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rCF-UD-Tapes in thermoplastischen Verbundwerkstoffen: Vom Recyclingfasern zur Strukturanwendung

Wie rCF-UD-Tapes hergestellt werden, woher die Fasern stammen, wie sie im Vergleich zu Primärfasern abschneiden und wo sie in strukturellen Thermoplast-Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können. [Bild: fenix composites]
23. August 2026 durch
Alformet GmbH, Lucas Ciccarelli

Das Carbonfaser-Abfallproblem — und eine strukturelle Antwort

Jedes Jahr entstehen weltweit zehntausende Tonnen carbonfaserverstärkter Kunststoffabfälle (CFK-Abfälle) — aus Fertigungsresten der Luftfahrt, ausgedienten Flugzeugbauteilen, stillgelegten Windrotorblättern und Sportartikeln. Bis vor Kurzem landete der Großteil dieses Materials auf der Deponie oder wurde in minderwertige Füllstoffanwendungen downgecycelt. Die intrinsischen Eigenschaften der Carbonfaser — Eigenschaften, deren Herstellung 198 bis 595 MJ/kg Energie erfordert — wurden dabei schlicht verworfen.

Die Frage, mit der die Verbundwerkstoffindustrie seit über einem Jahrzehnt ringt, lautet: Können recycelte Carbonfasern (rCF) wieder in strukturellen Anwendungen eingesetzt werden? Und konkreter: Lässt sich aus ihnen ein Halbzeug herstellen, das in automatisierten Fertigungsprozessen mit Primärfasern konkurrieren kann?

Die Antwort lautet zunehmend: Ja — und der entscheidende Schlüssel dazu ist das rCF-Unidirektional-Tape (UD-Tape).

Woher die Fasern stammen: Recyclingverfahren und Ausgangsmaterial

Bevor ein rCF-UD-Tape hergestellt werden kann, muss die Faser zunächst aus ihrer ursprünglichen Verbundmatrix zurückgewonnen werden. Es gibt drei wesentliche Recyclingverfahren, die sich in ihren Auswirkungen auf die Faserqualität deutlich unterscheiden:

Pyrolyse ist das industriell am weitesten etablierte thermische Verfahren. Der CFK-Abfall wird in einer kontrollierten Atmosphäre (typischerweise 450–600 °C) erhitzt, wobei die Polymermatrix abbrennt und die Carbonfasern zurückbleiben. Pyrolyse kann 80–90 % der ursprünglichen Zugfestigkeit und des Elastizitätsmoduls erhalten und ist sowohl für duroplastische als auch thermoplastische Abfälle geeignet. Das Verfahren verbraucht ca. 30–49 MJ/kg — ein Bruchteil der 262–464 MJ/kg, die für die Herstellung von Primärfasern benötigt werden. Industrielle Anbieter wie CarboNXT operieren auf diesem Niveau.

Solvolyse verwendet chemische Lösungsmittel — häufig subkritisches oder superkritisches Wasser, Alkohole oder Glykole — um die Matrix bei niedrigeren Temperaturen aufzulösen. Der Fasererhalt kann hoch sein (bis zu 90–95 % Zugfestigkeit in bestimmten Solvolyserouten), und das Verfahren ist schonender gegenüber der Faserschlichte. Allerdings ist die Solvolyse im Vergleich zur Pyrolyse mit einer deutlich höheren Umweltbelastung durch Lösungsmittelchemie und Gesundheitsauswirkungen verbunden.

Mechanisches Recycling (Schreddern, Mahlen) erzeugt die kürzesten Fasern mit dem größten Eigenschaftsverlust. Es ist der am wenigsten geeignete Weg für die Herstellung struktureller UD-Tapes und wird in der Regel für nicht-strukturelle Spritzgusscompounds verwendet.

Ein entscheidender Faktor für die Ausgangsmaterialqualität ist die Herkunft des Abfalls: Fertigungsreste (sogenannte Trockenfaserabfälle oder Prepreg-Verschnitt) liefern tendenziell längere, sauberere Fasern mit besserem Schlichterhalt als End-of-Life-Verbundbauteile, die mehrere Harzsysteme und Verunreinigungen enthalten können.

Wie rCF-UD-Tapes hergestellt werden: Chaos in Struktur überführen

Die grundlegende Herausforderung bei recycelten Carbonfasern besteht darin, dass sie aus dem Recyclingprozess in einem verworrenen, ungeordneten Zustand hervorgehen — weit entfernt von dem perfekt parallelen, kontinuierlichen Rovingfaden einer Primärfaserspule. Die Überführung dieses ungeordneten Materials in ein leistungsfähiges UD-Tape erfordert einen mehrstufigen textiltechnischen Prozess.

Forschungseinrichtungen wie die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) und die Technische Universität Dresden (TU Dresden) haben über 15 Jahre damit verbracht, diese Prozesskette zu entwickeln und zu verfeinern. Der Ansatz, der u. a. im BMBF-geförderten Projekt Infinity demonstriert wurde, umfasst typischerweise folgende Schritte:

  1. Öffnen und Mischen: Die rCF wird mechanisch geöffnet und mit thermoplastischen Matrixfasern (häufig Polyamid 6, PA6) in einem definierten Verhältnis gemischt, um den angestrebten Faservolumengehalt zu erreichen.

  2. Kardieren: Eine modifizierte Krempelmaschine richtet die gemischten Fasern zu einem Faserband aus — einem kontinuierlichen, locker orientierten Faserbündel.

  3. Verstrecken: Das Faserband durchläuft eine Reihe von Streckwalzenpaaren, die die Fasern schrittweise in Längsrichtung ausrichten. Ein Heißluftgebläse schmilzt den thermoplastischen Anteil partiell an und ermöglicht so die Konsolidierung zwischen den Walzenstufen.

  4. Tapebildung und Fixierung: Das verstreckte, orientierte Faserband wird zu einem flachen Tape konsolidiert. Die thermoplastischen Fasern schmelzen und erstarren wieder, wodurch die rCF in einer hochorientierten Konfiguration fixiert wird.

  5. Kantenbesäumung: Die Tapekanten werden besäumt, um eine gleichmäßige Breite zu erzielen — ein kritisches Merkmal für die nachgelagerte automatisierte Verarbeitung.

Das Ergebnis ist ein thermoplastisches UD-Halbzeug, das vollständig aus recyceltem Ausgangsmaterial besteht. Praktiker wie Philipp Huber von Fenix Composites (Flensburg) haben maßgeblich dazu beigetragen, den praktischen Einsatz solcher Tapes zu demonstrieren — unter anderem in gewickelten thermoplastischen Rohren für Fahrradrahmen — und die realen ingenieurtechnischen Herausforderungen bei der Verarbeitung von rCF in strukturellen Anwendungen zu dokumentieren.

Qualitätssicherung: Die zentrale Herausforderung bei rCF-Tapes

Anders als Primärfasertapes, die aus einem einzigen, streng kontrollierten Ausgangsstoff stammen, erben rCF-Tapes die Variabilität ihres Ausgangsmaterials. Dies macht Qualitätssicherung nicht nur wichtig — sie ist die definitorische ingenieurtechnische Herausforderung dieses Materials.

Wesentliche Qualitätsparameter sind:

  • Faserlängenverteilung: Recycling verkürzt Fasern zwangsläufig. Der Kardier- und Verstreckensprozess beeinflusst die endgültige Faserlänge zusätzlich. Längere Fasern (>20 mm) sind für eine effektive Lastübertragung in strukturellen Anwendungen entscheidend.

  • Konsistenz des Faservolumengehalts (FVG): Schwankungen im FVG über Tapebreite oder -länge wirken sich direkt auf die Streuung der mechanischen Eigenschaften aus. Vliese aus rCF erreichen typischerweise FVG-Werte bis ca. 35 %; hochorientierte rCF-Tapes können diesen Wert überschreiten, erfordern jedoch eine anspruchsvolle Prozesskontrolle.

  • Faserorientierung / Orientierungsverteilung: Der Grad der Faserorientierung — quantifizierbar über Methoden wie Mikro-CT oder Bildanalyse — ist der wichtigste Einflussfaktor auf Steifigkeit und Festigkeit von rCF-Tapes in der Ebene.

  • Restmatrixverunreinigung: Unvollständige Pyrolyse hinterlässt Rußablagerungen auf den Faseroberflächen, die die Grenzflächenhaftung reduzieren. Die Faserschlichte geht beim Recycling häufig verloren oder wird beschädigt, was durch Neuschlichtung oder Oberflächenbehandlung kompensiert werden muss.

  • Gleichmäßigkeit von Breite und Dicke: Unabdingbar für automatisierte Tapelegungs- oder Tapewickelprozesse.

Forschungsgruppen haben Inline-Qualitätsmesssysteme entwickelt — darunter neuartige optische Prüfgeräte, die im Rahmen des deutschen Forschungsprojekts rCF-Tape entwickelt wurden —, um die Tapequalität gegenüber Primärmaterial-Benchmarks unter produktionsnahen Bedingungen zu bewerten. Die Standardisierung von Qualitätsstufen für rCF-Tapes bleibt eine offene Aufgabe für die Branche.

Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Primärfasern: Was die Daten tatsächlich zeigen

Die ehrliche Antwort lautet: rCF-UD-Tapes erreichen nicht das Niveau von Primärfaser-Verbundwerkstoffen — aber der Abstand ist geringer als allgemein angenommen, und er wird kleiner.

Das Infinity-Tape des DITF erzielte 88 % der Zugfestigkeit und des Zugmoduls eines vergleichbaren Primärfaserprodukts. Das ist ein bedeutsames Ergebnis: Es zeigt, dass hochorientierte rCF-Tapes nicht länger auf nicht-strukturelle Anwendungen beschränkt sind. Weitere Studien berichten:

  • Pyrolytisch zurückgewonnene Fasern behalten 80–90 % der Zugfestigkeit und des Moduls von Primärfasern auf Einzelfaserebene.

  • Verbundlaminate aus solvolytisch zurückgewonnenen Fasern erreichen bis zu 93 % des Eigenschaftsniveaus gegenüber virgin CFK.

  • rCF-UD-Tapes, die mittels AFP verarbeitet wurden, zeigen Zug- und Biegeeigenschaften, die sich mit jeder Prozessverbesserungsiteration verbessern.

Die wesentlichen Ursachen für den Leistungsabfall sind:

  • Kürzere Faserlänge → reduzierte Spannungsübertragungseffizienz

  • Degradierte oder fehlende Schlichte → schwächere Faser-Matrix-Grenzfläche

  • Fehlausrichtung der Fasern → geringere Steifigkeit in der Ebene

  • Höherer Poren- bzw. Hohlraumanteil → Spannungskonzentrationspunkte

Entscheidend ist: Steifigkeit (Modul) bleibt besser erhalten als Festigkeit. Für Anwendungen, bei denen Verformungskontrolle und das Steifigkeits-zu-Gewichts-Verhältnis die primären Auslegungstreiber sind — Druckbehälterumwicklungen, Strukturrohre, Versteifungsprofile — sind rCF-UD-Tapes eine technisch glaubwürdige Option. Für Anwendungen, die eine maximale Zugfestigkeit auf Laminatebene erfordern, muss der Leistungsabstand durch sorgfältige Auslegung kompensiert werden.

Einfluss auf die Bauteilauslegung: Mit rCF von Anfang an konstruieren

Der Einsatz von rCF-UD-Tapes ist keine einfache Materialsubstitution — er erfordert einen Wandel in der Konstruktionsphilosophie. Philipp Huber von Fenix Composites bezeichnet dies als End-of-Life-gerechtes Design: die Idee, dass Recyclingfähigkeit und der Einsatz von Recyclingmaterial bereits in den frühesten Phasen der Produktentwicklung berücksichtigt werden müssen — und nicht erst am Lebensende des Bauteils nachträglich eingebaut werden können.

In der Praxis bedeutet die Auslegung mit rCF-UD-Tapes:

  • Abminderungsfaktoren anwenden: Bemessungsgrenzwerte müssen die reduzierten und stärker streuenden mechanischen Eigenschaften von rCF widerspiegeln. Sicherheitsmargen sind auf Basis rCF-spezifischer Prüfdaten zu definieren — nicht durch einfaches Skalieren von Primärfaser-Datenblättern.

  • Die thermoplastische Matrix nutzen: Die thermoplastische Natur von rCF-UD-Tapes ermöglicht Schweißen, Umformen und End-of-Life-Recycling — einen geschlossenen Kreislauf, den duroplastbasierte rCF-Produkte nicht bieten können. Das ist ein echter Konstruktionsvorteil.

  • Lagenaufbau: Da rCF-Tapes kürzere, diskontinuierliche Fasern enthalten, müssen Lastpfade konservativ ausgelegt werden. Quasi-isotrope oder Mehrwinkel-Lagenaufbauten können die geringere unidirektionale Festigkeit im Vergleich zu Endlosfasertapes kompensieren.

  • Hybridansätze: Die Kombination von rCF-UD-Tape-Lagen mit Endlosfasertapes aus Primärmaterial in kritischen Lastzonen ist eine pragmatische Strategie, die Materialkosten und CO₂-Fußabdruck reduziert und gleichzeitig die strukturelle Integrität dort erhält, wo sie am meisten gebraucht wird.

  • Fügen und Montage: Der von Fenix Composites demonstrierte Muffenrahmen-Ansatz — rCF-thermoplastische Rohre kombiniert mit topologieoptimierten, 3D-gedruckten Titanmuffen — zeigt, wie modulare Konstruktionsstrategien rCF-basierte Strukturen sowohl reparierbar als auch recycelbar machen können.

Wo rCF-UD-Tapes eingesetzt werden können — und warum

Die Anwendungen, die am besten für rCF-UD-Tapes geeignet sind, teilen ein gemeinsames Profil: steifigkeitskritisch, moderate Lasten, hohe Stückzahl oder kostensensitiv, mit Nachhaltigkeit als Beschaffungstreiber.

Strukturbauteile im Automobilbau: Sitzstrukturen, Bodenplatten, B-Säulenverstärkungen und Türaufprallträger sind starke Kandidaten. Die Automobilindustrie unterliegt gesetzlichen Recyclingquoten von 95 %, was einen regulatorischen Anreiz für rCF-basierte Lösungen schafft. Pressgespritzte Organobleche aus rCF-Stapelfasergarnen wurden für dieses Segment bereits an der TU Kaiserslautern demonstriert.

Fahrradrahmen und Sportgeräte: Fenix Composites hat einen vollständig recycelbaren

Rennradrahmen aus rCF-thermoplastischen Rohren demonstriert, die

aus rCF/PA6-Tapes geflochten wurden — eine direkte Anwendung des

Rohrherstellungsprozesses, der für Alformets LATW-Prozess relevant ist. Der Rahmen

wurde mit dem JEC Innovation Award ausgezeichnet — ein Signal der Branchenanerkennung.

Industrielle Druckbehälter und Umwicklungen: Das Tapewickeln von rCF-Thermoplasttape über einen Liner — wie vom Fraunhofer IPT im Kontext des Wasserstoffdrucktank-Recyclings demonstriert — stellt eine direkte Anwendung von LATW-ähnlichen Prozessen dar. Der Modulerhalt von rCF-Tapes macht sie für umfangsdominierte Wickelmuster geeignet.

Rotor- und Statorbandagen: In Elektromotorenanwendungen, bei denen die primäre Belastung Umfangsspannung ist (Einschluss rotierender Magnete), ist der Modulerhalt von rCF-Tapes ausreichend — und die Kosten- und Nachhaltigkeitsvorteile sind kommerziell überzeugend.

Prototypen und Kleinserienprofile: Für High-Mix/Low-Volume-Anwendungen, bei denen Kostensensitivität und Lieferzeitflexibilität wichtiger sind als maximale Leistung, bieten rCF-UD-Tapes eine tragfähige Alternative zu Primärfasern — insbesondere wenn das Bauteil von Anfang an mit angemessenen Sicherheitsmargen ausgelegt wird.

Kommerzielle Verfügbarkeit: Noch kein Massenmarkt

Trotz des wissenschaftlichen Fortschritts muss an dieser Stelle eine wichtige Einschränkung formuliert werden: rCF-UD-Tapes in thermoplastischer Ausführung sind aktuell noch nicht kommerziell verfügbar — zumindest nicht in einer Form, die eine industrielle Serienverarbeitung erlaubt. Was existiert, sind Forschungsmuster, Projektdemonstratoren und kleinskalige Entwicklungschargen aus universitären und institutionellen Prozessketten. Anbieter wie V-Carbon (Taufkirchen) arbeiten an der Industrialisierung, und Projekte wie Infinity (DITF/BMBF) haben die technische Machbarkeit eindrucksvoll belegt — aber ein standardisiertes, auf Rolle lieferbares rCF-UD-Thermoplasttape mit definierten Materialdatenblättern und Qualitätsgarantien sucht man heute noch vergebens.

Das ist kein Nischendetail — es ist die zentrale Hürde für jeden OEM oder Tier-1-Lieferanten, der rCF-UD-Tapes in seine Prozesskette integrieren möchte. Ohne zuverlässige Materialversorgung, ohne reproduzierbare Chargenqualität und ohne Zertifizierungsgrundlage bleibt der Einsatz auf F&E-Kontexte beschränkt. Die Industrie beobachtet die Entwicklung aufmerksam — aber der Schritt vom Labor zur Lieferkette steht noch aus.

Fazit: Ein Material, dessen Zeit gekommen ist

rCF-UD-Tapes sind keine Laborraritäten mehr. Die Prozesskette — von der pyrolytisch zurückgewonnenen Faser über Kardieren und Verstrecken bis zur Tapekonsolidierung — ist reif genug, um thermoplastische Halbzeuge für strukturelle Anwendungen herzustellen. Der Leistungsabstand gegenüber Primärfasern ist real, aber quantifiziert und durch intelligente Auslegung beherrschbar.

Was rCF-UD-Tapes im Kontext der thermoplastischen Verbundwerkstoffherstellung besonders attraktiv macht, ist die Übereinstimmung zweier Trends: die wachsende Verfügbarkeit hochwertiger rCF-Ausgangsmaterialien aus reifenden Recyclingindustrien und die inhärente Recyclingfähigkeit thermoplastischer Matrizes. Zusammen schaffen sie die Voraussetzungen für ein wirklich zirkuläres Materialsystem — eines, in dem die Faser zurückgewonnen, neu ausgerichtet, zu einem Tape konsolidiert, zu einem Strukturbauteil gewickelt und am Lebensende erneut zurückgewonnen werden kann.

Für Hersteller und OEMs, die rCF-UD-Tapes evaluieren, ist der entscheidende erste Schritt kein Materialtest — sondern ein Konstruktionsgespräch. Das Potenzial des Materials entfaltet sich nur dann vollständig, wenn End-of-Life-Denken von Anfang an in die Auslegung eingebettet ist.

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