From the Sector

• 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.“

Forschende aus aller Welt diskutierten Zellkonzepte von elektrochemischen Reaktoren

Eine Plattform bieten für den interdisziplinären Austausch auf dem Gebiet elektrochemischer Zellen – mit dieser Zielsetzung startete Jan Girschik die Planung für das erste »E3C – Electrochemical Cell Concepts Colloquium«. Dieses Ziel hat der Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT definitiv erreicht: Über 130 Forschende aus 13 Ländern – darunter Kanada, die USA, Uruguay, Indien, Griechenland, Großbritannien und sieben weitere europäische Nationen – nahmen an der Online-Veranstaltung am 14. Mai teil. Ihre Vorträge und Diskussionen drehten sich um Gemeinsamkeiten und potenzielle Kombinationsmöglichkeiten von Zellkonzepten und Fluidführungen für Flow-Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyse-, Elektrosynthese- und Elektrodialysezellen.

In welche Richtung die weitere Entwicklung in Zukunft gehen könnte, verdeutlichte Edward Roberts von der University of Cagliary am Beispiel einiger »wacky ideas«, an denen sein Team und er aktuell arbeiten. Dazu gehören komplexe Zellen mit beweglichen Festbettelektroden, eine oszillierende Fluidführung sowie Modifikationen mit magnetischen Feldern.

Neue Wege zur Gestaltung von Elektroden
Innovative Ideen stellte auch Prof. Matthias Wessling vor. Der Wissenschaftler der RWTH Aachen hielt die zweite Keynote mit dem Titel »Free form fabrication of electrochemical membrane reactors« und betonte: »Die Integration von Reaktions- und Trennsystemen für Elektroden ist ein wunderbarer, wissenschaftlicher Spielplatz für elektrochemische Ingenieurinnen und Ingenieure.“ Auf dem Aachener Spielplatz sind u. a. nickelbasierte Anoden für die Oxidation von Lignin entstanden – und zwar in Gestalt keramischer Membranrohre. Diese können z. B. per 3D-Druck, selektivem Lasersintern und laserloser additiver Fertigung hergestellt werden, so Matthias Wessling.

Um die Kreativität der Teilnehmenden mit Blick auf die Gestaltung von Elektroden anzuregen, stellte er zudem verschiedene Formen vor, mit denen sein Team und er arbeiten. Abschließend thematisierte er Röhrenreaktoren sowie den Einsatz von Durchfluss- und Slurry-Elektroden.

Auf die Keynotes folgten weitere Vorträge in drei Sessions: Im Fokus von »Cell design and fluid flow« standen Zellkonzepte und innovative Strömungsführungen unterschiedlicher Reaktorarten. In der Session »Functional components« ging es u. a. um Membranen und poröse Elektroden, während sich die Session »Stack design, testing and sealing technology« primär um den bipolaren Aufbau von elektrochemischen Reaktoren drehte. Die Vortragenden kamen u. a. von dem Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem DECHEMA-Forschungsinstitut, der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, der TU Clausthal, der ZBT GmbH sowie dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und dem UMSICHT.

• Mit einem Festakt haben Dr. Eva-Maria Stange, Staatsministerin für Wissenschaft und Kunst des Freistaates Sachsen, Prof. Gerhard Rödel, Prorektor für Forschung der Technischen Universität Dresden, Prof. Hubert Jäger und Prof. Chokri Cherif am 02.11.2018 das Carbonfaser-Technikum des Research Center Carbon Fibers (RCCF) eröffnet.

Das RCCF, eine gemeinsame wissenschaftliche Einrichtung des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) und des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden, wurde gegründet, um die Carbonfasern vom Faserrohstoff bis zum fertigen Bauteil zu erforschen und neue Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten zu entdecken.

„Sachsen verfügt in der Schlüsseltechnologie Werkstoff-, Material- und Nanowissenschaft über hervorragende Rahmenbedingungen und hoch motivierte Wissenschaftler an Hochschulen und Forschungseinrichtungen, die in dieser Spezialisierung weltweit ihresgleichen suchen“, erklärt dazu Staatsministerin Dr. Stange. „Beinahe alle Materialklassen von Metallen, Polymeren, Keramiken bis hin zu Verbund- und Naturwerkstoffen werden auf international hohem Niveau bearbeitet. Dabei greifen Grundlagen- und Angewandte Forschung in zahlreichen Feldern eng ineinander und bilden geschlossene Entwicklungsketten bis zu einem Transfer in die Wirtschaft – regional, national und international.“

Der Prorektor für Forschung der TU Dresden, Prof. Gerhard Rödel, ergänzt: „Mit dem Carbonfaser-Technikum ist im Research Center Carbon Fibers eine weltweit einzigartige Anlage entstanden, die völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Es geht darum, Fasern mit einem möglichst hohen Individualisierungsgrad zu designen – je nach Bedarf und Einsatzbereich.“

Auf der derzeit installierten, einzigartigen Anlage erforschen Wissenschaftler des RCCF unter Reinraum-Bedingungen die Grundlagen für maßgeschneiderte Kohlenstofffasern und erschließen deren hohes Innovationspotential. Dabei greifen die Forscher auf einzelne Anlagenmodule zur Stabilisierung und Carbonisierung mit industrienahem Ofendesign und individuell einstellbaren Parameterkombinationen zurück. Durch den außerordentlichen Reinheitsgrad sind die Carbonfasern für die Anforderungen der Luft-/Raumfahrt- und der Automobilindustrie maßgeschneidert.

„Die Carbonfaser ist der Stahl des 21. Jahrhunderts“, führt Prof. Hubert Jäger, Sprecher des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), aus. „Ganze Branchen erfinden sich derzeit durch diesen Werkstoff neu und erreichen mit ihren Produkten nie gedachte Dimensionen. Das Problem ist jedoch die Verfügbarkeit. Wir werden mit dem Carbonfaser-Technikum einen Beitrag dazu leisten, dass aus Sachsen heraus dieser Werkstoff nicht nur leichter verfügbar, sondern auch besser und maßgeschneidert einsetzbar wird für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugbau, Architektur und Hochleistungselektronik.“

„Mit der Inbetriebnahme des Carbonfaser-Technikums unter Reinraumbedingungen am RCCF gelingt es uns, die Prozesskette zur Fertigung maßgeschneiderter Kohlenstofffasern signifikant zu erweitern. Die notwendigen Maschinentechniken des ITM einschließlich der bereits gewonnenen Erfahrungen bei Prozessoptimierungen zur Herstellung von Precursorfasern, dem Ausgangsmaterial für die neuen Stabilisierungs- und Carbonisierungslinien, stehen in künftigen Forschungsvorhaben den Wissenschaftlern des RCCF zur Verfügung. Somit geben wir am exzellenten Forschungsstandort Dresden die Initialzündung für die weiterführende Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Kohlenstofffasern“, ergänzt Prof. Chokri Cherif, Direktor des ITM und Inhaber der Professur für Textiltechnik.

Das Carbonfaser-Technikum umfasst einen mehr als 300 m² großen Reinraum der Klasse ISO 8. Neben den beiden auf etwa 30 Metern aufgestellten Stabilisierungs- und Carbonisierungslinien sind weitere Flächen für künftige Erweiterungen der Gesamtanlage vorgesehen, zum Beispiel ein weiterer Hochtemperaturofen, in dem Carbonfasern bis zu Temperaturen über 2000°C graphitierbar sind oder unikale Beschichtungsanlagen zur Oberflächenaktivierung.

Die RCCF-Wissenschaftler ergründen die Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern, Faserstruktur und weiteren mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bei der Herstellung von Carbonfasern, um die Fähigkeiten des Hightech-Werkstoffes weiter zu steigern. Zusätzlich nehmen die Forscher die Entwicklung multifunktionaler Fasern mit neuartigen Eigenschaftsprofilen wie hohe Leitfähigkeit bei hoher Festigkeit oder ausgeprägter Verformbarkeit sowie die Nutzung erneuerbarer Ausgangsstoffe in den Fokus ihrer Arbeiten.

Ein weiterer Schwerpunkt der RCCF-Aktivitäten ist die tiefgreifende studentische Ausbildung im Bereich der Carbonfaser-Herstellung. Den Studierenden werden dabei fundierte Kenntnisse in Herstellung und Weiterverarbeitung von Carbonfasern vermittelt, damit sie in diesem Bereich der Zukunftstechnologien dem sächsischen und deutschen Arbeitsmarkt zur Verfügung stehen. Etwa 15 Studierende werden pro Jahr in Forschungsbereiche wie die Prozessführung, -modellierung und -überwachung sowie die Entwicklung, Fertigung und Charakterisierung neuer Carbonfasern und Verbundwerkstoffe einbezogen.

Das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University, kurz ITA, zeigt auf der Composites Europe in Stuttgart vom 06.-08. November Produkte, Bauteile und Maschinen entlang der Faserverbundprozesskette. Das ITA präsentiert sich auf dem Stand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau (AZL) in Halle 9, Stand E70. Anhand verschiedener Demonstratoren werden ausgewählte innovative Prozesse und Produkte über die einzelnen Schritte hin dargestellt. Die Exponate stammen aus unterschiedlichen Anwendungsfeldern: Von Mobilitätsanwendungen bis hin zur Baubranche. Anbei ein Beispiel aus dem Baubereich:

Durch den Barhocker aus Beton mit hybrider Carbon-Textilbewehrung beweist das ITA, dass Textilbetonelemente eine enorme geometrische Gestaltungsfreiheit ermöglichen und gleichzeitig einfach herstellbar sind. Bislang war die manuelle Positionierung der Textilbewehrung zeitaufwändig und komplex, da zulässige Toleranzen im Millimeterbereich liegen. So trug die Fertigung hauptsächlich zu den hohen Kosten von Textilbeton bei.

Am ITA wurde gemeinsam mit den beiden Industriepartnern Albani Group GmbH & Co. KG und DuraPact 2.0 Kompetenzzentrum Faserbeton GmbH eine neue Hybridbewehrung mit integriertem Ab-standshalter entwickelt. Diese Hybridbewehrung senkt die erforderliche Zeit zur Positionierung der Bewehrung um bis zu 60 Prozent und macht den Werkstoff damit deutlich wettbewerbsfähiger.

Die kostengünstige, hybride Bewehrung enthält einen integrierten Abstandshalter und ermöglicht damit die einfache Positionierung von trockenen und beschichteten Bewehrungen. Durch den integrierten Abstandhalter lassen sich schnell mehrere Bewehrungslagen stapeln, wodurch der gewünschte Bewehrungsgrad einstellbar ist. Die Hybridbewehrung besteht aus einem Carbon- oder Glasfasergitter, das mit einer durchlässigen Matte aus Polyamid gefügt ist und in naher Zukunft bei den Industriepartnern als Rollenware erhältlich ist.

The Mechanical Engineering Industry Association (VDMA) has awarded two prizes to graduates of the Institut für Textiltechnik (ITA) of RWTH Aachen University - the dissertation prize and the creativity prize of the Walter Reiners Foundation of German Textile Machinery 2018. ITA alumnus Dr Benjamin Weise was awarded the dissertation prize for the development of novel fibres for textile charge storage devices. For their work on a guide to 4D product design, Jan Merlin Abram and Aalon Tal (both ITA students) were honoured with the creativity prize. The dissertation prize is endowed with €5,000 whilst the creativity prize contains a one-year scholarship of €250 per month. Peter D. Dornier, President of the Walter Reiners Foundation and Chairman of the Management Board of Lindauer DORNIER, presented the awards on the 18 September 2018 at the 18th Textile Machinery Forum in the Digital Capability Center in Aachen, Germany.

Graphene revolutionizes all-in-one - supercaps, reduction of terahertz radiation and antistatics

In his dissertation "Development of graphene-modified multifilament yarns for the production of textile charge storage devices", laureate Dr Benjamin Weise developed novel fibres made of polyamide and graphene and further processed them into textile surfaces. The newly developed polyamide graphene fibres are featuring a multitude of advantages:

• Due to their high performance in the charge storage area, they are predestined for use in double-layer capacitors, so-called super capacitors, or supercaps in short. Compared to lithium-ion batteries, supercaps offer significantly higher power density and a longer lifetime as no chemical reactions are taking place. towing to the graphene platelets in the filaments, it is now possible for the first time to integrate a charge storage device directly into a textile without having to sew in a rechargeable battery. This new fibre is therefore suitable for prospective use in smart textiles, for instance in a textile defibrillator.
• The new graphene-modified polyamide fibres can attenuate inident terahertz radiation up to 25 % of their original intensity. Terahertz radiation, for example, offers transmission rates of 100 Mbit/sec and is therefore of high interest for high-performance wireless communication. However, the radiation could damage sensible electronics as in aircrafts if this technology will be used widespread. Consequently, the shielding of the radiation is of high importance, e.g. in the form of fibre composite components in the aircraft, which protect the on-board electronics.
• As the fibres are showcasing a dissipative electrical conductivity, personal protective equipment is another prospective field of application.  

The development of a pilot process for graphene-modified fibres and the production of textile demonstrators are novel and disruptive attainments of Dr Weise’s PhD thesis and the reason for the award ceremony to him. Due to its outstanding properties, the European Union is funding research on graphene within the frame of the "Graphene Flagship" with an overall budget of one billion Euro (source: http://graphene-flagship.eu/project/Pages/About-Graphene-Flagship.aspx).

Modular product design of 4D products is now possible in simplified form

How can three-dimensional products change their shape over time and thus become "four-dimensional"? The students Jan Merlin Abram and Aalon Tal provide answers to this question in their project work "Leitfaden zur Auslegung hybrider morphender Textilien am Beispiel eines Scharniers" (Guidelines for the Design of Hybrid Morphing Textiles Using the Example of a Hinge), for which they were awarded the creativity prize. In their work, the students offer a guideline for the development of a four-dimensional textile from the idea to the demonstrator. Four-dimensional textiles, for example, consist of a hybrid material of elastic textile on which three-dimensional structures are printed. The fourth dimension describes the change in shape and/or a property over a defined period of time (= morphing).  This change is caused by external influences such as light and heat.

Every year, the Foundation of the German Textile Machinery awards prizes for the best dissertation, diploma or master's thesis and the creativity prize for the smartest student research project. Further prizes were awarded to Eric Otto, ITM Dresden, and Susanne Fischer, Reutlingen University.

Packaging solution made of 100% plastic recyclate delivers circular economy proof point
Borealis, a leading provider of innovative solutions in the fields of polyolefins, base chemicals and fertilizers, announces the successful launch of a new packaging solution produced entirely with post-consumer recycled (PCR) material. Developed in close collaboration with the German consumer and industrial goods company Henkel and two additional value chain partners, this truly sustainable packaging solution is further evidence of how mtm plastics GmbH, a member of the Borealis Group, is helping increase the circularity of plastics. The launch has significance for the consumer goods industry because the robustness of this new packaging solution provides further evidence that plastic recyclate is indeed suitable for a variety of demanding packaging applications, in this case a popular adhesive brand marketed by Henkel.

Value chain collaboration yields plastic bottle and nozzle composed of 100% PCR material
In 2016, Borealis acquired leading German recycler mtm plastics GmbH, which is now a member of the Borealis Group. By leveraging their respective areas of expertise and decades of experience as a virgin polyolefins producer and “upcycler”, respectively, Borealis and mtm plastics are exploring new growth opportunities with joint forces.

A success story originating from this exploration is a recently completed pilot project with Henkel, the global leader for adhesives, sealants and functional coatings. The companies have worked to develop a new packaging solution based on recycled material for the Made-at-Home all-purpose glue bottle and cap, which Henkel is marketing under its well-known Pattex brand.  The aim was to replace the virgin plastic material traditionally used for this packaging with a recyclate-based resin. The resin, however, had to fulfil the diverse material demands for packaging of an adhesive product.

After extensive and joint application development, a new bottle was developed with the proprietary mtm product Purpolen® PE, a high-quality polyethylene regranulate produced by mtm at its facilities in Niedergebra, Germany. Value chain partner KKT Kaller Kunststoff Technik GmbH, a plastics processor also based in Germany, manufactured the bottles. For the three separate components of the adjustable applicator nozzle, which is used for both filigree and wide-area gluing, high-quality Purpolen® PP polypropylene regranulate produced by mtm was identified as the ideal solution. German plastic components manufacturer bomo trendline Technik GmbH produced the applicator nozzles.

The new Pattex Made-at-Home packaging solution successfully passed extensive application tests, including a three-month storage test and other tests of mechanical properties. It was launched on the European market in 2018.

“Our commitment to leadership in sustainability is deeply embedded in our companies´ values,” explained Matthias Schaefer, Project Manager for Global Packaging Engineering at Henkel Adhesive Technologies. “We are at the forefront of the industry when it comes to new sustainability strategies in packaging.  Thus, we identified Pattex Made-at-Home as a candidate for exploring the use of recyclate instead of virgin plastics. This constructive collaboration with our partners proves the viability of 100% PCR material for an adhesive product like Made-at Home. It also underscores our efforts at Henkel to drive leadership in sustainability in the consumer goods sector.”

“As a virgin polyolefins producer, Borealis is thrilled to be among the pioneers in using plastic recyclate in new applications,” says Günter Stephan, Head of Borealis Circular Economy Solutions. “Even though momentum is gaining in the drive to increase the circularity of plastics, we still need to prove without a doubt within the industry that using recyclates – and even 100% PCR – is a suitable and effective option, even for demanding applications. Thanks to this successful value chain cooperation with our partners Henkel, KKT and bomo, we are giving plastics a second life and are thus one step closer to the goal of a more circular economy of plastics.”
 

Dresden - Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier besuchte die Preisträger des Zukunftspreises 2016 und den Standort des Carbonbeton in Dresden

Im Rahmen seines zweitägigen Antrittsbesuchs in Sachsen war Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier am 14. November 2017 an der TU Dresden zu Gast. Gemeinsam mit seiner Frau Elke Büdenbender informierte er sich vor Ort über den prämierten Zukunftswerkstoff Carbonbeton.

In einer anschaulichen Präsentation informierten die Preisträger des Zukunftspreises 2016 – der Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation, Professor Chokri Cherif, Direktor des Institutes für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden, der emeritierte Professor Peter Offermann, Vorstandsvorsitzender des Verbandes Tudalit und Beirat im Deutschen Zentrum Textilbeton und Professor Manfred Curbach, Direktor des Institutes für Massivbau der TU Dresden, über das zukunftsträchtige Material Carbonbeton und das dazugehörige Großforschungsprojekt C³ – Carbon Concrete Composite.

Dabei überzeugte sich das Bundespräsidentenpaar in vertiefenden Gesprächen mit Dresdner Wissenschaftlern von den ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Vorteilen des innovativen Verbundwerkstoffes. Mithilfe der zahlreichen Demonstratoren, die das Material von der Entstehung bis zum fertigen Produkt darstellen, konnten die besondere Leichtigkeit und Formbarkeit von Carbonbeton eindrucksvoll veranschaulicht werden.

Die Weichen für den Erfolg des Carbonbetons wurden bereits 1993 von Professor Offermann an der TU Dresden als Erfinder des Textilbetons gestellt. Aus dieser Vision entstand der erste Sonderforschungsbereich, welcher maßgeblich von der Innovation des ITM geprägt war. Gemeinsam haben die drei prämierten Carbonbetonforscher Cherif, Offermann und Curbach die Forschungsaktivitäten zum Einsatz von Carbon als textile Bewehrung im Beton in zahlreichen weiteren interdisziplinären Forschungsprojekten stetig vorangetrieben. Schon seit 2006 werden deutschland- sowie weltweit alte Bauwerke, oder auch riesige Silos mit Carbonbeton verstärkt.

Der Baustoff Carbonbeton stellt also nicht nur eine Innovation für den Standort Dresden dar, sondern wird weltweit immer wichtiger. Darüber hinaus fördert seit 2014 das Bundeministerium für Bildung und Forschung den gegründeten Verein C³ – Carbon Concrete Composite e. V. mit einem Gesamtprojektvolumen von ca. 80 Millionen Euro. Der C³ e. V. ist ein interdisziplinäres Netzwerk aus mehr als 150 Partnern aus den Bereichen Wirtschaft, Wissenschaft und Verbänden, die gemeinsam die Einführung des Materials auf dem Markt vorantreiben. Wissenschaftler des Instituts für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der TU Dresden bearbeiten mehrere Teilvorhaben federführend und sind in weiteren Teilvorhaben maßgeblich als Projektpartner integriert.

Prof. Dr. Konstantin Kornev, Clemson University, USA, hat am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH-Aachen University einen Vortrag über biologisch inspirierte, Faser-basierte Nanofluidik gehalten. In einem sehr lebendigen Vortrag zeigte er auf, wie durch Butterfly proboscis, eine flexible Faser, die als Fütterungsgerät von Schmetterlingen und Motten dient, die Rolle der Oberflächenmorphologie und Chemie dieser komplexen multifunktionellen Fasern zu verstehen ist. Hierbei konnte er mit Hilfe der Röntgenphasen-Kontrast-Bildgebung, der Hochgeschwindigkeitsoptischen Bildgebung und von magnetischen Sonden komplexe Mechanismen von Fluid- und Rüssel-Wechselwirkungen nachweisen. Mit den Grundprinzipien des Rüssel-Funktionierens demonstrierte er anschaulich in dem Vortrag, wie flexible Faser-basierte Sonden für den Transport von kleinen Mengen an Flüssigkeiten entworfen und produziert wurden. Garne aus Nanofasern mit entsprechender Porosität haben außergewöhnliche Fähigkeiten, unterschiedliche Flüssigkeiten zu transportieren. Einige Biotechnologie-Anwendungen von Faser-basierten Sonden wurden im Vortrag gezeigt.

Ob im Maschinenbau, in der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt – dem Leichtbau kommt für die Zukunft dieser Industriebereiche eine entscheidende Bedeutung zu. Leichtere und steifere Bauteile bewirken eine Verminderung des Treibstoffverbrauchs und führen zur Einsparung von Treibhausgasen. „In der Verarbeitung von Leichtmetallen wie Aluminium bei Gussverfahren sind wir heute allerdings an der Grenze des physikalisch Möglichen angelangt“, erläutert Cornelia Sennewald, Ingenieurin an der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. „Der nächste Qualitätssprung zu noch einmal deutlich leichteren und dabei 2 zugleich stabileren Strukturen führt über die Herstellung sogenannter metallischer Zellen. Dabei werden Drähte so ineinander verwoben, dass superfeste Verbindungen bei gleichzeitig minimalem Materialeinsatz entstehen.“

Die noch junge Werkstoffklasse der sogenannten zellularen metallischen Materialien besitzt außerordentliches Potenzial – wobei bislang das Problem bestand, diese Zellen kostengünstig und in industriellem Maßstab zu produzieren. Sennewald gelang es im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Technischen Universität Dresden, ein neuartiges Verfahren zu entwickeln und diese komplexen 3D-Strukturen auf handelsüblichen Webmaschinen herzustellen. „Dank des neuen Verfahrens konnte ich Metallfäden und -drähte statt in den üblichen 2D-Strukturen auch zu 3D-Strukturen verbinden, und zwar in ganz unterschiedlichen Größen und Formen“, erläutert Sennewald. „Außerdem gelang es mir – das war ein zweiter großer Schritt nach vorn –, andere Leichtbaustoffe wie Carbon-Fasern mit zu verweben, was ganz neue Einsatzmöglichkeiten eröffnet.“ Die hybride Verbindung von Metallen und Kunststoffen bietet ein weiteres breites Spektrum ableitbarer Anwendungen. „Wir denken an Crash-Elemente, die eine extrem hohe Steifigkeit besitzen und zudem hohe Temperaturen aushalten. Wir könnten auf diese Weise beispielsweise die Betonstrukturen von Gebäuden verstärken, um sie widerstandsfähiger gegen Erdbeben zu machen. Oder sie besser gegen Explosionen schützen. Bei bestehenden Gebäuden könnte hier ein entsprechender Materialauftrag infrage kommen, bei Neubauten könnten die von uns entwickelten zellularen Webstrukturen gleich mit in den Bau einbezogen werden.“

Das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen University hat gemeinsam mit der Firma mezzo-forte Streichinstrumente aus Werther einen zerlegbaren Kontrabass aus carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) entwickelt, dessen Hals und Corpus durch eine Verbindungsstelle aus CFK zerlegt werden können. Hier ergibt sich ein großer Vorteil beim Transport: So misst der zerlegbare Kontrabass maximal 1,10 m in der Länge anstelle von 2 m Länge in nicht-zerlegtem Zustand. Damit kann der zerlegbare Kontrabass per PKW und in Standardgepäckboxen transportiert werden und spart die bisherigen hohen Transportkosten als Sondergepäck ein.

Die eigentliche Innovation liegt darin, dass sowohl Verbindungsstelle als auch das Instrument aus CFK gefertigt sind und so keine klanglichen Einbußen durch einen Werkstoffwechsel in der Verbindungsstelle entstehen. Warum? Eine Verbindungstelle muss gleichzeitig sehr steif und robust sein. Hier stellt carbonfaserverstärkten Kunststoff das ideale Baumaterial für einen Kontrabass dar, da er eine hohe Steifigkeit und gute mechanische Eigenschaften besitzt. Wenn Instrument und Verbindungsstelle aus unterschiedlichen Werkstoffen sind, kann dies zu einer klanglich inaktiven Region im Instrument und damit zu einem schlechten Klang und einem instabilen Instrument führen.