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Ulrich Buller, Peter ElsnerIntegration statt Substitution

Produktentwicklungszeiten und Produktzyklen werden kürzer. Die Konsumenten wechseln deutlich häufiger Auto, Mobiltelefon und Tablet-PC als früher. Auch neue Features sind gefragt. Unternehmer stehen deshalb unter einem enormen Innovations- und Wettbewerbsdruck.

Ulrich Buller, Peter Elsner: Integration statt Substitution

Einschätzungen der 80er Jahre, dass ein starker Marktzuwachs bei den sogenannten technischen Thermoplasten oder Hochleistungskunststoffen entstehen wird, haben sich nicht vollständig bewahrheitet. Aus wirtschaftlichen Gründen sind in vielen Anwendungen Commodities, also Standardkunststoffe wie PE, PP und PS eingesetzt worden. Zur Eigenschaftsmodifikation wurden diese zum Teil funktional gefüllt oder mit Fasern verstärkt.

Noch vor wenigen Jahren wurden Kunststoffe in technischen Anwendungen nur eingesetzt, wenn sie als kostengünstige und leichtere Alternativen andere Werkstoffe substituieren konnten. Die Spezifikationen der Lastenhefte waren nicht auf Kunststoffe zugeschnitten und es war somit schwer, diese Werkstoffe in die Anwendungen zu bringen. Auch Ingenieure und Konstrukteure hatten Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe nicht primär im Kopf, wenn sie neue Bauteile konzipierten. Fehlende Kenntnisse der Materialcharakteristiken führten häufig zur Nichtberücksichtigung von Kunststoffen.

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Heute liegt das Hauptaugenmerk beim Einsatz von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen für technische Anwendungen nicht mehr in der einfachen Substitution von Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium, sondern in der einer geeigneten Mischbauweise und der damit verbundenen Entwicklung und Optimierung der Fertigungstechnik. Hybridisierung und Funktionsintegration lauten hier die Zauberworte für viele Komponentenhersteller. Die Bauteile werden dabei so ausgelegt, dass die einzelnen Werkstoffe je nach Funktion miteinander kombiniert werden. Die Materialien übernehmen die jeweils für sie maßgeschneiderte Aufgabe wie Lasteinleitung, Lastübertragung, Steifigkeit, Dämpfungsverhalten, Korrosionsverhalten oder Medienbeständigkeit, die sie in idealer Weise erfüllen.

Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen für semistrukturelle und strukturelle Komponenten in mobilen Anwendungen sind Gegenstand zahlreicher angewandter Forschungsprojekte. Der Großserieneinsatz verschiedener Verfahren hat im letzten Jahrzehnt deutlich zugelegt. So wurde beispielsweise das Langfaser-Thermoplast-Direktverfahren (LFT-D) – auch unter Mitwirkung von Fraunhofer-Forschern – für etliche Bauteile der Fahrzeugindustrie, wie Front-Ends, Instrumententafelträger oder als Unterbodenschutz etabliert. Beim LFT-D-Verfahren bereitet man Fasern und eine thermoplastische Matrix, häufig in der Kombination PP und Glasfasern, in einer Compoundieranlage und einem Zweischneckengerät zum Composit auf und presst dieses im plastifizierten Zustand direkt in der formgebenden Einheit zum Bauteil.

Auch die In-situ-Polymerisation von Thermoplasten direkt zum (hoch-)faserverstärkten Bauteil und das Direktschäumen von Bauteilen folgen diesem Trend. Gegenüber Halbzeug-basierten Fertigungsverfahren ergeben sich Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz und Materialkosten sowie häufig auch in einer größeren Gestaltungsfreiheit der Bauteile. Die dazu notwendigen Fertigungsprozesse werden unter anderem hinsichtlich Zykluszeit und Robustheit des Gesamtprozesses weiter optimiert, um letztlich auch einen ökonomischen Vorteil zu erhalten. Eine große Anzahl laufender Projekte in diesem Bereich belegen, dass die Attraktivität der Direktverfahren erkannt wurde.

Diese Verfahren sind sehr gut geeignet für die neuen Mischbauweisen. Allerdings treten damit auch neue Forschungs- und Entwicklungsaufgaben auf. Und das ist auch gut so, nicht nur für Fraunhofer sondern auch für die Industrie hierzulande. Im globalen Wettbewerb kann nur bestehen, wer solche Trends richtig einschätzt und die dazu notwendigen Entwicklungen vorantreibt. Die Hybridisierung birgt große Herausforderungen aber auch große Potenziale, zum Beispiel für die Verbindungstechnik: Klebetechnik, Schweißtechnik und produktionsintegriertes Fügen bekommen wachsende Bedeutung. Der Forschungs- und Entwicklungsaufwand bezüglich der Werkstoffe und der notwendigen Werkzeug- und Prozesstechnik ist ebenfalls herausfordernd und nur im Gesamtansatz zu lösen. Auch auf diesen Gebieten ist Fraunhofer in Deutschland und auch in Europa führend.

Die Verwertung von kostbaren Materialien nach der Nutzungsphase, wie zum Beispiel den Kohlenstofffaserverbunden CFK wird ebenfalls stark an Bedeutung gewinnen. Dies gilt sowohl für die Anwendungen der Luftfahrtindustrie als auch für den geplanten Einsatz in größeren Serien in der Automobilindustrie sowie im Energiesektor. Bei hybriden Bauteilen wird mit dem notwendigen und sinnvollen Recycling ein zusätzlicher Anspruch formuliert, den es bereits in der Konzeptionsphase einzuplanen gilt. Die Kunststoffe sind also angekommen bei den Konstrukteuren und den Ingenieuren. Integration statt Substitution liegt im Trend.

Lassen Sie uns zuletzt noch eine Bemerkung zur Rohstoffbasis von zukünftigen Kunststoffen machen. Wir bei Fraunhofer sind – vor allem durch den intensiven Austausch mit der chemischen Industrie – davon überzeugt, dass sich Polymere mit Biomasse-Feedstock die Märkte über gegenwärtig noch hochpreisige Feinchemikalien schrittweise bis hin zu den Commodities erobern werden. Aus dieser Überzeugung heraus wurde am 2. Oktober 2012 das neue Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna von Bundeskanzlerin Angela Merkel eröffnet. Das Zentrum in Leuna steht allen Kooperationspartnern für Forschung und Entwicklung zur Verfügung, um die Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe zu erforschen und marktreife Produkte zu entwickeln. Auf dem Weg zu einer bio-basierten Wirtschaft hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung die „Nationale Forschungsstrategie Bioökonomie 2030“ entwickelt.

Die Kunststoffe werden also in Zukunft noch nachhaltiger, die Prozesse zu ihrer Verarbeitung energieeffizienter und die Ressourcen und Rohstoffe durch geeignete Wahl des Feedstocks, durch geschickte Auslegung von Bauteilen und Komponenten, durch geeignete Kombination und Integration unterschiedlicher Werkstoffe sowie durch klare Verwertungskonzepte stärker geschont. Weiter so!

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