Aus der Branche

Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende und für nachhaltiges Wirtschaften. Nach der Auflösung der Landesagentur Leichtbau GmbH vertritt nun ein Konsortium aus Allianz faserbasierter Werkstoffe (AFBW), Leichtbauzentrum Baden-Württemberg (LBZ e.V. -BW) und Composites United Baden-Württemberg (CU BW) die Interessen der Leichtbau-Community im Bundesland.

Dafür wurde im Auftrag und mit Unterstützung des Landes die „Geschäftsstelle Leichtbau für Baden-Württemberg“ eingerichtet. Als Leichtbau-Allianz BW ist sie die zentrale Anlaufstelle für alle Akteure im Bereich Leichtbau und nimmt deren Interessen auf nationaler und internationaler Ebene wahr. Die Vertretung der Geschäftsstelle übernimmt Professor Markus Milwich von den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF).

Durch den Einsatz leichterer Materialien im Zusammenspiel mit neuen Produktionstechnologien wird der Energieverbrauch im Verkehr, in der verarbeitenden Industrie und im Bauwesen wesentlich reduziert. Durch den Einsatz neuer Werkstoffe und Materialien können Ressourcen eingespart werden. Als Querschnittstechnologie deckt Leichtbau die Herstellung und Nutzung bis hin zum Recycling und zur Wiederverwendung ab.

Ziel der Landesregierung ist es, Baden-Württemberg als Leitanbieter für innovative Leichtbautechnologien zu etablieren, um die heimische Wirtschaft zu stärken und hochwertige Arbeitsplätze zu sichern.

Die „Leichtbau-Allianz Baden-Württemberg“ wird dazu unter anderem den überregional bekannten „Leichtbautag“ weiterführen, welcher als wichtiger Impulsgeber für vielfältige Leichtbauthemen in Wirtschaft und Wissenschaft fungiert.

Professor Milwich ist ein langjähriger und auch über die Landesgrenzen hinaus vernetzter Experte auf dem Gebiet des Leichtbaus. In seiner Funktion vertritt Milwich das Land Baden-Württemberg auch im Strategiebeirat der Initiative Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz, welche den technologieübergreifenden und effizienten Wissenstransfer zwischen den verschiedenen, bundesweiten Akteuren beim Leichtbau unterstützt und Unternehmerinnen und Unternehmern bundesweit als zentrale Anlaufstelle für alle relevanten Fragen dient.

Milwich leitete von 2005 bis 2020 den Forschungsbereich Faserverbundtechnologie an den DITF welcher ab 2020 in das Kompetenzzentrum Polymere und Faserverbunde integriert wurde. Darüber hinaus ist er Honorarprofessor an der Hochschule Reutlingen, wo er die Fächer Hybride Werkstoffe und Verbundwerkstoffe lehrt.

Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) haben mit Unterstützung des Landes Baden-Württemberg ihr Schmelzspinntechnikum modernisiert und maßgeblich erweitert. Die neue Anlage ermöglicht Forschung an neuen Spinnverfahren, Faser-Funktionalisierungen, und an nachhaltigen Fasern aus bioabbaubaren und biobasierten Polymeren.

Im Bereich Schmelzspinnen bearbeiten die DITF mehrere Forschungsschwerpunkte, zum Beispiel die Entwicklung von verschiedenen Fasern für medizinische Implantate oder von Fasern aus Polylactid, einem nachhaltigen biobasierten Polyester. Weitere Schwerpunkte sind die Entwicklung flammhemmender Polyamide und ihre Verarbeitung zu Fasern für Teppich- und Automobil-Anwendungen sowie die Entwicklung von Carbonfasern aus schmelzgesponnenen Präkursoren. Neu ist auch die Entwicklung einer biobasierten Alternative zu erdölbasierten Polyethylenterephtalat (PET)-Fasern zu Polyethylenfuranoat (PEF)-Fasern. Die Bikomponentenspinntechnik, bei der die Fasern aus zwei verschiedenen Komponenten hergestellt werden können, nimmt dabei einen besonderen Stellenwert ein.

Seit vor mehr als 85 Jahren Polyamid (PA) und viele andere Polymere entwickelt wurden, haben verschiedene schmelzgesponnene Fasern die textile Welt revolutioniert. Im Bereich der Technischen Textilien übernehmen sie vielfältige Funktionen: sie können – je nach der genauen Beschaffenheit – zum Beispiel elektrisch leitfähig oder lumineszent sein. Sie können über antimikrobielle Eigenschaften verfügen sowie flammhemmend sein. Sie eignen sich für den Leichtbau, für Anwendungen in der Medizin oder für die Dämmung von Gebäuden.

Um die Umwelt und Ressourcen zu schützen, sollen zukünftig einerseits mehr biobasierte Fasern eingesetzt werden und andererseits die Fasern nach der Nutzung besser rezykliert werden können. Hierzu forschen die DITF an nachhaltigen Polyamiden, Polyestern und Polyolefinen sowie an vielen weiteren Polymeren. Viele 'klassische', also erdölbasierte, Polymere können nach der Anwendung nicht oder nur unzureichend in ihre Bestandteile aufgelöst oder direkt rezykliert werden. Ein wichtiges Ziel neuer Forschungsarbeiten ist es deshalb, systematische Recycling-Methoden zu möglichst hochwertigen Fasern weiter zu etablieren.

Für diese Zukunftsaufgaben wurde im Januar an den DITF eine Bikomponenten-Spinnanlage der Firma Oerlikon Neumag in einer industriellen Größenordnung aufgebaut und in Betrieb genommen. Das BCF-Verfahren (bulk continuous filaments) erlaubt eine spezielle Bündelung, Aufbauschung und Verarbeitung der (Multifilament-) Fasern. Dieses Verfahren ermöglicht die großskalige Synthese von Teppichgarnen sowie die Stapelfaserproduktion, ein Alleinstellungsmerkmal in einem öffentlichen Forschungsinstitut. Ergänzt wird die Anlage durch ein sogenanntes Spinline-Rheometer. Damit können eine Reihe an messspezifischen chemischen und physikalischen Daten online und inline erfasst werden, was zum erweiterten Verständnis der Faserbildung beitragen wird. Außerdem wird ein neuer Compounder für die Entwicklung von funktionalisierten Polymeren und für das energiesparende thermomechanische Recycling von Textilabfällen eingesetzt.

Durch den Klimawandel steigen die Temperaturen und Unwetter nehmen zu. Vor allem in den Innenstädten werden die Sommer für die Menschen zur Belastung. Durch Nachverdichtung wird zwar bestehende Infrastruktur genutzt und Zersiedelung vermieden, aber es steigt der Anteil an versiegelten Flächen. Das wirkt sich negativ auf Umwelt und Klima aus. Fassadenbegrünungen bringen hier mehr Grün in die Städte. Werden textile Speicherstrukturen eingesetzt, können sie sogar aktiv zum Hochwasserschutz beizutragen. Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung (DITF) haben eine entsprechende „Living Wall“ entwickelt.

Die Pflanzen auf den grünen Fassaden werden über ein automatisches Bewässerungssystem mit Wasser und Nährstoffen versorgt. Die „Living Walls“ arbeiten weitgehend autonom. Sensorische Garne erfassen den Wasser- und Nährstoffgehalt. Der Aufwand für Pflege und Wartung ist gering.

Über neuartige hydraulische Textilstrukturen wird die Wasserführung geregelt. Das Pflanzsubstrat aus Steinwolleauf dem die Pflanzen wachsen, verfügt durch seine Struktur über ein großes Volumen auf engem Raum. Je nachdem, wie stark die Niederschläge sind, wird das Regenwasser in einer textilen Struktur gespeichert und später zur Bewässerung der Pflanzen genutzt. Bei Starkregen wird das überschüssige Wasser mit zeitlicher Verzögerung in die Kanalisation eingeleitet. Die an den DITF entwickelten „Living Walls“ helfen auf diese Weise, in nachverdichteten Ballungsräumen die Ressource Wasser effizient zu nutzen.

Im Forschungsprojekt wurde auch die Kühlleistung einer Fassadenbegrünung wissenschaftlich untersucht. Moderne Textiltechnik im Trägermaterial fördert die „Transpiration“ der Pflanzen. Dadurch entsteht Verdunstungskälte und die Temperaturen in der Umgebung sinken.

Zur Arbeit des Denkendorfer Forschungsteams gehörte auch eine Kosten-Nutzen-Rechnung und eine Life-Cycle-Analyse. Auf der Basis der Untersuchungen im Labor und im Außenbereich wurde ein „Grünwert“ definiert, mit dem sich die Wirkung von Gebäudebegrünungen als Ganzes bewerten und vergleichen lassen.

Bauteile im Automobil müssen nicht mehr nur technologisch höchsten Ansprüchen genügen, sondern auch nachhaltig und rezyklierbar sein. Zukünftig müssen Ingenieurinnen und Ingenieure bei der Entwicklung nicht nur das fertige Produkt, sondern auch das Ende dessen Lebenszyklus im Blick haben. Künstliche Intelligenz soll helfen, in solchen Zyklen zu denken. dabei helfen. Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) sind einer der Projektpartner im Forschungsprojekt CYCLOMETRIC, das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut wird. Entwickelt wird ein Tool, das schon während der Produktplanung Verbesserungsvorschläge macht.

Recycling von Hochleistungsmaterialien scheitert häufig daran, dass sich die Werkstoffe nicht in ihre ursprünglichen Bestandteile trennen lassen. CYCLOMETRIC soll dafür sorgen, dass dieses Problem nicht erst am Ende des Lebenszyklus eines Produkts gelöst werden muss. Mit den derzeitigen Methoden und Werkzeugen werden Auswirkungen auf die Umwelt oft erst gegen Ende der Entwicklung oder sogar erst nach Produktionsbeginn untersucht – obwohl die relevantesten Entscheidungen über Produkteigenschaften deutlich früher getroffen werden. Das neue System hilft, während der Entwicklung die richtigen Entscheidungen zu treffen. Dazu werden Daten, Informationen, Wissen über alle Entwicklungsphasen und Schnittstellen hinweg analysiert und bewertet. Dabei kommen Forschungsansätze des Advanced Systems Engineerings und Model-based Systems Engineerings in Verbindung mit Methoden der Ökobilanzierung sowie die Geschäftsmodellanalyse zum Einsatz.

Produktentwicklung muss täglich komplexe Parameter wie Produzierbarkeit, Rezyklierfähigkeit, Wiederverwendbarkeit, CO2-Emissionen und Kosten im Blick behalten. Nicht zuletzt müssen die Erwartungen und Gewohnheiten der Kundinnen und Kunden mitgedacht werden. Das Tool berechnet die Auswirkungen bei der Auswahl des Materials ebenso wie bei der Planung von Produktionsschritten und macht Verbesserungsvorschläge.

Als Anwendungsbeispiel für das digitale Werkzeug dient im Projekt CYCOMETRIC eine Mittelkonsolenverkleidung. Sie besteht aus nachhaltigen Textilmaterialien und verfügt über in das Textil integrierte smarte Funktionen. Das fertige Tool ist dennoch nicht auf die Automobilbranche beschränkt. Es kann in allen Industriefeldern eingesetzt werden.

Aufgabe der DITF ist die Auswahl und Prüfung geeigneter Materialien. Das Team erarbeitet die passenden Fertigungs- und Verarbeitungsprozesse und erstellt einen Prototyp. An den Prüflaboren werden Testläufe zu Funktions-, Alltags-, Langzeit- und Extremtauglichkeit der textilen Strukturen und Faserverbundwerkstoffen durchgeführt, die bei der späteren Anwendung reproduzierbar sind. Für die smarten Funktionen der Konsole werden Konzepte für Sensoren und Aktoren entwickelt.

Die DITF bringen als Partner im Forschungscampus ARENA2036 umfangreiche Erfahrungen im Leichtbau durch Funktionsintegration bei Automobilen mit. Nach Abschluss des Projekts werden die Denkendorfer Forscherinnen und Forscher Unternehmen beraten, wie Textilien verstärkt im Fahrzeuginterieur eingesetzt werden können.

Jährlicher Höhepunkt der Branche ist die International Conference on Cellulose Fibres in Köln, auf der die neuesten Entwicklungen vorgestellt wurden: neue Cellulosefasertechnologien für verschiedene Rohstoffe und eine breite Palette von Hygiene- und Textilprodukten sowie Alternativen zu Kunststoffen und Kohlefasern für Leichtbaukonstruktionen.

In diesem Jahr nahmen zum ersten Mal 230 Teilnehmer aus 27 Ländern teil. Etwa 60 konnten unter strikten Corona-Sicherheitsvorkehrungen vor Ort dabei sein, die anderen nahmen online teil und konnten sich an Fragen und Diskussionen beteiligen.

Die Konferenz gab tiefe Einblicke in die vielversprechende Zukunft von Cellulosefasern, die perfekt zu den aktuellen Trends der Kreislaufwirtschaft, des Recyclings und der nachhaltigen Kohlenstoffkreisläufe passen.

Ein wichtiger Schwerpunkt der Konferenz waren alternative Quellen für Cellulose, denn der steigende Bedarf an Cellulosefasern kann auf Dauer nicht allein mit Holz und Alttextilien gedeckt werden. Auf der Konferenz wurde in Vorträgen und Podiumsdiskussionen eine Vielzahl von landwirtschaftlichen Nebenprodukten und biogenen Abfällen vorgestellt, wie z. B. Orangen- und Bananenschalen, Getreide und Hanfstroh. Vieles davon ist großvolumig und wurde bisher nicht wertschöpfend verwertet. Spannende Möglichkeiten für die Cellulosefaserindustrie der Zukunft.

Innovationspreis
Live auf der Konferenz verliehen Gastgeber nova-Institut und Preissponsor GIG Karasek GmbH die Auszeichnung „Cellulose Fibre Innovation of the Year“ an eines von sechs interessanten Produkten.

• Erster Platz: Kohlenstofffasern aus Holz – Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (Deutschland)
• Zweiter Platz: Fibers365, Wirklich kohlenstoffnegative Frischfasern aus Stroh – Fibers365 (Deutschland)
• Dritter Platz: Nachhaltige Menstruationsunterwäsche: Anwendungsorientierte Funktionalisierung von Fasern – Kelheim Fibres (Deutschland)

Die Hallertau ist Deutschlands größtes Hopfenanbaugebiet. Bei der Ernte bleiben Hopfenrebenhäcksel übrig, die vor Ort in einer Biogasanlage zu umweltfreundlichem Bioerdgas umgewandelt werden. Aber das ist noch nicht das Ende der Verwertungskette dieser Faserpflanze. Aus den pflanzenhaltigen Gärresten haben Forscherinnen und Forscher an den Deutschen Instituten für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) einen Verbundwerkstoff hergestellt, aus dem sich Möbel herstellen lassen.

Schichtstoffe sind in der Möbelindustrie sehr gefragt, da sie sehr flexibel gestaltet werden können. Der an den DITF mit seinen Projektpartnern entwickelte Verbundwerkstoff aus Gärresten ist eine besonders nachhaltige Variante. Um ihn herzustellen, werden diese pflanzenhaltigen Reststoffe zunächst umweltschonend gereinigt. Aus dieser Masse haben die DITF mit der Hochschule Reutlingen ein Nassvlies entwickelt, das zusammen mit einem biobasierten Harzsystem zu einem Verbundwerkstoff gepresst wird. Er ist belastbar und kann vielseitig verarbeitet werden.

Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogrammes Mittelstand (ZIM) gefördert.