Nachhaltigkeit in der Automobilindustrie

Die europäischen Zielsetzungen 55 % an CO₂ bis 2030 einzusparen und bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen [1], spüren auch Unternehmen in den Automotive-Wertschöpfungsketten deutlich und sind gezwungen, den eigenen Carbon Footprint zu optimieren. Besonders große Automobilkonzerne, die häufig am Ende der Wertschöpfungskette stehen, warten nicht erst das Eintreten weiterer Regulierungen durch die Politik ab, sondern kommunizieren ambitionierte Klimastrategien mit konkreten Maßnahmen und Einsparzielen. So will beispielsweise Volkswagen den Produkt Carbon Footprint von Pkws und leichten Nutzfahrzeugen kurzfristig über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg um 30 % gegenüber 2015 reduzieren [2]. Um die selbst gesteckten Klimaziele erreichen zu können, müssen Zulieferer und OEMs neben der Minderung werkseigener Treibhausgasemissionen auch zunehmend den CO₂-Fußabdruck ihrer Produkte und Lieferketten kennen und hier für Optimierungen sowie Nachweiszertifikate sorgen. Für die Zulieferer von Kunststoffprodukten besteht der weitaus größte Hebel zum Senken von Treibhausgasemissionen im Einsatz von Sekundärkunststoffen oder Rezyklaten, deren CO₂-Fußabdruck gegenüber Neuware um 30 bis 70 % geringer ausfällt. Neben dem Verringern der Rohölabhängigkeit und dem Minimieren von Kunststoffemissionen wirkt sich die verbesserte Kreislaufführung der Kunststoffe somit positiv auf die Klimabilanz des Produkts aus. Diese ist spätestens seit dem ersten Entwurf des europäischen Klimaschutzgesetzes und der 2020 verabschiedeten Taxonomieverordnung zum Erleichtern nachhaltiger Investitionen im Rahmen des Green Deal zum Beschaffungskriterium geworden [3].

Verbindlicher Rezyklatanteil

Die Richtlinie über Altfahrzeuge (2000/53/EG) enthält seit 2015 als Zielvorgabe für das Verwerten von Altfahrzeugen eine Recyclingquote von mindestens 85 % und zielt unter anderem darauf ab, das Recycling aller Kunststoffe aus Altfahrzeugen fortlaufend zu verbessern, denn die in Autos enthaltenen hochwertigen Kunststoffe sind viel zu wertvoll, um im Müll zu landen. Die EU-Kommission hat 2020 in ihrem Aktionsplan für die Kreislaufwirtschaft angekündigt, die Richtlinie zu überarbeiten, und wird wohl zukünftig verbindliche Rezyklatanteil für Kunststoffe in der Automobilbranche vorschreiben. Heute beträgt der Anteil an verarbeiteten Kunststoffrezyklaten im Automotivebereich gerade einmal rund 5,5 % [4], bei bis 20 % Kunststoff von in einem durchschnittlichen Auto verbauten Materialien, ein enormes Potential. Die Automobilbranche ist nicht nur deshalb schon heute angehalten, ihren Recyclinganteil zu steigern. Einzelne Automobilhersteller setzen sich ambitionierte Ziele. So sollen beispielsweise bei Volvo ab 2025 in allen neu eingesetzten Modellen die verwendeten Kunststoffe zu mindestens 25 % aus wiederverwertetem Material bestehen [5]. Tier 1-Zulieferer sowie ihre Rohstoffbereitsteller stehen somit vor der großen Herausforderung, die Produktionen einzelner Bauteile auf den vermehrten Einsatz von Kunststoffrezyklaten abzustimmen. Neben den Herausforderungen an hochwertige Materialien und angepasste technische Prozesse scheitert die verstärkte Kreislaufschließung zurzeit auch an der Intransparenz zu Herkunft, Qualität und Verfügbarkeit von Sekundärkunststoffen.

Qualität und Menge sind die Schlüssel

Die Automobilbranche setzt hohe Forderungen an das Rohmaterial, das zuverlässig in der notwendigen Menge und Qualität zu liefern ist. Das kann im Moment für Rezyklate noch nicht ausreichend garantiert werden. Deshalb werden im Forschungsprojekt Di-Link vom SKZ, Würzburg, zusammen mit dem Forschungsinstitut für Rationalisierung (FIR) e.V. an der RWTH Aachen, Hoffmann & Voss, Viersen, Infosim, Würzburg, und MKV, Kelkheim, genau diese Herausforderungen adressiert und dafür digitale Lösungen für das Gestalten von vertrauensvollen Wertschöpfungsnetzwerken erarbeitet.

Die angestrebte Systemlösung soll es ermöglichen, Mengen-, Qualitätsdaten und Verfügbarkeitszeitpunkte zu erfassen, aufzubereiten und auszutauschen, um verlässliche Wertschöpfungsketten zu bilden. Dazu werden anhand der notwendigen Daten „Matches“ von Materiallieferanten und Anwendern erzeugt und können so Rezyklate in der notwendigen Qualität für Unternehmen der Automobilindustrie bereitstellen. Sensoren erzeugen direkt in der Aufbereitungsanlage Rezyklatprofile, um die Qualität der Rezyklate wie mechanische Eigenschaften und Zusammensetzung noch während des Prozesses transparent beurteilen zu können. Das Projekt befindet sich aktuell in der Programmierphase der Applikation und soll im Mai 2022 abgeschlossen sein.

Carbonfasern im Kreislauf führen

Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) gewinnen aufgrund ihres Leichtbaupotentials im Automobilbau stetig an Bedeutung [6]. Der Bedarf hat sich bis heute mit circa 140 kt im Jahr 2019 gegenüber 2010 fast verdreifacht. Bis 2023 wird ein weiteres Wachstum auf rund 200 kt prognostiziert. Zeitgleich steigt damit die Notwendigkeit des Recyclings von Bauteilen aus CFK beziehungsweise dem Wiederverwerten der Carbonfaser (CF). Problematisch dabei ist, dass die aus dem Recyclingprozess anfallenden Fasern häufig in einer Größenordnung von 0,1 bis 10 mm vorliegen. Diese Fasern eignen sich nur bedingt für den erneuten Einsatz in lang- oder endlosfaserverstärkten Bauteilen. Ein interessanter alternativer Lösungsansatz ist der Einsatz von recycelten CF in kurzfaserverstärkten Compounds [7].

Verschiedene Carbonfaserrezyklate (o.), daraus hergestellte Compounds (M.) und Probekörper (u.). (Bild: SKZ)

Die Eigenschaften der CF-Reste führt zu erheblichen Herausforderungen beim Herstellen solcher Compounds. So erschwert eine geringe Schüttdichte und die gewölbeartige Struktur der CF-Rezyklate die Zuführung der Fasern in einen Compoundierextruder. Unklar ist außerdem, wie Ausgangsfasertyp und die Längenverteilung die Verarbeitungsbedingungen und die Eigenschaften der Compounds beeinflussen. Diese Fragestellung wurden am SKZ gemeinsam mit der Kunststofftechnik der Universität Paderborn (KTP) um H. Malatyali und V. Schöppner sowie Forschungspartnern aus der Industrie im Forschungsvorhaben 20056 N/1 untersucht [8]. Nach Entwicklung eines Demonstrators konnten verschiedene CF wie zum Beispiel Rezyklate von C.A.R Fibertec, Stade, oder Mitsubishi Chemical Advanced Materials, Lenzburg, kontrolliert in den Compoundierextruder zuzugeben und daraus hochwertige Rezyklate hergestellt werden. In der Anlage wurde ein von Brabender Technologie, Duisburg, speziell für die gravimetrische Dosierung von Fasern entwickelter Dosierer eingesetzt und mit einer am SKZ entwickelten Seitenbeschickung kombiniert. Diese ermöglichte ein sicheres Einziehen der Fasern durch eine Ansaugvorrichtung inklusive Faserfilter. So konnte der Einfluss verschiedener Compoundierbedingungen auf die Faserlänge erforscht und unterschiedliche Rezepturen der Compounds sowie die Einstellparameter des Compoundierextruders untersucht werden.

Einfluss der Faserlängen simuliert

Ein am KTP entwickeltes, analytisches Modell zur Fasereinarbeitung wurde zur Simulation des Einflusses der Faserlänge auf das Compound genutzt. So sind bei Recyclingfasern mit einer Ausgangslänge von 3.000 µm in Polypropylen-Compounds beispielsweise zuverlässig längengewichtete Faserlängen über 500 µm bei gleichzeitig homogener Fasereinarbeitung möglich. Neben der Faserlänge wurden die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Compounds ermittelt. Gespritzte Probekörper aus Polypropylen-Compounds erreichten in Kombination mit geeigneten Haftvermittlern bereits mit einem Faseranteil von nur 16 Gew.% reproduzierbare Zugfestigkeiten über 93 MPa und E-Moduli über 10 GPa. Für Polyamid 6 konnten ebenfalls gute Werte nachgewiesen werden. Hieraus ergibt sich für spritzgegossene und extrudierte Bauteile ein erhebliches Leichtbaupotential mit einem Recyclingwerkstoff, der wieder ins Automobil zurückgeführt werden kann. Weitere Potentiale für die Kreislaufwirtschaft bietet die Polymermatrix. Gelingt es auch hier recycelte Kunststoffe einzusetzen, wäre es möglich, technisch anspruchsvolle Bauteile komplett aus recycelten Materialien zu fertigen. Die im Projekt entwickelten Anlagen und Modelle werden in der weiteren Forschung am SKZ und KTP eingesetzt und neue Projekte unterstützt. Für das Recycling duroplastischer Composite sind Projekte am SKZ, Halle (Composite-Zentrum), in Planung.

Für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft ist es wichtig, schon bei der Herstellung von recycelten Produkten die Folgeprozesse wie das Schweißen, Lackieren oder Verkleben der Kunststoffprodukte im Blick zu haben, da Verunreinigungen der Rezyklate zu Problemen der Fügeverbindung führen können. Um Anwendern konkrete Hilfestellung für Fügeprozesse (Schweißen und Kleben) mit Rezyklaten geben zu können, sind am SKZ momentan mehrere Forschungsvorhaben in Vorbereitung. Die Ergebnisse können auf Bauteile aus dem Automotiv übertragen werden. In technischen Produkten, wie im Automobil, sind die unterschiedlichen Kunststoffmaterialien zudem häufig mit verschiedenen Werkstoffen, wie Metall und Kunststoff kombiniert/gefügt, um an den jeweils ihre Stärken ausspielen zu können. Dies wird durch den zunehmenden Fokus auf den Leichtbau verstärkt und verlangt zunehmend eine Multimaterialbauweise.

Versteifungsstruktur einer Mittelarmlehne bestehend aus GF-PA6 – Organoblech und Baustahl E355. (Bild: IWS)

Hier ist ein gezieltes Design für Recycling unbedingt von Anfang an erforderlich, um die Materialien am Ende der Produktlebenszeit sauber in den Stoffkreislauf zurückzuführen. Dazu kann die passende Fügetechnik einen sehr wichtigen Beitrag leisten, die am Ende der Lebenszeit ein gezieltes und sortenreines Entfügen der Kunststoffbauteile möglich macht. Dies ist schwierig bei intrinsischen Leichtbaustrukturen, bei denen Metallteile mit Kunststoff umspritzt wurden. Auch geklebte Bauteile bieten meist zwar das Potential wieder gelöst zu werden, allerdings fehlen oft noch geeignete und skalierbare Konzepte. Des Weiteren verbleiben in der Regel Klebstoffreste an den Fügeteilen, die als Störstoffe den Recyclingprozess erschweren. Eine deutliche Verbesserung könnten direktgefügte Baugruppen aufweisen, die immer häufiger angewendet werden. Beim Direktfügen, auch Schmelzkleben genannt, wird Metall mit dem Kunststoff in einem thermischen Fügeprozess miteinander verbunden. Dies bietet später die Möglichkeit, die Fügeverbindung durch entsprechende thermische Einwirkung zu lösen und damit die Komponenten sortenrein zu trennen. In neuen Forschungsprojekten beschäftigt sich das SKZ deshalb zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, sowie der Technischen Hochschule Aschaffenburg mit der Entwicklung von Prozessabläufen für das schnelle thermische Direktfügen von Metall-Kunststoff-Verbindungen in Leichtbau-Anwendungen. Ein Fokus der Forschungsaktivitäten liegt dabei auf dem Entfügen und dem Bewerten der Ressourceneffizienz des Direktfügeverfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren.