Textilfaserverstärkte Kunststoffbauteile: Quo vadis?

Hersteller von Automobilen, Flugzeugen und Windenergieanlagen setzen vehement auf faserverstärkte Kunststoffe. Die einen, um den Energieverbrauch ihrer Produkte zu senken, die anderen, um mit immer größeren Rotorblättern den Energieertrag zu steigern. So verschieden die Ausgangslage auch ist, so sehr findet sie in technischen Textilien ihren gemeinsamen Nenner. Zumal Fasern aus Carbon, Aramid, Glas und nachwachsenden Rohstoffen vielen duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen als Rückgrat dienen.

Composites mit Verstärkungsfasern aus Carbon sind Bauteilen aus Stahl oder Aluminium oft hinsichtlich Zugfestigkeit, E-Modul und Dauerfestigkeit überlegen. Dass die aus Kohlenstoff erzeugten Fasern im Automobilbau trotzdem noch eine geringere Rolle spielen als im Flugzeugbau, liegt am Preis und an den erst jetzt verfügbar werdenden Verfahren für die Großserienproduktion faserverstärkter Bauteile. Außerdem werden längst noch nicht alle Recyclinganforderungen der Automobilindustrie erfüllt. Doch auf beiden Gebieten lösen technische Neuerungen einen bislang nie dagewesenen Aufbruch aus. Die ‚Technologie-Eisbrecher‘ Airbus A380 und Boeing 787 haben die Fahrrinne frei gemacht, durch die jetzt der Automobilbau drängt – nicht mehr mit Rennwagen und Konzeptfahrzeugen, sondern mit in Großserien produzierten ‚Brot‘-Modellen.

Alles spricht dafür, dass textilfaserverstärkte Kunststoffbauteile jetzt den Durchbruch in die Großserienfertigung schaffen: Zum einen lassen neue Produktionsverfahren wie das reaktive Resin-Transfer-Moulding die Zykluszeiten für duroplastische CFK-Teile auf wenige Minuten sinken.  Zum anderen drängen faserverstärkte Thermoplaste in den Markt, die neben Zykluszeiten von lediglich ein bis zwei Minuten auch noch zahlreiche andere Vorteile bieten, wie die nacharbeitsfreie Produktion auf Spritzgießmaschinen oder die Schweißbarkeit von Strukturteilen bei der Montage und im Reparaturfall. Last but not least sind neue Recyclingverfahren entstanden, mit deren Hilfe sich kohlenstofffaserhaltige Produktionsreste und End-of-life-Bauteile recyceln lassen, wobei die Carbonfasern zu 100 Prozent zurückgewonnen werden.

Carbonfasern auch aus nachwachsenden Rohstoffen

Doch Recycling allein reicht nach der Überzeugung des Werksstoffwissenschaftlers Professor Dr.-Ing. Hans-Josef Endres vom Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover nicht aus, um die Ökobilanz von Composites zu verbessern. Prof. Endres: „Der Versuch, Carbonfasern 1:1 durch Naturfasern zu ersetzen, ist ebenfalls nicht zielführend. Naturfasern haben ein anderes Eigenschaftsprofil: Sie basieren auf einem erneuerbaren Rohstoff, sind preiswerter, bieten bessere akustische Eigenschaften und neigen kaum zum Splittern. Ziel muss es deshalb sein, eine Alternative zu bieten, bei der die Gesamt-Charakteristik der hergestellten Verbundbauteile den kohlenstoffbasierten Composites überlegen ist.“ Im Rahmen des Forschungsprojekts ‚Bioconcept-Car‘, das von der Hochschule Hannover betreut und vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) sowie der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) gefördert wird, entstand ein VW Scirocco Rallyefahrzeug, das neben zahlreichen Bauteilen aus Biokunststoffen auch eine biobasierte faserverstärkte Heckklappe besitzt.

Der Automobilbau braucht Composites mit Fasern, deren langfristige Verfügbarkeit nicht vom Erdöl abhängt. Das können Fasern auf Lignin- oder Cellulosebasis sein oder auch Fasern aus thermoplastischen Polyolefinen, die es erlauben, Bauteile aus werkstoffidentischen Faser- und Matrixverbunden zu erzeugen, die sich komplett stofflich recyceln lassen.

Wenn wir uns die Zukunft des Leichtbaus anschauen, können technische Fasern und Textilien sicher noch mehr. Mehr dazu morgen.

Beitragsbild: Quelle – A. Heddergott / S. Rauchbart / TU München

Marc Chalupsky

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