Neue Wertschöpfungsketten der Kreislaufwirtschaft für am Ende ihres Lebenszyklus befindliche faserverstärkte Verbundwerkstoffe

Faserverstärkte Komposite werden als Strukturmaterialien unter anderem in den Branchen Transport, Bau und Energie eingesetzt, da sie leichter und korrosionsbeständiger sind als Metalle. Das Recycling dieser Materialien stellt aufgrund ihres Verbundcharakters aus zwei Werkstoffen eine Herausforderung dar. Obwohl sowohl mechanische Recyclingprozesse als auch thermische Verfahren wie die Pyrolyse ein hohes Technology Readiness Level (TRL) erreicht haben, werden viele Kompositbauteile am Ende ihres Lebenszyklus (End‑of‑Life, EoL) weiterhin deponiert oder energetisch verwertet. Eine wirtschaftlich und technisch überzeugende Wiederverwendung konnte bislang nur in begrenztem Umfang nachgewiesen werden.

Vor diesem Hintergrund verfolgte das Projekt FiberEUse das Ziel, das Recycling von Kompositmaterialien weiterzuentwickeln und wirtschaftlich attraktiv zu gestalten. Hierzu wurden verschiedene Innovationspfade gebündelt, um recycelte Materialien in neue, teilweise branchenübergreifende Wertschöpfungsketten zu integrieren.

Das Projekt gliederte sich in drei Anwendungsfälle mit Fokus auf mechanisches und thermisches Recycling sowie auf die Wiederaufbereitung und Wiederverwendung von EoL‑Kompositbauteilen. Die entwickelten Ansätze adressierten sieben Branchen – Automobil, Luftfahrt, Sport, Bau, Sanitär, Windkraft und Kreativprodukte – und umfassten sowohl kohlenstoff‑ als auch glasfaserverstärkte Materialien.

Ein zentrales Element des Projekts FiberEUse war der Aufbau branchenübergreifender Wiederverwendungsketten. So wurden beispielsweise thermisch recycelte Kohlenstofffasern aus der Luftfahrt in Strukturbauteilen der Automobilindustrie eingesetzt oder mechanisch recycelte Materialien aus ausgedienten Windrotorblättern als Kern in Skiern verwendet. Ergänzend zu den technischen Entwicklungen wurden auch logistische Aspekte der EoL‑Materialströme untersucht. Für die aus Rezyklaten hergestellten Produkte entstanden neue Wertschöpfungsketten und Geschäftsszenarien. Unterstützt wurden dietechnischen Prozesse des Projekts durch eine IT‑Plattform, in der generelle Gestaltungsregeln für Produkte aus Recyclingmaterialien mit Materialeigenschaften und Produktionsprozessen verknüpft wurden.

Schwerpunkt des Fraunhofer IWU

Der Fokus des Fraunhofer IWU lag auf der Entwicklung eines wiederverwertbaren Fahrzeuggrundrahmens sowie einer wiederverwertbaren Sitzstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern EDAG und INVENT. Ziel war es, nach dem Ende eines Fahrzeuglebens die entsprechenden Strukturen demontieren, aufbereiten, gegebenenfalls reparieren und anschließend mit neuen Komponenten zu einem neuen Fahrzeug montieren zu können. Die Materialeigenschaften kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe prädestinieren diese für langlebige, mehrfach nutzbare Fahrzeugkomponenten.

Neben der Entwicklung einer kreislaufgerechten Konstruktion, Auslegung und Bauweise wurden auch geeignete Technologien und Prozesse zur zur einfachen Demontage und anschließender Wiederaufbereitung und Wiederverwendung implementiert und erprobt. Als konstruktive Lösung wurde sowohl für den Fahrzeuggrundrahmen als auch für die Sitzstruktur eine Rahmenbauweise aus Profilen und Knotenelementen gewählt. Die Profile des Grundrahmens wurden am Fraunhofer IWU mittels Pultrusionsverfahren gefertigt, wobei insbesondere die Profilabmessungen, die komplexe Geometrie sowie der Aufbau unterschiedlicher Faserlagen eine Herausforderung darstellten. Die Knotenelemente wurden aus einem kohlenstofffaserverstärkten Bulk Molding Compound (BMC) hergestellt. Hier lag der Entwicklungsschwerpunkt auf der Auslegung geeigneter Werkzeuge sowie der Prozessführung für die komplexen Geometrien.

Im Rahmen der Entwicklung der BMC‑Knotenelemente wurde zudem der Einsatz thermisch recycelter Kohlenstofffasern als Verstärkungsmaterial untersucht. Erste Ergebnisse zeigten gegenüber BMC mit Neufasern reduzierte mechanische Kennwerte, gleichzeitig jedoch auch ein erhebliches Optimierungspotenzial auf Material‑ und Prozessebene, das in weiterführenden Projekten untersucht werden soll.

Parallel zur konstruktiven Entwicklung wurden Technologien zur Umsetzung der automobilen Kreislaufwirtschaft erarbeitet. Dazu zählten spezielle Reparaturmethoden sowie automatisierte, zerstörungsfreie Prüfverfahren für die kohlenstofffaserverstärkten Strukturen von Sitz- und Grundrahmen. Ein besonderer Fokus lag auf der Entwicklung lösbarer Verbindungen, um eine zerstörungsfreie Demontage zu ermöglichen. Im Projektverlauf konnte hierfür eine Lösung für lösbare Klebeverbindungen entwickelt und erfolgreich erprobt werden, die eine Trennung der Fügestellen ohne Beschädigung der Bauteile erlaubt.

Als Ergebnis des Projekts entstand ein Technologiedemonstrator, der das Konzept einer wiederverwertbaren Fahrzeugplattform mit integrierter Sitzstruktur veranschaulicht. Dieser wurde erstmals im Rahmen einer Präsentation des Gesamtprojekts auf der Mailänder Design Week vorgestellt.

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 730323.