Es waren zahlreiche Versuche nötig, bis das Skateboard den richtigen Pop hatte. (Bild: Kape)
Ob man Gebirgshänge herabschwingt, Wellen reitet oder als Skater urbane Räume unsicher macht: Es sind Boards, die ein Gefühl des Gleitens und Schwebens vermitteln. Dabei stehen wir – je nach Können mehr oder weniger lang – immer auf flächigen Aufbauten mit abrieb-/wasserfesten Hüllen und innenliegenden Holz- oder Schaumkernen, oft mit verbundbedingt begrenzten Recyclingoptionen.
Einen nachhaltigeren Weg hat das österreichische Start-up Kape eingeschlagen und nach fünfjähriger Entwicklung im Sommer 2024 das innovative Skateboard „The Vanguard“ vorgestellt. Als ‚One-material‘-Sandwich entsteht es durch Infusion einer lastgerecht gelegten Glasfaserstruktur mit Caprolactam, einem aus alten Fischernetzen hergestellten PA6-Vorprodukt. Das Shape wird hierbei durch einen Kern bestimmt, der aber nicht nur als bloßer Platzhalter dient, sondern zentrale Aufgaben im Gesamtsystem übernimmt. Möglich ist dies durch eine ausgefeilte Geometrie und den Einsatz eines neuartigen, aus expandierten Polymerperlen bestehenden Polyamidschaums unter der verstärkten Außenhaut [1].
Wie eingeschlossene Luft für Mechanik sorgt
Allgemein kombinieren Partikelschäume wie EPS oder EPP eine vergleichsweise gute Mechanik bei geringen Raumgewichten von 10 bis 400 g/l (entspricht kg/m³). Durch ihre zelluläre Struktur haben sie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und werkstoffspezifisch hervorragende Dämpfungs- beziehungsweise Elastizitätseigenschaften, woraus ihre angestammten Anwendungsfelder in der Gebäudedämmung, bei Verpackungen oder auch für persönliche Schutzausrüstung wie Fahrradhelme resultieren. Dazu kommt ein dichtebedingt deutlich reduzierter CO2-Fußabdruck, weil viel weniger Kunststoffeinsatz erforderlich ist: Dämmblöcke bestehen nur zu etwa 2 bis 3 % aus Polystyrol, die eine Vielzahl dünnwandiger Zellen bilden; der Rest ist eingeschlossene Luft.
Die konventionelle Herstellungskette ist mehrschrittig – vom Mikrogranulat über die Schaumperle zum eigentlichen Bauteil – wobei meist Heißdampf als Wärmeträger und Wasser zum Kühlen der stets variothermen Fertigungsprozesse verwendet wird. Bei amorphen Basispolymeren, die auf Grund ihrer in der Regel breiteren thermischen Verarbeitungsfenster prinzipiell besser zum Schäumen geeignet sind, kommen oft organische, brennbare, Treibmittel wie Pentan oder Butan zum Einsatz.
Die in den Segmenten Automobil, Verpackung und Klimatechnik verbreitete Ausnahme ist expandiertes Polypropylen, ein teilkristalliner Thermoplast, der herstellerseitig als Schaumperlen unterschiedlicher Schüttdichten ausgeliefert wird und vor dem Weiter- beziehungsweise Formschäumen oft mit Luft druckbeladen wird, um eine, wenn auch zeitlich begrenzte, Nachexpansion zu ermöglichen.
Eine Etage weiter oben auf der Thermoplastpyramide befinden sich die Polyamide mit nochmals signifikant höheren Einsatztemperaturen. Mit dem Ultramid Expand [2] hat die BASF Schaumperlen auf den Markt gebracht, die aus einer Kombination mehrerer PA6-Typen bestehen und sich auf konventionellen Formteilautomaten zu hoch-/hitzefesten und gegen im Automobil gebräuchliche Betriebsstoffe gut beständigen Bauteilen mit Dichten im Bereich 300 bis 400 g/l verschweißen lassen. Für eine Pralldämpferapplikation aus EPA erhielten dieser Rohstoffhersteller und Mercedes-Benz einen der SPE-Awards 2024 (2. Platz, Kategorie: „Enabler Technology“) [3].
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Auf den Pop kommt es an
Genau dieser technische Partikelschaum findet im Sinne einer verwertungsgeeigneten Ein-Stoff-Lösung und wegen seines mechanischen Eigenschaftsprofils im Grundaufbau des „The Vanguard“-Skateboards Verwendung. Dies erscheint zunächst logisch bis naheliegend, hat sich im Zuge der praktischen Erprobung erster Prototypen jedoch als ‚kernige‘ Herausforderung entpuppt: Jeder erfahrene Boarder, ob nun versierter Gelegenheitsfahrer oder professioneller Rider, ist ein bestimmtes Verhältnis von Mechanik und Gewicht seines Sportgeräts gewohnt.
Dieses äußert sich unter anderem im Rückfederungsverhalten des Skateboard-Decks, wenn einen der Pop bei Tricks vom Boden abheben lässt. „Hier fühlten sich die aus Originalmaterial mit einem Schüttgewicht von 290 g/l geschäumten Kerne unnatürlich schwer an“, erläutert Peter Karacsonyi, der Entwickler des Boards. Es galt also, die Formschäumkavitäten für die zentrale Tragstruktur mit deutlich leichteren Schaumperlen zu füllen.
Drybead
Drybead ist eine ressourcenschonende Wertschöpfungskette zum Herstellen, Veredeln und Verarbeiten anwendungsspezifisch modifizierter Partikelschäume. Sie basiert auf modularer, werkstoffflexibler und dampf-/wasserfreier Anlagentechnik für alle Prozessschritte vom kompakten Kunststoffgranulat bis zum in-situ-funktionalisierten Formteil.
Hier kommt Fox Velution als Entwicklungspartner hinzu, der mit ‚Drybead‘ eine ressourcenschonende Wertschöpfungskette für Partikelschäume aller Art entwickelt [4] und zusammen mit Partnern industrialisiert hat. Ein Verfahrensschritt ist dabei die trockene Weiterexpansion (2nd pass) druckbeladener Schaumperlen. Diese sorgt für gleichbleibende Perlenqualität, werkstoffliche Flexibilität und erhebliche Primärenergieeinsparungen gegenüber dem dampfbasierten Verfahrenspendant.
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So werden Schaumperlen leichter
Zunächst muss im Ausgangsmaterial ein erhöhter Innendruck erzeugt werden. Dies erfolgt in reinigungsfreundlichen, ebenfalls energieeffizienten und gemäß Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU [5] bis 15 bar und 80 °C prüfpflichtfreien Röhrensystemen („Beadpipe Air“). Eine patentierte Beadjet-Einheit zum Fördern und geräuscharmen Entspannen führt das druckbeladene Schüttgut batch-weise dem Dosierer des Infrarotdurchlaufofens zu.
Die auf einem Förderband gleichmäßig verteilten Schaumperlen werden dann für nur wenige Sekunden Metallfolienstrahlern mit angepasstem Emissionsspektrum ausgesetzt, was zu einer schlagartigen Volumenerwärmung auf über 200 °C und einer druckbedingten Expansion der erweichten Polymermatrix führt. Durch umgehende Abkühlung wird die gezoomte Zellstruktur ohne stoffliche Nebenwirkungen wie Veränderung der Kristallinität oder thermo-oxidative Schädigung eingefroren – eine Auslagerung vor der Weiterverarbeitung ist nicht erforderlich. Je nach Rezept, also Parametrierung von Druckbeladung und IR-Exposition, werden Nachschäumgrade von bis zu 3,0 erreicht, was mit einer Dichtereduktion auf ein Drittel gleichzusetzen ist.
Die nachfolgende Formgebung ist aufgrund der leicht vergrößerten EPA-Perlen fülltechnisch etwas herausfordernder, ermöglicht aber auch bei reduzierter Formteildichte eine gute Verschweißung und nahezu zwickelfreie, also glatte und geschlossene, Oberflächen. Optische Analysen am Sandwich bestätigen im Polyamidschaumkern eine weiterhin feinzellige Morphologie, die für die Performance des Skateboards essenziell ist.
Wie geht es nun weiter?
Die Partner setzen ihren Weg gemeinsam fort, denn mittelfristig erscheint ein Technologietransfer auf weitere Boardsportarten oder auch Sandwichaufbauten in ganz anderen Anwendungssegmenten möglich. Kape hat mittlerweile die dritte Serie des „The Vanguard“ produziert, optimiert das Fertigungsequipment und passt das Grafikdesign an. BASF sieht Einsatzgebiete für expandiertes Polyamid auch in automobilen Anwendungen.
Deshalb wurde eine schwarz eingefärbte, wärmestabilisierte Type mit einem Perlendurchmesser von 1,0 mm (statt 2,5 mm) für filigranere Schaumstrukturen entwickelt. Bei Fox Velution stehen hingegen die Skalierung, sowie material- und anwendungsspezifische Evaluierungen der Drybead-Kette im Fokus, da sich diese auch zum Vor- und Weiterschäumen von pentanfreiem EPS, biobasierten Thermoplasten, technischen Partikelschäumen und selbst zellulären Hochtemperaturkunststoffen anbietet.
Quelle: Fox Velution
Literatur
[1] plastverarbeiter.de/markt/kape-praesentiert-nachhaltige-skateboards-mit-super-pop-810.html, abgerufen am 28.01.2025
[2] plastics-rubber.basf.com/emea/de/performance_polymers/industries/pp_automotive/applications/application_chassis/polyamide_particle_foam, abgerufen am 28.01.2025
[3] plastverarbeiter.de/markt/wer-wurde-mit-dem-spe-automotive-award-2024-praemiert-630.html, abgerufen am 28.01.2025
[4] Vetter, J., Physikalisches Schäumen mit CO2: Die ‚DryBead‘-Prozesskette, SKZ-Fachtagung „Polymerschäume“, Würzburg, 9. bis 10. April 2024
[5] Richtlinie 2014/68/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 15. Mai 2024 zur Harmonisierung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über die Bereitstellung von Druckgeräten auf dem Markt, aktuelle Fassung: 17. Juli 2014 (eur-lex.europa.eu/legal-content/de/ALL/?uri=CELEX%3A32014L0068)
