I bilindustrin är kolfiber en stor nyhet. Trots att de flesta OEM-tillverkare av bilar klagar på dess kostnad, bedriver de åtminstone privat forskning och utveckling i aktiv strävan efter kolfiberförstärkta polymerer (CFRP) – ett viktigt medel för lättviktstillverkning av personbilar och lätta lastbilar – när de försöker uppfylla de förestående bestämmelserna om koldioxidutsläpp och bränsleekonomi. De europeiska biltillverkarna visar vägen. Vissa har redan lanserat kommersiella fordon med ett betydande CFRP-innehåll, vilket har skapat en hel del uppståndelse, både i fackpressen och i allmänna medier.
En obekväm sanning
Den stora skillnaden i dessa diskussioner har fram till nyligen varit kostnaden för, och medlen för, att uppfylla EU:s direktiv om uttjänta fordon (ELV). Direktivet kräver att 85 viktprocent av de material som används i alla bilar och lätta lastbilar som byggs från och med 2015 års modellår ska vara återanvändbara eller återvinningsbara. Metaller och ren plast – amorfa material – har bevisat att de kan återvinnas. Men det har inte CFRP. Ja, ELV tillåter visst bortskaffande – upp till 10 % av fordonets vikt kan förbrännas och resterande 5 % kan hamna på en soptipp. Men matematiken fungerar inte: Om kolfiber ska bli ett viktigt verktyg i biltillverkarnas lättviktsverktygslåda är det absolut nödvändigt att återvinna CFRP från uttjänta fordon. Den goda nyheten är att detta problem, som en gång ansågs vara nästan olösligt, håller på att lösas i snabb takt, tack vare en målmedveten och växande satsning på att utveckla teknik för återvinning av CFRP.
Tvåfaldigt angrepp
Recyklingsstrategierna är inriktade på två fronter. Den första är återvinning och återanvändning av CFRP-avfallsströmmar (icke-specificerat material, skrot från skärning/trimmning etc.) i form av torra fibrer och prepreg.
Tim Rademacker, verkställande direktör vid CFK Valley Recycling (Stade, Tyskland), nämner en uppskattad efterfrågan på nyfiber 2014 (se figur 3, till vänster) på 50 000 ton, och konstaterar att om 30 % av detta slutar som produktionsavfall – en vanligt förekommande siffra – blir resultatet ~10 000 ton kommersiellt återvunnen kolfiber (RCF) innan man tar hänsyn till uttjänta strukturer (EOL). Återvinningsföretag förutspår att biltillverkare kommer att bli stora mottagare av fibrer som återvinns från kolfiberavfall som genereras av tillverkare i andra branscher. ”Vi kan ta emot upp till 50 ton CF-avfall under en viss månad från vindkraftverk”, säger Alex Edge, försäljnings- och affärsutvecklingschef för återvinningsföretaget ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Storbritannien), och påpekar att en stor del av avfallet genereras när material monteras för att lägga upp turbinblad.
”Det mesta av det avfall som vi får in kommer från flyg- och fordonsindustrin”, säger Rademacker som, till skillnad från Edge, säger: ”Vi ser inte så mycket från vindkraft än, där man fortfarande använder mest glasfiber”.
Rcf-fiber från flygplanskällor är särskilt lovande. ”Flygindustrin genererar tonvis med avfall”, säger Edge, ”men det måste användas på andra marknader”. Ett stort skäl är att fiber som återvinns med nuvarande metoder huggs sönder. För närvarande oanvändbar i vindkraftverk och flygplanskonstruktioner (flygplansinteriörer är det enda undantaget), har diskontinuerlig fiber länge varit en viktig del av kompositmaterial för bilar, särskilt i bilinteriörer och under motorhuven. ”Vi har arbetat mycket under de senaste åren med stora OEM-företag, både när det gäller avfall från flygindustrin och slutanvändning av återvunna produkter i bilindustrin”, säger Edge.
Med tanke på detta är återvinningsföretagens råmaterial i dag främst från avfall. Återvinningsföretag ser dock inte avfallshanteringen som ett mål i sig självt. På längre sikt vill de hjälpa användarna av CFRP att ”sluta kretsloppet”: Om biltillverkarna måste se till att fordonsmaterial är återvinningsbara är det en stor fördel för dem att återanvända fibrer som återvunnits från uttjänta fordon i produktionen av nya fordon. Behandling av avfall ses därför som ett viktigt första steg när återvinningsföretagen förbereder sig för att bearbeta det ökande antalet CFRP-delar som kommer att bli uttjänta varje år.
Och även om flera metoder har utformats för återvinning av kolfiber, inklusive några som bibehåller långa fibrer och till och med bevarar tygvävningar, utsätts all nuvarande kommersiell RCF för pyrolys (se figur 1 och, för mer information, se redaktörens anmärkning i slutet av den här artikeln). Inkommande avfall sorteras efter typ (torra fibrer, prepreg, EOL-delar) och i vissa fall efter fibertyp. EOL-delar krossas eller hackas, och alla material strimlas till en homogen storlek, vilket ökar mängden material för pyrolyseringen. Pyrolysen förångar det återstående matrismaterialet på krossade EOL-delar och prepreg-avfall (som sedan sugs ut via ventilation), men lämnar fibrerna intakta, vilket är viktigt. Den avlägsnar också kisel och bindemedel från fibrerna. Efter pyrolysen kan, enligt vad som anges nedan, en skräddarsydd konditionering omfatta skräddarsydd fiberstorlek och/eller bindemedel som appliceras på den återvunna fiberns yta för kundens specifika återanvändning.
Kommersiell kapacitet
Inom ett par korta år, har återvinningsverksamheten gått från pilotprojekt till kommersiella produktionsanläggningar. Även om namnen har ändrats och andra har anslutit sig, är de viktigaste aktörerna fortfarande desamma.
Under 2011 förvärvade det tyska metallåtervinningsföretaget ELG Haniel (Duisburg, Tyskland) Recycled Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Storbritannien; tidigare Milled Carbon Group) och dess återvinningsanläggning i kommersiell skala (som togs i drift 2009) och bytte namn till ELG Carbon Fibre.
Varför skulle en metallåtervinnare gå in på RCF-marknaden? ”De såg att allt fler metaller var förorenade med kolfiber och att det fanns en möjlighet att få ut ett högt värde ur flygplansavfall”, förklarar ELG Carbon Fibre’s Edge. ”Vi bearbetar 2 000 ton avfall och genererar 1 000 ton återvunnet CF per år med hjälp av en patenterad pyrolysprocess och en 21 meter lång bandugn.”
ELG CF sorterar avfallet och strimlar det. ”Vi använder sedan ett automatiserat system för att kalla ut en utvald avfallsvolym från en av fyra förvaringsbunkrar”, beskriver Edge, ”som sedan transporteras till ugnen.” Fibrerna bearbetas sedan för att producera hackade, malda eller pelleterade fiberprodukter, och en nålstickad matta är under utveckling.
Edge säger att intresset för både malda fibrer och långfiberspilleter som används i långfibriga termoplaster (LFT) har ökat. ELG CF samarbetar med 10 till 20 leverantörer inom LFT-industrin och erbjuder en standardpellets med en diameter på 6 mm/0,24 tum som använder 6 mm till 10 mm (ungefär 0,2 tum till 0,4 tum) långa fibrer (se fig. 2). Företaget säger att det kan skräddarsy formuleringar, t.ex. ett PEEK-kompatibelt bindemedel jämfört med standardsystemet för termoplaster av nylon (polyamid eller PA) och polypropylen (PP). ”Det finns ett stort tryck på injicerade delar med långa fibrer”, konstaterar Edge, ”och CF har en verklig fördel jämfört med talk- och kiselfyllmedel. Vi är väl lämpade för denna avsättning och har först nyligen börjat titta på möjligheterna i härdplastföreningar.”
Material Innovation Technologies LLC (MIT LLC, Fletcher, N.C.), som grundades 2005, började återvinna kolfiber 2009 och öppnade sin kommersiella återvinningsanläggning i Lake City, S.C., MIT-RCF, med hjälp av kapitalinvesteringar från South Carolina Research Authority (SCRA, Columbia, S.C.) och Toyota Tsusho America (Maryville, Tenn.). Företaget, som 2015 bytte namn till Carbon Conversions Inc., bearbetar flöden från flera olika källor: torrt skrot från fibertillverkare, flätare och vävare, ohärdad prepreg från prepreggers, Tier 1s och OEMs samt helt härdade delar. Sortering är en prioritet. ”Kunderna vill ha en definierad input för den preform eller rulle som de kommer att använda”, förklarar Carbon Conversions VD och COO Mark Mauhar. ”Det finns en typ av del och en typ av fiber per sats. Vi följer materialets stamtavla mycket noga.”
Efter pyrolys säljer Carbon Conversions den resulterande hackade RCF direkt eller omvandlar den till LFT-pellets eller till rullar av hackad fibermatta. Mattans vikt varierar från 50 till 1 000 g/m2 (1,5 till 29,5 oz/yd2) och i bredder upp till 49 tum/1,2 meter. Bland mervärdesprodukterna finns blandningar av hackade kol- och termoplastfibrer – t.ex. 60 % polyfenylensulfid (PPS)/40 % CF – som framställs genom företagets egen Co-DEP-process (se fig. 4). Carbon Conversions tillverkar också nätformade förformar som är så stora som 1,8 m x 1,8 m/5,9 ft x 5,9 ft med hjälp av sin patenterade 3-DEP-formningsprocess för slurryformning, som ger hög jämnhet (standardavvikelse för ytvikt på 1-3 %) och cykeltider på en till två minuter, oavsett storlek. Mauhar sammanfattar: ”Vi har mycket flexibla processer som kan skräddarsy material och producera enhetlig tjocklek och vikt med låg variation i egenskaperna.”
Företaget har flera fordonsdelar på väg att antas och arbetar för att validera nya höghastighetsprocesser för att omvandla sina RCF-produkter till kostnadseffektiva fordonsdelar. Carbon Conversions tillväxtplan är att utöka anläggningarna när marknaden kommer ikapp. Enligt Mauhar: ”Vi måste nå 3 till 5 miljoner lb/år av såld återvunnen fiber innan vi utökar kapaciteten.”
Miljö- och avfallshanteringstjänstekoncernen Karl Meyer AG inledde arbetet med återvinning med CFK Valley e.V. (Stade, Tyskland) 2005 och etablerade 2007 en industriell anläggning för återvinning med namnet CFK Valley Recycling. År 2010 flyttade företaget till Wischhafen i Tyskland. I dag kan anläggningen producera upp till 1 000 ton RCF per år och har långsiktiga avfallshanteringsavtal med flygplanstillverkaren Airbus (Toulouse, Frankrike), biltillverkarna Bugatti (Molsheim, Frankrike) och BMW (München, Tyskland) samt andra marknadsledande CFRP-tillverkare för att garantera råvaruförsörjningen. Företaget grundade också carboNXT GmbH som distributör för sina hackade och frästa RCF-produkter.
CFK Valley Recycling ser förberedelse av fiber för kundernas återanvändning som ett viktigt mervärde i återvinningsföretagets uppdrag (se figur 5). Fokus ligger på vidhäftning mellan fiber och matris. ”Vi har ändrat vår process så att vi inte har några problem med bindningen, som svar på marknadens efterfrågan”, förklarar CFK:s Rademacker. ”För härdplaster kan vi återigen applicera limning, och för termoplaster kan vi tillsätta ett specifikt bindemedel för att maximera matrisanslutningen.” Fiberlängden kan också anpassas, till exempel för att tillgodose sammansättningsbehov.
”Vi har investerat i textilmaskiner och kan tillverka nonwovens”, tillägger Rademacker. Dessa varierar i bredd från 1 100 till 1 300 mm (43 till 51 tum) med vikter från 10 g/m2 (0,3 oz/yd2), med hjälp av en våtlagsprocess, till 600 g/m2 (18 oz/yd2) med hjälp av en luftlagningsmetod.
Från dragning till tryckning
Med tanke på att de stora aktörernas skalering för att kunna leverera kommersiella mängder kundvänlig RCF har de större aktörernas fotfäste blivit fastare, men vägen framåt är ännu inte rak och jämn. För fyra år sedan var återvinningsföretagens största bekymmer säkerheten i råvaruförsörjningen (se ”Läs mer”). Men Carbon Conversions Mauhar säger att detta inte längre är fallet: ”Flygplanstillverkarna genererar så mycket avfall när de ökar produktionstakten att skrotvolymen ligger före marknaden för återvunna produkter”. Och det råder ingen tvekan om att det kommer att finnas en tillräcklig tillgång på EOL-råvaror: 35 miljoner fordon kommer in i återvinningsinfrastrukturen varje år – 13 miljoner i Nordamerika och 11 miljoner i Västeuropa. Dessutom kommer de tidigaste flygplanen som byggdes med CFRP-komponenter troligen att vara uttjänta inom de närmaste 10 åren, och mer än 12 000 flygplan kommer att pensioneras över hela världen under de närmaste två decennierna, precis innan de första CFRP-belagda Boeing 787- och Airbus A350 XWB-flygplanen är redo att gå i pension.
För fiberåtervinningsspecialister är den nuvarande oron därför att sälja vidare det som de redan kan bearbeta. De nuvarande uppskattningarna av den kombinerade RCF-kapaciteten ligger mellan 3 500 och 5 000 ton per år.
Den största försäljningspotentialen ligger i högvolymtillämpningar inom fordonsindustrin. Mauhar anser att återanvändningen av RCF skulle kunna påskyndas om avfallsproducenter, återvinningsföretag och fordonsanvändare samarbetade för att slutföra den nödvändiga utvecklingen. Även om vissa fiber- och textilproducenter (se ”Carbon fiber recycling update: The supply side” i slutet av den här artikeln eller klockan på dess titel under ”Editor’s Picks”) och vissa OEM-tillverkare återvinner sitt eget avfall – främst BMW – är det få aktörer inom CFRP-försörjningskedjan som har åtagit sig att använda RCF som producerats av kommersiella återvinningsföretag.
Recyklarna medger att marknaden för RCF-tillämpningar släpar efter, men hävdar att det inte handlar om mekanisk prestanda: Studier av RCF-produkter uppges visa draghållfasthet och modul som ligger väl i linje med fiberproducenternas mål för jungfruliga produkter i industriella tillämpningar (se fig. 6 & 7). Vidare är återvinning av längre fibrer en möjlighet. Enligt en rapport från 2014 från Hitachi Chemical (Tokyo, Japan), Japan Carbon Fiber Manufacturers Assn. (JCMA) återvinningsanläggning som nu förvaltas gemensamt av Toray Industries och Teijin Group (båda baserade i Tokyo, Japan) och Mitsubishi Rayon Co. Ltd. (Osaka, Japan), har utökats med en pyrolysprocess som, till skillnad från JCMA:s äldre linje på 1 000 ton/år (2,2 miljoner pund/år), inte kräver någon förstagallring. Utvecklad av Takayasu Co. Ltd. (Kakamigahara City, Japan), har denna nya process enligt uppgift en kapacitet på 60 ton/år (132 000 lb/år). Ännu nyare återvinningsmetoder som är utformade för att återvinna kontinuerliga fibrer (se ”Återvunnen kolfiber”): Comparing Cost and Properties” i slutet av denna artikel eller klicka på titeln under ”Editor’s Picks”) och metoder för att anpassa diskontinuerlig RCF (t.ex. orienterad vs. slumpmässig) tyder på att återvinningsföretag snart kommer att kunna erbjuda RCF-produkter som klarar av att prestera i närheten av målen för flyg- och rymdindustrin.
Commersiella återvinningsföretag påpekar också att RCF ger en kostnadsbesparing på 20-40 % jämfört med nyfiber. Det är inget tomt påstående. Projektet CAMISMA (Carbon fiber/Amid (förkortning för polyamid)/Metal Interior Structure using Multi-material System Approach) visade nyligen potentialen för RCF i termoplastiska processer. Johnson Controls (JCI, Burscheid, Tyskland), leverantör av bilsäten i ledande ställning, och partner har framgångsrikt gjutet en CFRP-sitsrygg med hjälp av RCF-material som minskade vikten med mer än 40 % jämfört med konventionella metallkonstruktioner utan att överskrida projektets gräns på 5 dollar i kostnad per sparat kilo. (Processen beskrivs i detta nummer av ”Inside Manufacturing” med titeln ”CAMISMA’s car seat back”: Hybridkomposit för stora volymer”. Klicka på titeln under ”Editor’s Picks”). För de biltillverkare som är oroliga för fiberkostnaden kan sådana uppgifter kanske inte få slut på mumlet, men de kan minska dess decibelnivå.
Hindren för att införa kompositmaterial är desamma som de kompositmaterialförespråkare konfronteras med när de försöker ersätta gamla material: Bristande utbildning, störningar i etablerade försörjningskedjor och behovet av trovärdiga demonstrationer av att processen från avfall till återanvändning är genomförbar och att RCF slutprodukten fungerar.
Proving RCFRP producibility
De som letar efter en utbildningsdemonstration av det här slaget behöver dock inte leta längre än till de uppmärksammade BMW i3- och i8-fordonen (se ”BMW Leipzig: Epicentrum för i3-produktion” under ”Redaktörens val”). Något dolt av publiciteten kring BMW:s utveckling av sin vertikalt integrerade försörjningskedja för jungfruligt tungt släp är biltillverkarens återanvändning av produktionsskrot i taken till i3 och i8 och i i i3:s baksätesstruktur. SGL Automotive Carbon Fibers (SGL ACF, Wackersdorf, Tyskland) samlar in väv- och förformsavfall från tillverkningen av i-bilarnas CFRP Life Modules och skär dem till flis, som sedan bearbetas för att öppna de ingående fibrerna, följt av mekanisk kardning för att reda ut och anpassa fibrerna (se ”Återvunnen kolfiber”): Jämförelse av kostnad och egenskaper” under ”Editor’s Picks”). Fibrerna läggs sedan i lager i olika vinklar – beroende på var den slutliga delen ska användas – och sys ihop till nonwoven textil (mattor eller fleece). Nonwovens för takkonstruktionerna gjuts med hjälp av högtrycks-RTM (HP-RTM) och Araldite epoxiharts från Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, Texas och Basel, Schweiz), medan det självbärande baksätesskalet använder BASF:s (Ludwigshafen, Tyskland) Elastolit-polyuretan (PUR), vilket enligt uppgift är den första CF/PUR-delen i serieproduktion. Delen är gjuten av bilsätesspecialisten F.S. Fehrer (Kitzingen, Tyskland) och innehåller även en mugghållare och en förvaringsbricka. Detta minskar monteringsstegen och delens vikt, och delen uppfyller krockkraven med endast en väggtjocklek på 1,4 mm/0,6 tum.
Carbon Conversions ser också behovet av att visa att RCF-produkterna kan uppfylla fordonstillverkarnas behov (i figur 8 jämförs RCF-materialen med äldre material). Mauhar säger: ”Vi samarbetar med Roctool Inc. för att demonstrera våra material i deras gjutprocesser med snabb cykeltid”. I detta syfte försöker RocTool förbättra hastigheten för RCF-värmeformning med hjälp av sin Light Induction Tooling (LIT). LIT använder ett induktionsuppvärmt (inga vätskor) och kylt stålverktyg och en silikonkärna med vakuumassistans för att gjuta delar utan förvärmning av förformar och med endast 8 bar lufttryck. RocTool säger att verktygen kostar en femtedel av de verktyg som används med traditionella metoder och att cykeltiderna är så korta som 105 sekunder.
De material som testats är bland annat PP, PET och PA12 med RCF- och andra fibrer, och enligt Mathieu Boulanger, ordförande för RocTool North America, erbjuder LIT både strukturerade och blanka ytor. Möjligheterna kan inkludera inmold-dekoration, och resultaten efter gjutning rapporteras inkludera noll förvridning, även med tunna (1-mm/0,04-tum) laminat. ”Möjligheten att gjuta tusentals delar per dag med hjälp av RCF-material kan verkligen förändra det nuvarande landskapet”, säger han. Mauhar tillägger att volymproduktion är ett måste om betydande procentandelar av återvunnet CFRP-avfall ska kunna återanvändas på ett framgångsrikt sätt och sluta cirkeln för kolkompositers hållbarhet.
Ekta framsteg = riktiga delar
CFK:s Rademacker tror att användningen av CF kommer att öka, särskilt i autokompositer, där BMW tydligt har visat värdet av både nyfiber och återvunnet produktionsavfall, var och en optimerad i enlighet med detta. ”De kommer att överföra detta till sina serieprodukter för användning i delstrukturer”, förutspår Rademacker. SGL ACF säger att 10 % av den CFRP som används i BMW:s i-bilar är återvunnen, och BMW har redan förklarat att man kommer att tillämpa sin CFRP-teknik utöver sina i- och M-modeller. ”Här finns det möjligheter även för återvunnen kolfiber.” Han ser också att andra inom bilindustrin tittar alltmer på termoplasttillämpningar. BMW:s chef för lättviktskonstruktion Franz Storkenmaier, som citerats flitigt av pressen inom bilindustrin, har nämnt sätesramar, instrumentpanelramar och reservhjul som RCF-mål och berättade nyligen för tidningen Auto Express: ”Kolfiber är ett dyrt material att arbeta med, men om man använder produktionsavfall är det en annan kostnadsstruktur än att bearbeta rå kolfiber.”
Förvisso har Carbon Conversions utvecklat en innerkåpa för ett fordon i medelstor volym som håller på att färdigställas för OEM-demonstration. Företaget ser potential för fler tillämpningar i lyxmodeller. Det har också lämnat in en offert till en Tier 1-leverantör för en SUV som produceras vid 500 000 fordon/år. ”Det här är en interiördel med hjälp av vår Co-DEP-process och termoplastiska fibrer, som kan blandas med RCF och andra fibrer”, förklarar Mauhar och hävdar att Carbon Conversions erbjuder en 30 % lättare, kostnadsneutral ersättning för den naturfiber/termoplast som används för dörrinneslutningar och interiöra stödstrukturer i Europa, och en 40 % lättare, kostnadsneutral ersättning för den formsprutade akrylnitril-butadienstyren (ABS) som används i USA.USA
Men Rademacker säger att flera problem fortfarande hindrar ett utbrett införande av RCF. Att bara arbeta med stora producenter av CF-avfall, hävdar han, är inte fördelaktigt eftersom de redan har etablerade leverantörsbaser som de inte är intresserade av att störa eftersom materialen och leverantörerna redan är kvalificerade. Han föreslår att möjligheterna i stället ligger hos stora avfallskällor som också behöver nya former av råmaterial för CF – former som fortfarande måste förfinas och kvalificeras. Detta är en stor anledning till att återvinningsföretag riktar in sig på bilindustrin. Dessutom är kunderna av nyfiber vana vid att specificera styrka och modulus. ”Jag kan sortera det inkommande avfallet och påverka RCF-egenskaperna”, förklarar Rademacker, ”men industrin behöver tillämpningar som passar de produkter som vi kan leverera, baserat på de redan etablerade avfallsströmmarna. Konstruktörerna måste tänka på var dessa produkter kan användas”, tillägger han, ”Vi måste fortfarande utveckla en bättre förståelse för vad RCF-produkterna kommer att ge i de slutliga delarna”.
Redaktörens anmärkning: Läs mer om solvolys och andra alternativ för återvinning av kolfibrer i ”Återvinning av kolfiberförstärkta polymerer för strukturella tillämpningar: Technology review and market outlook”, författad av Soraia Pimenta och Silvestre Pinho | Kopior kan beställas här.
RELATERAT INNEHÅLL
-
Tillverkningen av kolfiber
En titt på den process genom vilken prekursor blir till kolfiber genom en noggrann (och mestadels proprietär) manipulation av temperatur och spänning.
-
Material & Processer: Fibrer för kompositer
Kompositmaterialens strukturella egenskaper härrör främst från fiberförstärkningen. Fibertyper, deras tillverkning, användningsområden och de slutmarknadsapplikationer där de används mest beskrivs.
-
Det första kommersiella tryckkärlet av typ V i komposit
Composites Technology Developments första kommersiella tank i kategorin typ V förebådar tillväxten av filamentlindning för lagring av komprimerade gaser.