Aus der Branche

Faserverbundwerkstoffe verfügen über herausragende mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig niedriger Dichte. Daraus gefertigte Gegenstände sind leicht und gleichzeitig sehr stabil – das macht sie zum idealen Werkstoff für Sportartikelhersteller über die Automobilindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Statt den bisher üblichen Glas- und Carbonfasern sollen nun zunehmend natürliche Fasern wie Flachs, Hanf oder Jute als Verstärkung eingesetzt werden. Durch ihr Potential während der Herstellung Treibhausgasemissionen und Energie einzusparen, ermöglichen sie eine vergleichsweise günstige Herstellung. Ihre mechanischen Eigenschaften deuten einerseits auf noch nicht ausgeschöpftes Potenzial hin, können jedoch je nach jährlichen Wachstumsbedingungen in ihrer Dichte, Festigkeit oder Steifigkeit stark variieren. Um zukünftig Faserverbundwerkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe möglichst effizient, nachhaltig und vor allem wettbewerbsfähig herstellen zu können, bündeln die Hochschule Aalen und das Fraunhofer-IGCV ihre Expertisen hinsichtlich Werkstoff- und Produktionstechnik.

Die Arbeitsgruppe BioComposites mit aktuell noch zwei Forschenden aus beiden Einrichtungen hat zum Ziel, hochwertige biobasierte Faserverbundwerkstoffe für Leichtbauanwendungen zu entwickeln und deren Fertigungsprozesse zu optimieren. Faserverbundwerkstoffe aus biobasierten Komponenten können so – insbesondere in Kombination mit den richtigen Recyclingstrategien – dazu beitragen, dass weniger Schadstoffe in Luft, Wasser und Boden freigesetzt werden

Prof. Dr.-Ing. Iman Taha, Inhaberin des Lehrstuhls für nachhaltige Werkstoffe in der Kunststofftechnik der Hochschule Aalen und Leiterin der Arbeitsgruppe, sieht großes Potenzial in der gemeinsamen Forschung: "Bio-Composites haben ein grünes Image, aber sie bieten noch so viel mehr. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbundwerkstoffen, die oft auf Erdölprodukten basieren, sind Bio-Composites eine ökologische Alternative, die einen wichtigen Beitrag auch zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes leisten kann. Damit kommt ihnen eine tragende Rolle zu, unseren Alltag nachhaltiger zu gestalten."

Zahlreiche Menschen weltweit sind von Bettlägerigkeit betroffen – sei es durch Krankheit, Unfall oder Alter. Da sie sich oftmals nicht von allein bewegen oder drehen können, kann es zu einem sehr schmerzhaften Wundliegen kommen. Mit Materialien, deren Form und mechanische Eigenschaften sich an jeder Stelle programmierbar ändern lassen, soll das Wundliegen künftig vermieden werden. Beispielsweise könnte die Härte und Steifigkeit von Matratzen, die aus programmierbaren Materialien hergestellt wurden, in jedem beliebigen Bereich per Knopfdruck eingestellt werden. Darüber hinaus verformt sich die Unterlage selbstständig so, dass ein hoher Druck an einer Stelle auf eine größere Fläche verteilt wird. Das Bett wird dort, wo es drückt, automatisch weicher und elastischer. Zusätzlich können Pflegekräfte gezielt ein ergonomisches Liegen patientenspezifisch einstellen.

Material plus Mikrostrukturierung
Materialien für Anwendungen, die eine gezielte Änderung der Steifigkeit oder Form benötigen, entwickeln Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer CPM, das durch sechs Kerninstitute geprägt wird und zum Ziel hat Programmierbare Materialien zu konzipieren und produzieren. Doch wie lassen sich Materialien überhaupt programmieren? »Wir haben grundsätzlich zwei Stellschrauben: Das Grundmaterial – im Falle der Matratzen thermoplastische Kunststoffe, für andere Anwendungen metallische Legierungen, auch Formgedächtnislegierungen – und insbesondere die Mikrostruktur«, erläutert Dr. Heiko Andrä, Themenfokussprecher am Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, einem der Kerninstitute des Fraunhofer CPM. »Die Mikrostruktur der sogenannten Metamaterialien setzt sich aus einzelnen Zellen zusammen, die wiederum aus Strukturelementen wie kleinen Balken und dünnen Schalen bestehen.« Während die Größe der einzelnen Zellen und ihrer Strukturelemente bei herkömmlichen zellulären Materialien wie Schäumen zufällig variiert, ist sie bei den programmierbaren Materialien zwar auch variabel, jedoch genau festgelegt – sprich programmiert. Diese Programmierung erfolgt beispielsweise so, dass Druck an einer bestimmten Position zu gewünschten Formänderungen an anderen Stellen der Matratze führt, um etwa die Auflagefläche zu vergrößern und die Körperzonen optimal zu stützen.

Materialien können auch auf Wärme oder Feuchte reagieren
Welche Formänderung das Material aufweisen soll und auf welche Reize es reagiert – mechanische Belastung, Wärme, Feuchte oder auch ein elektrisches oder magnetisches Feld – lässt sich ebenfalls über die Wahl des Materials sowie seine Mikrostruktur bestimmen.

Der Weg in die Anwendung
Ein einzelnes Material kann komplette Systeme aus Sensoren, Reglern und Aktuatoren ersetzen. Das Ziel des Fraunhofer CPM ist durch Integration der Funktionen in das Material die Komplexität von Systemen zu senken und den Einsatz von Ressourcen zu reduzieren. »Wir haben bei der Entwicklung der programmierbaren Materialien stets das industrielle Produkt mit im Blick, so berücksichtigen wir unter anderem die Serienfertigung und die Materialermüdung«, sagt Franziska Wenz, stellvertretende Themenfokussprecherin am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, ebenfalls eines der Kerninstitute des Fraunhofer CPM. Auch laufen bereits erste konkrete Pilotprojekte mit Industriepartnern. Das Forscherteam erwartet, dass die programmierbaren Materialien zunächst einzelne Komponenten in bereits bestehenden Systemen ersetzen werden oder in speziellen Anwendungen genutzt werden – etwa bei medizinischen Matratzen, Sitzen, Schuhsohlen und Schutzbekleidung. »Schrittweise könnte sich dann der Anteil an programmierbaren Materialien erhöhen«, schätzt Andrä. Schließlich lassen sich diese überall einsetzen – sowohl in Medizin- und Sportartikeln, in der Softrobotik wie auch in der Weltraumforschung.

Teijin Carbon Europe stellt ein thermoplastisches, unidirektionales Kohlenstofffaser-Tape (TPUD) auf PPS-Basis vor. Das neue Tenax™ TPUD mit PPS-Matrix ermöglicht den Einstieg in neue kostensensitive Märkte und bietet die typischen Vorteile von TPUD wie hohe Chemikalien- und Lösungsmittelbeständigkeit, Schwerentflammbarkeit, Lagerung oder Versand bei Raumtemperatur und außerdem ist es recyclebar.

Aufgrund seiner flammhemmenden Eigenschaften und der geringen Rauchentwicklung kann es unter anderem in Interieuranwendungen von Flugzeugen oder Schienenfahrzeugen eingesetzt werden. Die maximale Dauerbetriebstemperatur liegt bei bis zu 220 °C. Eine sehr geringe Wasseraufnahme, eine hervorragende Kriechfestigkeit auch bei erhöhten Temperaturen und eine hohe Dimensionsstabilität runden das Eigenschaftsportfolio dieses neuen TPUD ab. Somit ist es auch für anspruchsvolle Anwendungen aus den Bereichen der Luft- und Raumfahrt, Öl & Gas, Sportartikel oder Industrie geeignet und bleibt dabei kostengünstig. Gerade diese Eigenschaften machen das Produkt perfekt für hochautomatisierte Verarbeitungsrouten wie ATL oder AFP in Kombination mit Overmolding für komplexe Geometrien. Produktionsstart für das Tenax™ TPUD mit PPS-Matrix ist das erste Quartal 2021.

Seit fast 10 Jahren werden in Heinsberg unidirektionale Tapes (TPUD) aus Carbonfasern und Thermoplasten hergestellt. Die Halbzeuge werden bisher mit PEEK oder PAEK angeboten - und jetzt kommt PPS als weitere Matrix hinzu. PPS ermöglicht im Vergleich zu PEEK und PAEK eine niedrigere Prozesstemperatur. Vor allem für den industriellen Markt ist dies eine Möglichkeit, die Produktionsrate zu erhöhen, um Prozesse kosteneffizienter zu gestalten.

HOUSTON – Ascend Performance Materials kündigte heute die Markteinführung mehrerer neuer Spezial-Polyamide auf der K 2019 an, um den wachsenden Anforderungen seiner Kunden zu begegnen. Unter den neuen Produkten befinden sich langkettigen Polyamide, Vydyne® XHT und neue hochtemperatur Polyamide.

Vydyne XHT, ein neues Portfolio aus hitzestabilisiertem Polyamid 66 und Copolymeren, ist widerstandsfähig gegenüber Langzeittemperaturen von bis zu 230°C. Durch eine Kombination aus speziellen Polymerverbindungen und einer mehrstufigen Wärmestabilisierungstechnologie erweitern XHT-Produkte die Grenzen der Temperaturbeständigkeit – ohne Einbußen bei der Verarbeitbarkeit, Beständigkeit und den mechanischen Eigenschaften, für die PA66 bekannt ist.

„Bei Motoren mit unterschiedlichen Leistungen und Drehmomenten, sind konstante Werte bei hohen Temperaturen für Anwendungen unter der Motorhaube unverzichtbar“, so Vikram Gopal, Senior Vice President für Technologie bei Ascend. „Vydyne XHT wurde von uns entwickelt, um unseren Kunden, die sich heute mit unzureichender Leistung in einem engen Betriebsbereich begnügen müssen, eine Alternative zu bieten.“

Das Portfolio von Vydyne XHT umfasst vier glasgefüllte Typen, die sich optimal für anspruchsvolle Anwendungen im Automobilbereich wie Ladeluftkühler, Luftansaugkrümmer, Abgasrückführung und Resonatoren eignen. Alle XHT-Typen bieten ein ausgezeichnetes Fließverhalten und eignen sich als Regranulat, wodurch überschüssiges Material wiederaufbereitet und die Produktionseffizienz gesteigert werden kann.

Ascend stellt außerdem ein neues Produktportfolio aus den langkettigen Polyamiden PA610 und PA612 vor. Mit ihrer geringen Feuchtigkeitsaufnahme und einer hohen Beständigkeit gegenüber Chemikalien und UV-Strahlung eignen sich die langkettigen Polyamiden für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Monofilamente, Batterieabdichtungen, Kabelbinder, Automobilkühlsysteme, Kraftstoffanschlüsse sowie Sportartikel.

„Unsere Kunden sind Innovationstreiber und sehen steigende Anforderungen in ihren jeweiligen Branchen“, so Phil McDivitt, Präsident und Vorstandsvorsitzender bei Ascend. „Für größte Zuverlässigkeit, Funktionalität und Flexibilität bauen wir unsere vertikale Integration und starke Stellung im Bereich PA66 aus, um diese Innovationen zu ermöglichen“.

Zusätzlich werden die Aktivitäten des Unternehmens im Bereich der Hochtemperatur-Polyamide ausgebaut. Die neuen Produkte des HTPA-Portfolios von Ascend bieten als Metallersatz und für Hochtemperaturanwendungen im Automobilbereich höhere Festigkeit, Steifigkeit und Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit.

Auf der vom 16. bis 23. Oktober in Düsseldorf stattfindenden K 2019 werden Vertriebs, als auch technische Expertern am Stand von Ascend (6A07) anwesend sein.

• Neue Polyole verringern Kohlenstoff-Fußabdruck
• Weitere TPU-Entwicklungen für die Textilanwendung und Oberflächengestaltung

Unter dem Namen cardyon™ entwickelt und vermarktet Covestro neue Polyethercarbonatpolyole, die mit Hilfe des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) hergestellt werden. Mit Desmopan® 37385A bietet das Unternehmen nun den ersten Vertreter einer neuen Reihe von thermoplastischen Polyurethanen (TPU) an, die Polyethercarbonatpolyole auf Basis der CO2-Technologie enthalten.

Verglichen mit konventionellen TPU-Materialien hinterlassen die neuen TPU-Werkstoffe einen geringeren ökologischen Fußabdruck und helfen, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen. Außerdem schonen sie die fossilen Rohstoffquellen und treten im Gegensatz zu vielen biobasierten Materialien nicht in Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln.

„Unsere Kunden können mit dem neuen TPU den ökologischen Fußabdruck ihrer Erzeugnisse verringern und dadurch gegenüber ihren Wettbewerbern eine Vorreiterrolle in puncto Nachhaltigkeit einnehmen“, erklärt Georg Fuchte, TPU-Experte bei Covestro. „Das gilt besonders für Unternehmen der Konsumgüterindustrie, die häufig Produkte mit nur kurzer Lebensdauer herstellen.“

Exzellente mechanische Eigenschaften

Desmopan® 37385A hat eine Härte von 85 Shore A. Seine mechanischen Eigenschaften liegen mindestens auf dem Niveau von konventionellen TPU-Typen ähnlicher Härte, übertreffen diese sogar zum Teil. Beispielsweise hat es eine Zugfestigkeit von 36 Megapascal. Die Reißdehnung erreicht 660 Prozent (DIN 53504). Der Kunststoff ist für die Extrusion ausgelegt, eignet sich aber auch für das Spritzgießen. „Das Einsatzspektrum deckt typische Anwendungen von konventionellen TPU-Typen mit vergleichbarer Härte ab und reicht von Sohlen und Komponenten des Oberschuhs über Sportbekleidung, Griffe und Knäufe bis hin zu Verpackungen für empfindliche Elektronik“, so Fuchte.

Verschiedene Produktvarianten

Covestro plant, die neue TPU-Reihe um Varianten unterschiedlicher Härte zu erweitern. In der Entwicklung weit vorangeschritten ist zum Beispiel ein Produkt mit einer Härte von 95 Shore A, dessen Schmelze bei der Verarbeitung schnell aushärtet. „Wir zielen damit auf spritzgegossene Anwendungen, in denen es besonders auf eine wirtschaftliche Fertigung in kurzen Zykluszeiten ankommt“, erläutert Fuchte.

Covestro kooperiert eng mit Unternehmen und Forschungseinrichtungen, um die CO2-Technologie auch als Syntheseplattform für andere großchemisch eingesetzte Rohstoffe zu nutzen. Zum Beispiel wird an neuen CO2-basierten Polyolen für Polyurethan-Hartschäume gearbeitet, die etwa in der Wärmedämmung von Gebäuden, im Automobil und in Sportartikeln Verwendung finden könnten. Im Werk Dormagen betreibt Covestro bereits eine Produktionsanlage, auf der CO2-basierte Polyole für Polyurethan-Weichschäume produziert werden. Letztere kommen in der kommerziellen Fertigung von Polstermöbeln und Matratzen zum Einsatz.

Weitere TPU-Highlights auf der Fakuma

Garn: Covestro zeigt auch innovative TPU-Entwicklungen auf petrochemischer Basis. Dazu gehören gleichförmige und glänzende Fasern aus TPU und Polyamid für gestrickte Gewebe. Die Fasern haben eine einzigartige Haptik und kommen vor allem in Sportschuhen zum Einsatz, wo die Verwendung gestrickten Obermaterials groß in Mode ist. Dabei sind viele dekorative Varianten möglich. Die Gewebe lassen sich wirtschaftlich in einem einzigen Strickprozess herstellen, auch mittels automatisierter Produktion.

Oberflächenstruktur: Seit Jahrzehnten ist die herausragende Abbildegenauigkeit von TPU-Produkten der Desmopan® Serie bekannt. Durch Einsatz verschiedener Technologien können einzigartige Oberflächenstrukturen erzeugt werden. Zurzeit arbeitet Covestro mit dem Partner J. & F. Krüth in Solingen zusammen, um mit Hilfe der innovativen und volldigitalen 3D-Laser-Gravur nahezu unbegrenzte Möglichkeiten für die Oberflächengestaltung zu erschließen.