Aus der Branche

• Composites in der Bau-Industrie - Der Leichtbaustoff für die Zukunft

Der Bau mit faserverstärkten Materialen bietet öffnet der Bauindustrie völlig neue Möglichkeiten. Technisch, gestalterisch, organisatorisch. Das liegt zum einen an den hervorragenden Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen (FVW) und zum anderen daran, dass das Material – anders als etwa Holz oder Stein – für seinen Einsatz nicht be- und verarbeitet, sondern eigens hergestellt wird.

Herausragende Eigenschaften – technisch, gestalterisch, organisatorisch
Faserverbundwerkstoffe bringen eine ganze Reihe von technischen Eigenschaften für innovatives und nachhaltiges Bauen mit:
•    hohe mechanische Festigkeit
•    niedriges Gewicht
•    hohe Korrosionsbeständigkeit
•    geringe Materialermüdung
•    niedrige Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffmatrix
•    Frost- und Tausalzbeständigkeit
•    gute Drapierfähigkeit

Außerdem bieten Faserverbundwerkstoffe zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten für neuartige und außergewöhnliche Neubau- und Instandhaltungsprojekte:
•    einzigartige Vielfalt an Formen
•    unterschiedliche Strukturen der Textilien
•    großes Spektrum an Farben und Farbkombinationen
•    Lichtdurchlässigkeit der Kunststoffmatrix
Dank dieser Eigenschaften lassen sich mit Composites farbige, phosphoreszierende, thermochrome oder – durch dauerhaft in die Matrix integrierte LEDs oder lichtleitende Fasern – leuchtende Bauteile herstellen.

Hinzu kommen organisatorische Vorteile für Planungs-, Bau- und Instandhaltungsarbeiten mit faserverstärkten Werkstoffen:
•    einfachere Handhabung und Montage der – verglichen mit Stahl, Beton oder Holz – sehr viel leichteren und flexibleren Bauteile
•    geringere Montagezeiten
•    reduzierte Baustellenzeiten bei der Instandhaltung von Straßen und Brücken
•    kürzere Lieferzeiten
•    Möglichkeit zur Integration von elektronischen Überwachungssystemen

Individuelle Composite Textiles – für jedes Leichtbau-Projekt
Die Composites-Expertinnen und -Experten von vombaur entwickeln und fertigen Webbänder und nahtlos rund- oder in Form gewebte Textilien aus Carbon, Glas, Flachs oder anderen Hochleistungsfasern an speziellen Webanlagen für individuell spezifizierte Rund- und Formgewebe – und bieten deshalb für jedes Leichtbau-Projekt die optimale Faser-Grundlage.   

„Ganz gleich, ob es ein Neubau- oder ein Sanierungsprojekt ist, ob es um eine Fassadengestaltung, eine Brücke oder eine Treppe geht – als Entwicklungspartner für Composite Textiles besitzen wir jede Menge Erfahrung mit Composites für anspruchsvolle Aufgaben“, betont Dr.-Ing. Sven Schöfer, Head of Development and Innovation von vombaur. „Wir entwickeln, bemustern und fertigen Webbänder und nahtlos rund- oder in Form gewebte Textilien – gemeinsam mit den Entwicklungsteams der Kundenunternehmen und individuell für die jeweiligen Projekte.“ So entstehen neuartige und einzigartige Leichtbauteile aus Hochleistungstextilien für visionäre Projekte.

• Auf der diesjährigen INDEX, 19. bis 22. Oktober, stellen Trützschler Nonwovens, Trützschler Card Clothing und Voith am Stand 2327 neue Lösungen zur Herstellung nachhaltiger Vliesstoffe für Reinigungstücher, Hygiene- oder Medizintextilien vor.

Initiativen für plastikfreie Produkte betreffen jeden: Verbraucher, Produktentwickler, Vliesstoffhersteller und schließlich auch den Maschinenbau.

Trützschler Nonwovens und Voith adressieren die Suche nach nachhaltigen und kostengünstigen Vliesstoffen mit zwei bewährten Technologien zur Herstellung zellstoffbasierter Reinigungstücher. Zum einen ist es die WLS-Technologie für nassgelegte, wasserstrahlverfestigte Materialien. Mehrere Anlagen für feuchte Toilettentücher sind bereits weltweit im Einsatz. Auf der INDEX stellen wir die neuesten „nextLevel/WLS“-Reinigungstücher vor. Diese konvertierten Vliesstoffe für die Baby- und Körperpflege sind eine Gemeinschaftsentwicklung von Voith und Trützschler.

Der zweite Schwerpunkt liegt auf zweilagigen Carded/Pulp-Composites (CP) aus einem nassgelegten Zellstoff- sowie einem Krempelvlies. Die erste CP-Kundenanlage – inklusive der TWF-NCT Krempel zwischen HydroFormer und AquaJet – läuft seit letztem Jahr auf Hochtouren. Verschiedene CP-Vliesstoffe, darunter die innovativen „nextLevel/CP“-Reinigungstücher, laden Besucher ein, über Eigenschaften, Vorteile, Linienkonzepte und Ausstattung zu diskutieren.

Beim Stichwort nachhaltige Vliesstoffe dürfen Lösungen zur effizienten Herstellung biologisch abbaubarer Produkte aus Rohbaumwollfasern, Kämmlingen und Viskose-/Lyocellfasern nicht fehlen. Auf dem Stand können diese Vliesstoffe direkt mit einer breiten Palette zellstoffbasierter Materialien verglichen werden.

Trützschler Card Clothing, unser hauseigenes Kompetenzzentrum für Garnituren und umfassenden Krempelservice, präsentiert den Z-Draht für Hochgeschwindigkeits-krempeln. Eine neue Geometrie minimiert den Faserflug und ermöglicht ein besseres Kardieren sowie eine stabilere und homogenere Vliesbildung.

Composites Evolution Ltd has teamed up with leading natural fibre reinforcement specialists Bcomp to launch a new range of flax-epoxy prepreg materials, designed to offer enhanced sustainability without compromising on performance.

Evopreg ampliTex™ prepregs combine Composites Evolution’s high-performance Evopreg epoxy resin systems with Bcomp’s award-winning ampliTex™ flax reinforcements, to deliver a family of materials which offer outstanding performance for component applications.

To reach the full performance of natural fibres, Evopreg ampliTex™ prepregs have been tailored to be compatible with Bcomp’s powerRibs™ reinforcement grid, enabling the same stiffness and weight as thin-walled monolithic carbon fibre parts while decreasing the CO₂ footprint by 85% and improving safety thanks to a blunt braking behaviour without dangerous debris or sharp edges.

Composites Evolution’s Sales & Marketing Director, Ben Hargreaves, explains further.
“Sustainability is an increasingly important factor for many of our customers - particularly those involved in motorsports and high-performance automotive applications. As you’d expect in these sectors though, sustainability can’t come at the expense of performance the two must go hand-in-hand. This is something that other prepreggers can struggle with, as natural fibres behave very differently to carbon or glass, for example.”

Customers would be able to understand the strengths and weaknesses of natural fibre composites, and to show where and how they can be adopted without the need for significant changes to existing composite component production processes.

One such customer is Retrac Group, whose composites division is one of the UK’s most experienced composites engineering companies across motorsports, automotive and aerospace. It recently used Evopreg ampliTex™ + powerRibs™ to produce a demonstrator bonnet panel for a race-bred supercar. Project Manager Alan Purves explains.

“We’re seeing a growing interest in flax fibre composites, particularly in the motorsports and niche vehicle sectors. It is therefore essential that we have developed an in-depth understanding of the processing requirements and performance capabilities of these materials, and are ready to respond to our customers' requirements. Being able to tap into the combined expertise and experience of both Composites Evolution and Bcomp is proving invaluable.”

Die anstehende Verkehrswende ist eines der zentralen wirtschaftlichen und industriellen Themen unserer Zeit. Umweltschutz und ein möglichst nachhaltiger Umgang mit unserem Planeten und seinen endlichen Ressourcen sowie der Wunsch nach individueller Mobilität dürfen sich zukünftig nicht mehr gegenseitig ausstechen. Es gilt Lösungen zu finden, die beide Wünsche gleichberechtigt berücksichtigen.

In den letzten Jahren steht bei der Betrachtung möglicher Alternativer Antriebssysteme vor allem der Wechsel von klassischen Verbrennungsmotoren hin zur Elektro-Mobilität im Fokus. Auch wenn es zahlreiche weitere Optionen gibt, so ist diese das derzeit politisch und auch wirtschaftlich oftmals präferierte Modell, auf das die Automobilindustrie mit allen vor- und nachgelagerten Industriezweigen reagieren muss.

Auch für die Composites-Industrie ergeben sich neue Herausforderungen. Bislang ist der Transportbereich mit einem Anteil von 32 % das zweitwichtigste Anwendungssegment der Composites Industrie (vgl. Abb. 1). Betrachtet werden hier alle Lang- sowie Endlosfaserverstärkten Materialsysteme. Änderungen und neue Impulse in diesem so wichtigen Bereich haben, sowohl für die deutsche Industrie generell als auch für die Zulieferindustrie im Speziellen, einen fundamentalen Einfluss auf viele Akteure im Composites-Markt.

Bereits vielfach wurde in den letzten Monaten ein Abgesang auf die Composites im Automobilbereich angestimmt, da Leichtbau seinen Einfluss bei der E-Mobilität vermeintlich verloren habe. Dies muss sich, wenn man die reine Physik betrachtet, schon grundlegend als falsch herausstellen und wurde mittlerweile ja auch vielfach entkräftet. Darüber hinaus wird aber übersehen, dass Composites über ein enorm vielfältiges und breites Eigenschaftsniveau, auch über den Leichtbau hinaus aufweisen. Die Leichtbaumöglichkeiten sind nur ein Baustein der für den Einsatz von Composites, vor allem auch in der Elektromobilität spricht.

Wie genau Composites zukünftig eingesetzt werden können und wo sich die meisten Potenziale zeigen, dass war Thema einer Arbeitskreissitzung der AVK zum Thema "Werkstoffeigenschaften und -anforderungen für die E-Mobilität“. Mehr als 150 angemeldete Teilnehmer informierten sich am 24. März über den aktuellen Stand aus Forschung und Entwicklung sowie derzeitige und zukünftige Anwendungsszenarien.

Leitfähige Kunststoffe, Kunststoffe im Hochvoltbereich, aber auch direktgekühlte Motoren aus faserverstärkten Kunststoffen waren dabei ebenso Thema, wie neue Materialentwicklungen und konkrete Anwendungsfelder im PKW-Bereich.

Potenziale für den Einsatz von Kunststoffen und ganz speziell auch Composites zeigen sich beispielsweise im Bereich des Batteriegehäuses bzw. des Deckels der Batteriegehäuse.

Das Batteriegehäuse inklusive Deckel ist in einem Fahrzeug ein Teil der gesamten Fahrzeugstruktur. Das Gehäuse beherbergt die Zellen, die Kühlung, die Verkabelung und schützt vor Crash-/Crush- Schäden. Composites verfügen u. a. über eine gute Zug- und Biegefestigkeit und erhöhen die Steifigkeit. Darüber hinaus ist eine hohe Formstabilität und elektrische Isolation garantiert. Spontanversagen des Bauteils gibt es nicht. EV (electric vehicle)-Batterien haben in der Regel große Dimensionen und ein komplexes Design. Große Bauteile und komplexe Formen lassen sich mit Composites in einem Bauteil darstellen, mehrstufige Verarbeitungsprozesse entfallen. Dies sind nur einige der Vorteile, die durch den Einsatz von Composites entstehen können. Die Experten des AVK-Arbeitskreises waren sich einig: die Elektromobilität bietet vielfältige Chancen für Composites. Man muss als Industrie die sich bietenden Möglichkeiten gemeinsam angehen, um von den anstehenden Änderungen profitieren zu können. Darüber hinaus muss die Vorteilhaftigkeit der Materialien zukünftig noch besser nach außen und zu potenziellen Nutzern/Anwendern kommuniziert werden.

Deswegen wurde entschieden, die Arbeit gemeinsam fortzusetzen. Ein nächstes Treffen des Arbeitskreises „Werkstoffeigenschaften und -anforderungen für die E-Mobilität“ wird am 24.06.2021 stattfinden.
 

• 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.“

Nachhaltigkeit und Umweltbewusstsein sind wichtige Entwicklungen für die derzeitige Gestaltung von Produktionen und Produkten. Um eine umfassende Einschätzung des Potentials von bio-basierten Composites zu erhalten, untersucht das AZL zusammen mit einem Industriekonsortium das Marktpotential, zukünftige Anwendungen und relevante Technologien für bio-basierte Composite-Materialien. Die 5-monatige Markt- und Technologiestudie startet am 22. Oktober 2020 und ist offen für interessierte Firmen. Firmen wie REHAU, ein Automotive Tier 1, Asahi Kasei, Johns Manville, Mahr Metering Systems sowie mehrere Materialhersteller beteiligen sich an der Studie.

Bio-Kunststoffe sind in der Industrie, vor allem in Verpackungsanwendungen etabliert. Es wird erwartet, dass der Markt für Biopolymere von 10,5 Milliarden USD im Jahr 2020 auf 27,9 Milliarden USD im Jahr 2025 wachsen wird. Gleichzeitig sind bio-basierte Rohmaterialien, wie Naturfasern, kosteneffektiv auf dem Markt erhältlich. Auch Composites mit Holz- oder Naturfaseranteilen werden zunehmend in Produkten eingesetzt.

Dr. Michael Emonts, Geschäftsführer des AZL: „Zusammen mit unseren Partnerfirmen wollen wir bisher noch unerkanntes Geschäftspotential für Composites mit aus bio-basierten Materialien identifizieren. Dazu wenden wir unseren etablierten Ansatz für Markt-/Technologiestudien an und tauchen ausgehend von einer detaillierten Marktanalyse tief in die technologische Bewertung von Technologien, Anwendungen und Business Cases.“

Ausgehend von einer detaillierten Marktsegmentierung, analysieren die Technologieexperten des AZL die verschiedenen Marktsegmente hinsichtlich ihrer Größe, ihres Wachstumspotentials, relevanter Akteure und existierender und zukünftiger Anwendungen. Die Teilnehmer der Studie erhalten für die identifizierten Anwendungen detaillierte Einsicht in die jeweiligen technischen und gesetzlichen Anforderungen sowie einen Überblick über Wertschöpfungsketten, Prozesse und Materialien. Im Folgenden werden die Stärken und Herausforderungen von Bio-Composites gegenüber konventionellen Materialien erarbeitet. Das Konsortium wählt die Komponenten mit dem höchsten Potential aus, für die geeignete Produktionsszenarien erarbeitet und im Rahmen einer Business-Case-Analyse hinsichtlich ihrer Kosten analysiert werden.

„Wir sind bei der AZL-Studie dabei, um dadurch neue Produktbereiche mit Bio-Materialien zu identifizieren und zu bewerten. Die technologischen Analysen der AZL-Studien haben uns bereits in der Vergangenheit geholfen, Neuentwicklungen anzustoßen,“ erklärt Dr. Steven Schmidt, Director Technology Platforms Materials bei REHAU die Motivation mit dem AZL und dem Industriekonsortium zusammen zu arbeiten. „Als einer der 50 Sustainability & Climate Leaders bringen wir bei REHAU umweltfreundliche Materialien in immer mehr Produkte. Überall, wo das Unternehmen tätig ist – von der Möbel-, über die Bau- bis hin zur Automobilindustrie – entwickelt und produziert REHAU bereits heute qualitativ hochwertige Produkte aus Recycling-Rohstoffen. Bis 2025 plant REHAU, seine Recyclingquote gruppenweit auf deutlich mehr als 15 Prozent zu erhöhen und gleichzeitig den CO2-Ausstoß um mindestens 30 Prozent zu reduzieren,“ ergänzt Dr. Steven Schmidt.

Bio-Composites werden auch Thema im anstehenden Lightweight TechTalk by AZL am 29. September 2020 sein. Experten aus Industrie und Academia werden in 6 Vorträgen Technologie- und Markteinblicke geben zu Nachhaltigkeit und Recycling von Composites. Die Anmeldung ist kostenfrei möglich unter: https://azl-aachen-gmbh.de/termine/recycling-of-composites/

Das Kick-Off des Projekts findet am 22. Oktober 2020 im Rahmen einer Video-Konferenz statt.

Weitere Hintergrundinformationen zum Projekt finden Sie unter folgendem Link: https://azl-aachen-gmbh.de/wp-content/uploads/2020/09/2020-251_OP_Bio-Bases_Composites.pdf