Aus der Branche

Auf der diesjährigen JEC World zeigt das STFI Highlights aus dem Carbonfaserrecycling sowie einen neuen Ansatz von hanfbasierten Bastfasern, die als Bewehrung im Leichtbau vielversprechende Eigenschaften mitbringen.

Grünes Snowboard
Auf der JEC World in Paris vom 5. bis 7. März 2024 zeigt das STFI ein Snowboard der Firma silbaerg GmbH mit patentiertem anisotropen Kopplungseffekt aus Hanf und recycelten Carbonfasern mit biobasiertem Epoxidharz. An der Entwicklung des Boards waren neben silbaerg und STFI auch die Partner Circular Saxony - das Innovationscluster für die Kreislaufwirtschaft sowie FUSE Composite und die bto-epoxy GmbH beteiligt. Das grüne Snowboard wurde mit JEC Innovation Award 2024 in der Kategorie „Sport, Freizeit und Erholung“ ausgezeichnet.

VliesComp
Rezyklate in verschiedenen Leichtbaulösungen wieder in den Markt zu bringen, ist das Ziel der im Projekt VliesComp vereinigten Industriepartner Tenowo GmbH (Hof), Siemens AG (Erlangen), Invent GmbH (Braunschweig) und STFI. Beispielhaft wurden dabei unter anderem die Anwendungsfelder „Innovative E-Maschinenkonzepte für die Energiewende“ und „Innovative E-Maschinenkonzepte für die E-Mobilität“ betrachtet. Gezeigt wird auf der JEC World in Paris ein Leichtbaulagerschild für E-Motoren, das auf Basis von Hybridvliesstoffen – einer Mischung aus thermoplastischer Faserkomponenten und recycelter Verstärkungsfasern – sowie auch Vliesstoffen mit 100 % recycelten Verstärkungsfasern hergestellt wurde. Das Lagerschild wurde schlussendlich mit einem Rezyklatanteil von 100 % gefertigt. Die Untersuchungen ergaben, dass im Vergleich zur Variante aus Primärkohlenstofffasern im RTM-Verfahren eine Reduzierung des CO₂-Äquivalents um 14 % bei gleicher Leistung möglich ist. Die Berechnung zur Verwendung des Prepreg-Verfahrens unter Nutzung eines Bioharzsystems zeigt ein Potenzial zur Reduzierung des CO₂-Äquivalents um fast 70 %.

Bastfaserbewehrung
Zur Stabilitätserhöhung im Pflanzenstängel bilden sich im Rindenbereich Bastfasern aus, die den Stengel stützen, aber im Gegensatz zum starren Holz sehr flexibel aufgebaut sind und es ermöglichen, dass schlanke, hohe Pflanzen sich im Wind bewegen können, ohne zu brechen. Ein neues Verfahren gewinnt die Bastrinde des Hanfes durch Schälen. Die daraus erzielten Kennwerte, wie Zug-E-Modul, Bruchkraft und Dehnung, sind vielversprechend im Vergleich mit den am Markt verfügbaren Endlosrovingen aus Flachs. Das Material könnte als Bewehrung im Leichtbau seine Anwendung finden. Das STFI stellt zur JEC World Bewehrungsstäbe aus, die im Pultrusionsverfahren auf Basis biobasierter Bewehrungsfasern aus Hanfbast für mineralische Matrices, zu einem Gewirke verarbeitet wurden.

Vom 25. bis zum 27. April 2023 findet die diesjährige JEC WORLD, die international führende Leichtbaumesse, in Paris statt. Das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) wird seine jüngsten Innovationen aus dem textilen Leichtbau und dem Textilrecycling auf dem Stand der sächsischen Wirtschaftsförderung präsentieren. Das STFI fokussiert seinen Messeauftritt in Paris dieses Jahr vor allem auf erfolgreiche Beispiele aus Industriekooperationen, die zur Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses beitragen.

Im Forschungsvorhaben „optiformTEX“ innerhalb des BMBF-Förderprogramms „Zwanzig20 – futureTEX“ wurde eine neue Technologie für flächige Naturfaser (NF)-Halbzeuge mit belastungsgerechter topologischen Fasermasseverteilung entwickelt. Dies lässt eine signifikante Gewichtsreduzierung von bis zu 30 % bei Leichtbauteilen vor allem im automobilen Interieur zu.

Es entstand das Modul „3D-Lofter“ zur lokalen Verstärkung von Vliesstoffen mittels definierter Faseranhäufungen; entwickelt und gebaut durch den Projektpartner Oskar Dilo Maschinenfabrik KG, Eberbach. Ein Exemplar des Moduls wurde in eine Labornadelvliesstoffanlage im Technikum des STFI integriert und steht für Kundenversuche sowie nachfolgende Forschungsvorhaben zur Verfügung.

Im Ergebnis des internationalen BMBF-Vorhabens „HiPeR – Orientierte Carbonfaserstrukturen aus Luftfahrt-Produktionsabfällen zum Wiedereinsatz im Flugzeug“ entstand ein Strukturbauteil für die Luftfahrt aus Recycling-Carbon. Dafür wurden am STFI rCF-Tapes sowohl aus recoverten, mechanisch aufbereiteten Abfällen als auch aus pyrolysierten Fasern entwickelt. Die rCF-Tapes werden auf dem STFI-Stand, das Bauteil selbst am CU-Messestand/CTC präsentiert.

• Austausch über das Netzwerkprojekt Hanfbast Sachsen (HaSaX) ´

Ende Februar besuchte Wolfram Günther, Staatsminister für Energie, Klimaschutz, Umwelt und Landwirtschaft des Freistaats Sachsen, das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) in Chemnitz. Gesprächsgegenstand des Besuchs war das Forschungsvorhaben „Hanfbast aus Sachsen“ für eine nachhaltige Produktion von textilen Halbzeugen und Produkten (HaSaX)“. Das STFI erarbeitet zum gegenwärtigen Zeitpunkt ein Forschungsnetzwerk in Kooperation mit der Firma texulting GmbH, Hohenstein-Ernstthal, in dem das Potenzial von Hanfbast als biobasiertes Leichtbaumaterial betrachtet wird.

Das Neue ist; dieser Hanfbast wird aus ungerösteten also naturbelassenen Hanfpflanzen gewonnen und behält damit sein naturgegebenes, sehr hohes Leistungspotenzial. Das Verfahren der Gewinnung ist neu und deshalb gibt es bis zur industrieprozesstauglichen Verarbeitung der Bastfasern viele Entwicklung-schritte, welche bis zur Nutzung des Materials noch zu bewältigen sind. Zusammen mit einer Gruppe sächsischer Mittelständler sucht das STFI deshalb Unterstützung bei der sächsischen Politik zur Umsetzung der noch offenen Entwicklungsaufgaben für die Nutzbarmachung von Hanfbast.

Verfolgt wird die Vision einer vollumfänglichen Nutzung des Hanfes z. B. im Baubereich. Ziel ist es, mit hanfbasierten Sandwichelementen künftig Baustoffe anzubieten, die eine sehr gute Kreislauffähigkeit aufweisen. Hinsichtlich des CO2-Fußabdruckes können hanfbasierte Sandwichelemente mit klassischen Systemen konkurrieren. Neben den Gebäudeinnenschichten, die wegen der guten Dämmeigenschaften auch aus Hanf bestehen, kann dann auch die Gebäudehülle ein Tragelement aus Hanflaminat sein. Der Markt für leichte Gebäudehüllen wächst ständig und legt europa- und deutschlandweit momentan um jährlich 5 % zu – eine gute Perspektive für Bauwerke aus Hanf.

Der Einsatz nachhaltiger und biobasierter Materialien gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Gründe dafür sind zum einen das steigende Bewusstsein bezüglich Umwelt- und Ressourcenschonung, Verknappung von Rohstoffen jedoch auch die zunehmende Verschärfung der gesetzlichen Vorgaben.

Composites, die aus mineralischen und/oder erdölbasierten Rohstoffen bestehen, weisen von der Erzeugung bis zum Recycling einen erheblichen CO2-Footprint auf. Um die CO2-Emission zu reduzieren, ist der Einsatz biobasierter Hochleistungsfasern anstelle der Glas- oder Kunststofffasern ein Lösungsansatz. Das mechanische Leistungspotenzial von Hanfbast ist vergleichbar mit dem von Glasfasern und wurde unter Nutzung einer neuen Bastfaser-Gewinnungsmethode erstmals 2015 nachgewiesen. So besitzen die aus derart isoliertem Hanfbast hergestellten Composites um bis zu 40 % höhere mechanische Kennwerte als jene Bauteile, bei denen ausschließlich konventionell aufgeschlossene Naturfasern eingesetzt werden.

• Kohlenstoff mit mehreren Leben

Geht es um die Zukunft der motorisierten Mobilität, reden alle vom Antrieb: Wie viel E-Auto, wie viel Verbrenner verträgt die Umwelt und braucht der Mensch? Zugleich stellen neue Antriebe erhöhte Anforderungen nicht nur an den Motor, sondern auch an dessen Gehäuse und die Karosse: Für solch anspruchsvolle Anwendungen kommen häufig Carbonfasern zum Einsatz. Wie der Antrieb der Zukunft, sollten auch die Werkstoffe am Fahrzeug umweltfreundlich sein. Deshalb ist Recycling von Carbonfasern gefragt. Lösungen dafür haben Institute der Zuse-Gemeinschaft entwickelt.

Carbonfasern, auch als Kohlenstofffasern oder verkürzt als Kohlefasern bekannt, bestehen fast vollständig aus reinem Kohlenstoff. Sehr energieaufwändig wird er bei 1.300 Grad Celsius aus dem Kunststoff Polyacrylnitril gewonnen. Die Vorteile der Carbonfasern: Sie haben kaum Eigengewicht, sind enorm bruchfest und stabil. Solche Eigenschaften benötigt man z.B. am Batteriekasten von E-Mobilen oder in Strukturbauteilen der Karosserie. So arbeitet das Sächsische Textilforschungsinstitut e.V. (STFI) aktuell gemeinsam mit Industriepartnern daran, statisch-mechanische Stärken der Carbonfasern mit Eigenschaften zur Schwingungsdämpfung zu verknüpfen, um die Gehäuse von E-Motoren im Auto zu verbessern. Angedacht ist in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt die Entwicklung sogenannter Hybridvliesstoffe, die neben der Carbonfaser als Verstärkung weitere Faserstoffe enthalten. „Wir wollen, die Vorteile unterschiedlicher Faserstoffe verbinden und so ein optimal auf die Anforderungen abgestimmtes Produkt entwickeln“, erläutert Marcel Hofmann, STFI-Abteilungsleiter Textiler Leichtbau.

Damit würden die Chemnitzer Forschenden bisherige Vliesstoff-Lösungen ergänzen. Sie blicken auf eine 15-jährige Geschichte in der Arbeit mit recycelten Carbonfasern zurück. Der globale Jahresbedarf der hochwertigen Fasern hat sich im vergangenen Jahrzehnt fast vervierfacht, laut Angaben der Industrievereinigung AVK auf zuletzt rd. 142.000 t. „Die steigende Nachfrage hat das Recycling immer stärker in den Fokus gerückt“, betont Hofmann. Carbonfaserabfälle sind ihm zufolge für etwa ein Zehntel bis ein Fünftel des Preises von Primärfasern erhältlich, müssen aber noch aufbereitet werden. Dreh- und Angelpunkt für den Forschungserfolg der recycelten Fasern sind konkurrenzfähige Anwendungen. Die hat das STFI nicht nur am Auto, sondern auch im Sport-Freizeitsektor sowie in der Medizintechnik gefunden, so in Komponenten für Computertomographen. "Während Metalle oder Glasfasern als potenzielle Konkurrenzprodukte Schatten werfen, stört Carbon die Bilddarstellung nicht und kann seine Vorteile voll ausspielen“, erläutert Hofmann.

Papier-Knowhow nutzen
Können recycelte Carbonfasern nochmals den Produktkreislauf durchlaufen, verbessert das ihre CO2-Bilanz deutlich. Zugleich gilt: Je kürzer die Carbonfasern, desto unattraktiver sind sie für die weitere Verwertung. Vor diesem Hintergrund entwickelten das Forschungsinstitut Cetex und die Papiertechnische Stiftung (PTS), beide Mitglieder der Zuse-Gemeinschaft, im Rahmen eines Forschungsvorhabens ein neues Verfahren, das bislang wenig geeignet erscheinende Recycling-Carbonfasern ein zweites Produktleben gibt. „Während klassische Textilverfahren die ohnehin sehr spröden Recycling-Carbonfasern in Faserlängen von mind. 80 mm trocken verarbeiten, beschäftigten wir uns mit einem Verfahren aus der Papierindustrie, welches die Materialien nass verarbeitet. Am Ende des Prozesses erhielten wir, stark vereinfacht gesprochen, eine flächige Matte aus recycelten Carbonfasern und Kunststofffasern“, erläutert Cetex-Projektingenieur Johannes Tietze das Verfahren, mit dem auch 40 mm kurze Carbonfasern zu attraktiven Zwischenprodukten recycelt werden können. Das danach in einem Heißpressprozess entstandene Erzeugnis dient als Grundmaterial für hochbelastbare Strukturbauteile. Zusätzlich wurden die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge durch die Kombination mit endlosfaserverstärkten Tapes verbessert. Das Recyclingprodukt soll, so die Erwartung der Forschenden, glasfaserverstärkten Kunststoffen, Konkurrenz machen, z.B. bei Anwendungen im Schienen- und Fahrzeugbau. Die Ergebnisse fließen nun in weiterführende Forschung und Entwicklung im Kooperationsnetzwerk Ressourcetex ein, einem geförderten Verbund von 18 Partnern aus Industrie und Wissenschaft.

Erfolgreiche Umsetzung in der Autoindustrie
Industriereife Lösungen für die Verwertung von Carbonfaser-Produktionsabfällen werden im Thüringischen Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung Rudolstadt (TITK) entwickelt. Mehrere dieser Entwicklungen wurden mit Partnern beim Unternehmen SGL Composites in Wackersdorf industriell umgesetzt. Die Aufbereitung der so genannten trockenen Abfälle, hauptsächlich aus Verschnittresten, erfolgt nach einem eigenen Verfahren. „Dabei führen wir die geöffneten Fasern verschiedenen Prozessen zur Vliesherstellung zu“, sagt die zuständige Abteilungsleiterin im TITK, Dr. Renate Lützkendorf. Neben den Entwicklungen für den Einsatz z.B. im BMW i3 in Dach oder Hintersitzschale wurden im TITK spezielle Vliesstoffe und Verfahren für die Herstellung von Sheet Molding Compounds (SMC) etabliert, das sind duroplastische Werkstoffe, die aus Reaktionsharzen und Verstärkungsfasern bestehen und zum Pressen von Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet werden. Eingang fand dies z.B. in einem Bauteil für die C-Säule des 7er BMW. „In seinen Projekten setzt das TITK vor allem auf die Entwicklung leistungsfähigerer Prozesse und kombinierter Verfahren, um den Carbonfaser-Recyclingmaterialien auch von den Kosten her bessere Chancen in Leichtbauanwendungen einzuräumen“, betont Lützkendorf. So liege der Fokus gegenwärtig auf dem Einsatz von CF-Recyclingfasern in thermoplastischen Prozessen zur Platten- und Profilextrusion. „Ziel ist es, die Kombination von Kurz- und Endlosfaserverstärkung in einem einzigen, leistungsfähigen Prozess-Schritt zu realisieren.“