Faserverstärkte Kunststoffe – insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) – sind Hochleistungswerkstoffe mit herausragenden spezifischen Eigenschaften. Sie leisten einen entscheidenden Beitrag zur Effizienz und Nachhaltigkeit moderner Flugzeuge und Windenergieanlagen – und das über eine Lebensdauer von bis zu 30 Jahren.
Doch was passiert mit diesen wertvollen Materialien nach Ende ihres ersten Lebenszyklus? Wir sind überzeugt: Ihr Potenzial ist noch längst nicht ausgeschöpft. Aufgrund ihres hohen Materialwerts und des energieintensiven Herstellungsprozesses ist es aus ökologischer und ökonomischer Sicht sinnvoll, diese Werkstoffe möglichst lange zu nutzen – idealerweise über mehrere Lebenszyklen hinweg.
Das Problem: Bisherige Recyclingverfahren setzen auf das Zerkleinern und anschließende Verwerten der Materialien. Dabei werden die Endlosfasern stark geschädigt, was zu einem erheblichen Performanceverlust führt. Außerdem geht mit dem Verlust der Bauteilgeometrie ebenfalls ein Wertverlust einher. Statt echter Nachhaltigkeit folgt so ein Downcycling, also eine Wiederverwertung in Produkten mit einer geringeren Qualität.
Grafik Bruchspannung
Normalisierte Bruchspannungen während des Trennvorganges
Ein Umdenken ist gefragt. Durch eine präzise, zerstörungsfreie Trennung von Bauteilen, ohne Beschädigung der Fasern, kann ein wichtiger Schritt hin zur echten Kreislaufwirtschaft erreicht werden. So wird die direkte Wiederverwendung ganzer struktureller Komponenten möglich: Ein „Strukturleben 2.0“ rückt in greifbare Nähe. Darunter wird bewusst eine Wiederverwendung der strukturellen Bauteile auch „nach ihrem ersten Leben“ verstanden.
Ein Beispiel dafür ist die Demontage eines Stringers am SARISTU-Rumpfschalen-Demonstrator. Dabei kommt ein mechanisches Keiltrennverfahren zum Einsatz, das ideale Voraussetzungen für eine schonende, zerstörungsfreie Trennung bietet. Sowohl analytische als auch numerische Voruntersuchungen hatten die Eignung des Verfahrens gezeigt.
Anwendungsfall
Anwendung des Prüfstands auf der SARISTU-Rumpfschale
Ein eigens entwickelter Prüfstand mit integrierten Kraftsensoren erlaubt die präzise Überwachung der Prozesskräfte. Er ist damit auch ein wertvolles Werkzeug für zukünftige Entwicklungen im Sinne eines „Design for Disassembly“. Dies wird erreicht, indem zum einen ein Vergleich unterschiedlicher Konstruktionslösungen ermöglicht wird und zum anderen die Kraftmessungen eine Grundlage für die Entwicklung passender Werkzeuge und Bewegungsabläufe während der Demontage bieten. Erste vielversprechende Tests wurden an einer Omega-Stringer versteiften CFK-Platte durchgeführt: Zwei adhäsiv im Cobonding-Verfahren gefügte Stringerfüße konnten erfolgreich von der CFK-Platte gelöst werden. Ultraschalluntersuchungen bestätigen: Die Trennung gelingt weitestgehend ohne Materialschädigung.
Im nächsten Schritt wurde das Verfahren auf eine realitätsnahe Rumpfstruktur im Maßstab 1:1 angewendet. Auch hier konnte ein Omega-Stringer erfolgreich von der Rumpfhaut gelöst werden. Die nachfolgenden Untersuchungen zeigten: Ein Großteil der Struktur blieb intakt und ist ein Beleg für die prinzipielle Eignung des Verfahrens.
Stringerelement und Rückwandecho
Abgelöstes Stringerelement und zugehöriges Rückwandecho. Man erkennt einen großen Bereich, der zerstörungsfrei demontiert werden konnte (grün), aber auch Bereiche mit Delaminationen aufgrund eines manuell eingebrachten Anrisses, um ein optimales Ansetzen des Keilelementes zu ermöglichen (rot).
Besondere Aufmerksamkeit muss dem Bereich gelten, in dem der Anriss zur Platzierung des Keilwerkzeugs eingebracht wird. Dort treten aktuell noch lokale Delaminationen auf. Sie sind ein Hinweis darauf, dass dieser Schritt optimierbar ist. Hier gilt es, geeignete Designs, Methoden und Verfahren zu entwickeln, die das Einbringen des Werkzeugs ermöglichen, ohne die Struktur zu beeinträchtigen.
Fazit
Die Ergebnisse zeigen deutlich: Die zerstörungsfreie Demontage von CFK-Strukturen ist realisierbar und bietet enormes Potenzial für eine nachhaltige Nutzung dieser Werkstoffe – über mehrere Lebenszyklen hinweg. Sie ist ein vielversprechender Schritt auf dem Weg zur echten Kreislaufwirtschaft in der Luftfahrt und darüber hinaus.
