Neue Werkstoffe für leichtere, effizientere Bauteile
Das EU-finanzierte Projekt INCOM (Industrial Production Processes for Nanoreinforced Composite Structures) hat technisch und wirtschaftlich realisierbare Lösungen und Fertigungsverfahren für Leichtbaustrukturen auf Grundlage moderner nachhaltiger Materialien entwickelt, die für Verpackungen, Fahrzeuge, Sportartikel und Luftfahrtanwendungen geeignet sind. „Im Wesentlichen haben wir bei der Entwicklung und Fertigung von leichten, nachhaltigen und strapazierfähigen Komposit-Sandwichstrukturen für ein Spektrum verschiedener Anwendungen mitgewirkt“, erläutert Lisa Wikström, INCOM-Projektkoordinatorin. „Schlüssel zu unserem Erfolg waren neue Wege zur Fertigung zellulosehaltiger Nanofasern (cellulosic nanofibre, CNF), einem aus Zellulose aus Biomasse und Bioabfall gewonnenen Material im Nanobereich, das zur Verstärkung der Komposit-Sandwichstrukturen dient.“ Leichte Sandwichkernstrukturen bedeuten neue Möglichkeiten zur Senkung des Gewichts von Kompositstrukturen und/oder zum Ersatz von Rohmaterialien auf Erdölbasis in Verbundwerkstoffen. Beispielsweise können Sandwich-Kompositmaterialien in vielen Anwendungen monolithische Strukturen ersetzen, wodurch Einsatzstoffe eingespart werden und das Gesamtgewicht verringert wird sowie weniger Abfall erzeugt wird, wenn die Lebensdauer des Produkts abgelaufen ist. Sandwichstrukturen mit kostengünstigen Kern- und im Leistungsverhalten verbesserten Hautmaterialien ergeben leichte und kostenwirksame Komposite. Überdies verringert der reduzierte Materialeinsatz bei Sandwich-Kompositen im Vergleich zu monolithischen Strukturen deren Auswirkungen auf die Umwelt. Leichte Strukturmaterialien im Verkehrs- und Luftfahrtsektor bedeuten Treibstoffeinsparungen und weniger CO2-Emissionen. CNF herstellen Im Einzelnen entwickelte das Projekt eine ganze Bandbreite von Produkten. Dazu zählten: starre Nanozellulosefaser-Biopolyurethan-Kompositschäume, extrudierte und teilchengeschäumte Polylactidschäume auf biologischer Basis, zellulosefaserverstärkte Wabenstrukturen und Polycarbonat-Wabenkörper mit hervorragendem Brand-, Rauch- und Toxizitätsverhalten. Zu diesem Zweck folgte das Projekt zwei Ansätzen zur Fertigung, Modifikation und Verarbeitung von CNF. Der erste umfasste das Fibrillieren von Zellulose in einem Präpolymer unter Einsatz einer Korbkugelmühle. Der zweite beinhaltete das Fibrillieren von Zellulose auf Basis von biologischen Rückständen in wässrigen Medien durch Mahlen sowie die Entwicklung eines Qualitätsbewertungsinstruments zur Optimierung des Prozesses. Mit verschiedenen Industriepartnern wurden Pilotversuche durchgeführt, bei denen beide CNF-Fertigungswege umgesetzt wurden. CNF-verstärkte Harze setzte man zur Herstellung von Komposit- und Leichtbau-Sandwichstrukturen ein, für die drei Kerntypen entwickelt wurden: erweiterter NFC-verstärkter PU-Schaumstoff auf biologischer Basis, thermoplastischer Schaumstoff auf biologischer Basis und thermoplastische Waben. Zudem wurden industriell realisierbare Produktionsverfahren entwickelt. „Es zeigte sich, dass CNF-verstärkte Bio-PU-Schäume auf dem gleichen Niveau wie kommerzielle PU-Schäume funktionieren“, sagt Wikström. „Wir haben außerdem festgestellt, dass die Zugabe von CNF die Druckfestigkeit und den Modul der Schaumstoffe weiter verbessert hat.“ Potenzial für große Wirkung Das Projekt führte zur Entwicklung und Hochskalierung etlicher neuartiger Kompositstrukturen und praktikabler Bearbeitungsverfahren, die jeweils hohes Kommerzialisierungspotenzial haben. Zudem haben diese Lösungen neue und verbesserte Produktionsmethoden sowie nachhaltige und/oder kosteneffiziente Produktdemonstrationen ergeben, die wahrscheinlich zu neuen kommerziellen Produkten und Produktfamilien hinführen werden. „Mit den im Rahmen des INCOM-Projekts erzielten Resultaten verfügt der Kompositsektor nun über bessere Möglichkeiten zur Produktion unter Einsatz verbesserter, umweltfreundlicherer und weniger gefährlicher Prozesse und Materialien, woraus sich Produkte mit reduziertem Gewicht, optimiertem Leistungsverhalten und verbesserter Entsorgung am Ende der Lebensdauer ergeben“, fügt Wikström hinzu. „Mit der Kombination neuer Fertigungsprozesse mit neuen Materialien und Konzepten der Oberflächenbehandlung werden neue Entwürfe gefördert und insbesondere in der Produktentwicklung und Fertigungstechnologie Beschäftigungsmöglichkeiten in Europa geschaffen.“
Schlüsselbegriffe
INCOM, nachhaltige Fertigung, Sandwich-Kernstrukturen, zellulosehaltige Nanofaser, EU