Kreislaufwirtschaft und Recycling werden immer wichtiger

Als Ergebnisse der 13. Composites-Markterhebung beschreibt Composites Germany, Berlin, den aktuellen Leichtbaumarkt so: „Im Bereich der Wachstumstreiber im Composites-Markt gibt es eine zentrale Änderung. Wurden in den letzten Befragungen stets der Automobilbereich und die Luftfahrt als die Anwendungsbereiche eingeschätzt, von denen maßgebliche Wachstumsimpulse erwartet werden, so dreht sich dieses Bild aktuell. Vor allem der Automobilbereich wird aktuell sehr kritisch betrachtet. Fast jeder zweite Befragte geht von einem Rückgang in diesem Anwendungssegment aus. Positive Impulse werden vor allem aus der Luftfahrt, vermehrt aber auch aus den Segmenten Infrastruktur/Bau, Maschinenbau sowie aus der Elektrik-/Elektronikindustrie erwartet. Materialseitig bleibt CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) der Wachstumstreiber Nummer eins. Regional behält Asien seine Dominanz als Region aus der wesentliche Wachstumsimpulse erwartet werden. Bei den Wachstumsimpulsen wird der deutsche und europäische Markt ein wenig besser bewertet als der nordamerikanische.“

Trotz der Marktaussichten werden beim Leichtbau die Themen Kreislaufwirtschaft und Recycling immer wichtiger. Engel, Schwertberg/Österreich (K 2019: Halle 15, C58) setzt daher auf durchgehend thermoplastbasierten Lösungen im Compositeleichtbau, da sie den Aufbau einer Kreislaufwirtschaft unterstützen. Während duroplastbasierte Faserverbundmaterialen nur sehr eingeschränkt recycelt werden können, lassen sich Compositematerialen aus Thermoplasten gut recyclen und tragen dazu bei, Stoffkreisläufe zu schließen. Das Design for Recycling schließt den späteren Recyclingprozess bereits beim Produktdesign mit ein. Das Engel Organomelt-Verfahren leistet einen wichtigen Beitrag für nachhaltige, effiziente Prozesse entlang der gesamten Wertschöpfungskette und ist erfolgreich im Einsatz. „Seit dem Start der ersten Serienanwendungen von Engel organomelt steigt die Nachfrage sowohl aus der Automobilindustrie als auch dem Flugzeugbau kontinuierlich an“, erklärt Dr. Norbert Müller, Leiter des Engel Technologiezentrums für Leichtbau Composites. „Gleichzeitig wird auf mehreren Ebenen weitergeforscht, um das Potenzial der neuen Materialien und Verfahren immer besser auszuschöpfen.“

Hochintegrierter Fertigungsprozess

In dem Organomelt-Verfahren werden thermoplastische Faserverbundhalbzeuge wie Organobleche und UD-Tapes umgeformt und funktionalisiert. Komponenten, wie zum Beispiel Versteifungsrippen oder Montageelemente, lassen sich unmittelbar nach dem Umformen mit einem Thermoplast aus der Werkstoffgruppe des Matrixmaterials anspritzen. Dies ermöglicht einen hochintegrierten und völlig automatisierten Fertigungsprozess – gleichzeitig vereinfacht das Verfahren eben das Recycling der Bauteile am Ende ihrer Nutzungsdauer. In Serie werden Organobleche unter anderem beispielsweise bereits bei Front Ends, Bremspedalen und Türmodulen eingesetzt.

Bei Tecnaro, Ilsfeld, (Halle 12/E19) sind sich die F&E Projektverantwortlichen Erna Muks, Dr. Michael Schweizer und Dr. Dirk Schawaller sicher: „Mit den im Projekt Bio4Self entwickelten selbstverstärkten Bio-Verbundwerkstoffen für tiefziehfähige, hochfeste, biopolymere Platten ist uns im Konsortium ein bedeutender Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft gelungen.“

Für die Herstellung dieser stabilen Biopolymer-Verbundplatten werden zwei verschiedene polylactidbasierte Arboblend-Compounds zu Multifilamenten (Fäden) mit unterschiedlichen Schmelzbereichen gesponnen und zu einem Garn verarbeitet. Ein Multifilament besteht aus einer niedrigschmelzenden, schlagzähen Arboblend-Rezeptur und bildet später die Polymermatrix. Das zweite Multifilament dient als Verstärkungsfaser und besteht aus einem hochschmelzenden, spinn- und verstreckbaren Arboblend-Compound mit hoher Steifigkeit. Beide Multifilamente werden nun zu einem Garn, dem sogenannten Hybridgarn verarbeitet, indem die jeweiligen Filamente von Verstärkungs- und Matrixfasern homogen im Querschnitt verteilt werden. Im nächsten Schritt werden aus diesen Garnen Gewebe oder technische Textilien. Diese biopolymeren Textilien werden dann in Konsolidierungspressen zu Platten verarbeitet, so dass die Verstärkungsfasern, basierend auf dem höherschmelzenden Arboblend-Compound, erhalten bleiben und so dem Bauteil eine hohe Festigkeit verleihen, während die Arboblend-Rezeptur mit dem niedrigen Schmelzbereich die Matrix bildet. Die Biopolymer-Verbundplatten können anschließend zu diversen Formteilen für verschiedenste Anwendungen gepresst oder tiefgezogen werden.

So wird auf spektakuläre Weise ein leichter, hochfester Bio-Faserverbundwerkstoff geschaffen, welcher nach dem Lebenszyklus ohne Trennung als sogenannter Einstoffverbund mit der höheren Schmelztemperatur wieder vollständig aufgeschmolzen und ganz problemlos recycelt und wiederverwendet werden kann. Ebenso können die Platten und Bauteile vollständig industriell biologisch abgebaut oder auch CO₂ neutral thermisch verwertet werden.

Idealer Leichtbau-Verbundwerkstoff

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein tragfähiges, sortenreines PE-Komposit hergestellt und qualifiziert. (Bildquelle: Fraunhofer IWM)

Polyethylen (PE) wäre ein ideales Material für den Leichtbau: energieeffizient, auch aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar, nahezu rückstandslos rezyklierbar. Wirklich mechanisch belastbar sind jedoch bisher nur PE-Bauteile, die als Komposite mit integrierten Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer IWM, Freiburg, (Halle 7/SC01), Mikrotribologie Centrum µTC, haben gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller (Halle 8a/D12 ) nun ein tragfähiges, sortenreines PE-Komposit hergestellt und qualifiziert. Der Clou: Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen ebenfalls aus PE und bilden sich sogar im Spritzguss selbst.

Jedoch können aus regulärem PE bis heute keine tragfähigen Bauteile hergestellt werden, da es als Werkstoff nicht widerstandsfähig genug ist. Zur Verstärkung werden bisher Füllstoffe genutzt, besonders Kohlenstoff- oder Glasfasern. Dabei verschlechtert sich die Energie-, Rohstoff-, Umwelt- und Kostenbilanz dramatisch: Die Herstellung sowie das Recycling sind erheblich erschwert und kostspielig. Eine Alternative bietet sogenanntes ultrahochmolekulares PE (UHMWPE). Dieser sortenreine, hochfeste und abriebbeständige Werkstoff lässt sich jedoch nicht im Spritzguss verarbeiten

Sortenreines PE-Komposit

Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung abgelegt. (Bildquelle: Fraunhofer IWM)

„Im Projekt SusCOMP forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen“, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter ‚Polymertribologie und biomedizinische Materialien‘ am IWM. „DSM spint zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneemafasern.“ Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, sei aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.

Die Lösung für diese Herausforderung fand Prof. Dr. Rolf Mülhaupt mit seinem Team am Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Albert-Ludwigs-Universität: Er platziert unterschiedliche Katalysatoren, mit deren Hilfe PE in verschiedenen Kettenlängen gezielt hergestellt werden kann, fein verteilt auf dem gleichen Katalysatorträger. An diesem Katalysator werden bei der folgenden Synthese des PE durch Ethylenpolymerisation gleichzeitig Mischungen aus nieder-, mittel- und ultrahochmolekularem PE hergestellt, sogenannte Reaktorblends. „Mit diesem Trick entstehen direkt bei der Polymerisation PE-Blends, die sich problemlos spritzgießen lassen“, erklärt Prof. Dr. Mülhaupt. Das Verfahren vermeidet hohe Viskositäten, die normalerweise eine Herausforderung sind, wenn ein hoher Anteil von UHMWPE-Molekülketten im Spritzguss verarbeitet werden soll. Die hohen Scherströmungen, die beim Spritzguss in schmale Spritzgussformen auftreten, sind dann dafür verantwortlich dass sich aus den ultrahochmolekularen Bestandteilen durch Selbstorganisation des Werkstoffs faserartige UHMWPE-Strukturen ausbilden. Diese Fasern verstärken das Bauteil, orientieren sich beim Spritzguss sogar in der gewünschten Richtung und sorgen so für mechanische Stabilität. Und diese Bauteile lassen sich gut wiederverwerten: Wir haben Proben davon insgesamt zehn Mal werkstofflich rezykliert und immer die gleich gute Qualität erhalten, da sich die gewünschten Werkstoffstrukturen durch Selbstorganisation immer erneut ausbilden“, so Prof. Dr. Mülhaupt.

Materialien mit Carbonfasern aus Algen

E-Scooter mit Trittbrett aus einem Verbundmaterial, das aus Granit und Carbonfasern aus Algen besteht. (Bildquelle: Andreas Battenberg/TUM)

Im Verbund mit heimischem Granit oder anderen Hartgesteinen ermöglichen Carbonfasern völlig neue Konstruktionsmaterialien und Baustoffe. Theoretische Berechnungen zeigen: Werden die Carbonfasern aus Algenöl hergestellt, entzieht die Herstellung der innovativen Materialien der Atmosphäre mehr Kohlendioxid als dabei freigesetzt wird. Ein von der Technischen Universität München (TUM) angeführtes Forschungsprojekt soll diese Technologien nun weiter voranbringen.

Ziel des heute gestarteten Projekts mit dem Titel „Green Carbon“ ist es, auf Algenbasis Herstellungsverfahren für Polymere und carbonfaserbasierte Leichtbaumaterialien zu entwickeln, die beispielsweise in der Flug- und Automobilindustrie eingesetzt werden können.

Durch ihr schnelles Wachstum können Mikroalgen, wie sie im weltweit einzigartigen Algentechnikum auf dem Ludwig Bölkow Campus der TU München kultiviert werden, das Treibhausgas CO₂ aktiv in Form von Biomasse speichern. Das CO₂ wird unter anderem in Form von Zuckern und Algenöl gebunden. Aus diesen können mit chemischen und biotechnologischen Prozessen Ausgangsstoffe für verschiedenste industrielle Prozesse gewonnen werden.

Ölbildende Hefen erzeugen beispielsweise aus den Algenzuckern Hefeöl, ein Ausgangsstoff für nachhaltige Kunststoffe. Außerdem lässt sich das Hefeöl enzymatisch in Glycerin und freie Fettsäuren spalten. Die freien Fettsäuren sind Ausgangsmaterial für weitere Produkte, unter anderem hochwertige Additive für Schmierstoffe; das Glycerin lässt sich in Carbonfasern umwandeln.

Im weiteren Verlauf des Projekts werden die Kunststoffe mit den Carbonfasern zu entsprechenden Verbundmaterialien zusammengeführt. „Die aus Algen hergestellten Carbonfasern sind absolut identisch mit den derzeit in der Industrie eingesetzten Fasern“, sagt Projektleiter Thomas Brück, Professor für Synthetische Biotechnologie an der TU München. „Sie können daher für alle Standardprozesse im Flugzeug- und Automobilbau genutzt werden.“

Darüber hinaus lassen sich aus Carbonfasern und Hartstein mit einem Verfahren des Industriepartners Technocarbon Technologies neuartige Konstruktionsmaterialien herstellen. Sie haben nicht nur eine negative CO₂-Bilanz, sondern sind leichter als Aluminium und stabiler als Stahl.