschungsprojekt FiberEUse entwickelt. Grundgedanke war es, ausgediente CFK-Strukturen aus Fahrzeugen erst gar nicht recyceln zu müssen, sondern sie stattdessen wiederzuverwenden. Im Artikel Wiederverwendbare CFK-Strukturen in der Zeitschrift Nachhaltige Industrie 2/22 erläutern Justus von Freeden, Jesper de Wit, Oliver Huxdorf und Stefan Caba ihr Vorgehen.

In einem ersten Schritt hat das Projektteam Fahrzeugkomponenten identifiziert, die zum einen ein hohes Wiederverwendungspotenzial aufweisen und sich zum anderen aus CFK fertigen lassen. Als Demonstrationsobjekt ausgewählt wurde schließlich die Rahmenstruktur einer batterietragenden Plattform und eine Sitzstruktur. Die Plattform wurde so konstruiert, dass sie sich als Grundgerüst für Autos neuer Generationen eignet, dabei aber, mit Ausnahme der Fahrzeuggrundmaße, unabhängig vom Fahrzeugdesign ist. Entscheidendes Kriterium bei der Konstruktion war, dass der CFK-Rahmen sowohl wiederverwendbar als auch crashsicher ist.

Klebverbindung ist lösbar

Der entwickelte Rahmen besteht im Wesentlichen aus vier pultrudierten Profilen, die über Elemente aus Bulk Molding Compound miteinander verbunden sind. Aluminium-Crashelemente an Front- und Heckpartie sowie seitlich angebrachte Aluminiumprofile nehmen die Energie im Crashfall auf, sodass die CFK-Struktur nach Möglichkeit geschützt bleibt. Der Sitz besteht aus einer CFK-Tragstruktur mit austauschbaren Polsterungen und Sitzbezügen. Er ist so ausgelegt, dass Einzelsitze bei Bedarf auch zu Sitzbänken kombiniert werden können.

Zur Verbindung der einzelnen Komponenten setzen die Ingenieure auf lösbare Klebverbindungen und ziehen dafür zwei mögliche Ansätze in Betracht. Der erste Ansatz basiert auf thermisch expandierenden Partikeln (TEP), die dem Klebstoff beigemischt werden. Durch Zuführung von Wärme expandieren die gasgefüllten TEP um das 50- bis 100-fache und sprengen so die Klebverbindung auf. Durch zusätzlich beigemischtes Eisenpulver lässt sich die Klebung auch induktiv erwärmen. Für den zweiten Ansatz schlagen sie die Integration eines Widerstandsdrahts in der Klebverbindung vor, der sich bei Anlegen einer Spannung erwärmt. Die Autoren bewerten den Einfluss dieser Zusatzelemente auf die Klebfestigkeit als gering.

Die Lebenszyklusemissionen für den CFK-Aufbau fallen den Autoren zufolge bereits ab der ersten Wiederverwendung geringer aus als bei vergleichbaren metallischen Konzepten. Als mögliche Anwender, die auch einen ökonomischen Vorteil aus der Plattform ziehen könnten, nennen die Autoren Flottenbetreiber.