ELEMENTS S - LEICHTBAU FÜR DIE SERIE* - INTERVIEW: Evonik Industries
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INTERVIEW: CHINA: FORSCHEN
DIGITAL WIRD NORMAL UNTER VOLLDAMPF
ELEMENTS
S APRIL 2016
# 54
LEICHTBAU
FÜR DIE SERIE*
DAS INNOVATIONSMAGAZIN
EDITORIAL
Wie kann Leichtbau
serientauglich werden? Wertvolle Netzwerke
Ab Seite 04
Airbags, ESP, Navigation, Assistenzsysteme,
Sitzheizung, Klimaanlage: Mehr Sicherheit und
INHALT Komfort im Auto bringen auch mehr Gewicht,
das anderswo eingespart werden muss. Sonst
Dr. Ulrich Küsthardt
Chief Innovation
Officer,
kann die Industrie die CO2-Grenzwerte der EU Evonik Industries AG
04 Leichtbau
Kühlen überflüssig: ein nicht einhalten, die bis 2020 für alle Neuwagen ulrich.kuesthardt
@evonik.com
Prepreg, das nicht klebt von heute 130 auf dann 95 Gramm pro Kilometer
10 Leichtbau sinken sollen. Hier kommt Leichtbau ins Spiel:
Einfacher, kostengünstiger: 100 Kilogramm weniger Gewicht senken bei
neue Ansätze zur Fertigung einem Benziner den CO2-Ausstoß um bis zu zwölf
von Faserverbundwerkstoffen
Gramm pro Kilometer. Doch derzeit bestehen
17 Gastkommentar Autos erst zu knapp drei Prozent aus leichten Ver-
Prof. Dr.-Ing. Christian
Hopmann über das bundwerkstoffen. Denn in der Herstellung steckt
Schwergewicht Leichtbau viel Handarbeit, und es fehlt an vollautomatisier-
20 Interview ten Fertigungsverfahren. Das treibt die Kosten.
Was Digitalisierung für die Weil Verbundwerkstoffe für Evonik ein strate-
Chemie bedeuten kann gischer Wachstumsmarkt sind, haben wir unser
27 CIO Award Know-how im Projekthaus Composites gebün-
Ein ausgezeichneter Netz delt. 20 Forscher hatten drei Jahre Zeit, neue
werker: Dr. Peter Murphy
Materialien und Prozesse für einen wirtschaftli-
29 Verfahrenstechnik cheren Leichtbau zu entwickeln. Neun Projekte 3
Herstellung und Aufarbeitung
in einem Schritt: das ehr
haben sie zusammen mit ihren über 80 Partnern
geizige Projekt ROMEO aus Wissenschaft und Industrie erfolgreich be-
30 Verfahrenstechnik arbeitet. Aktuell werden die Neuentwicklungen
Weniger Aufwand für potenziellen Kunden vorgestellt.
mehr Sicherheit: Bereits einen Schritt weiter ist das Geschäfts-
der Methioninprozess gebiet Crosslinkers mit seinem neuen Produkt
34 Greater China VESTANAT® PP, das ebenfalls die Fertigung von
Wissensbasiert statt Composites vereinfacht. Crosslinkers unterhält
produktionsgetrieben: Was man
in F&E von China lernen kann bereits Entwicklungsprojekte mit mehreren
08 Data Mining
Autoherstellern, die das Produkt in ihren Zu-
Leichtbau kunftsmodellen einsetzen wollen. Dafür haben
18 Corporate Foresight wir das Entwicklerteam mit unserem Innova
Titel und Rücktitel: C3 Visual Lab Fotos Seite 3: Stefan Wildhirt (2) Grafik: C3 Visual Lab
Wearables tionspreis 2015 ausgezeichnet. Auch hier war die
23 CompanyNews
32 Professionals Dr. Marion Hax Kooperation mit Partnern – Prepreg-Herstellern
38 Wunschzettel Dr. Mark Lorch und Autozulieferern – ein Erfolgskriterium. Das
39 Lesetipps / Impressum zeigt, wie wertvoll Netzwerke sind. Um dieses
Bewusstsein im Konzern zu schärfen, ging unser
Spezial-Innovationspreis diesmal an Dr. Peter
Murphy, einen überzeugten und überzeugenden
Netzwerker.
Feedback
Hat Freude an ihrer Führungsrolle: Sagen Sie uns Ihre
Dr. Marion Hax. Seite 32 Meinung zu elements:
elements@evonik.com
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
LEICHTBAU
SCHNELL
GEMACHT
4
Perfektes Beispiel
für innovativen Leichtbau:
der BMW i8. Die hochfeste,
extrem leichte Fahrgastzelle
beispielsweise besteht
aus carbonfaserverstärkten
Kunststoffen.
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Ohne faserverstärkte Kunst-
stoffe gäbe es keine energie-
sparenden Flugzeuge, keine
leichten Elektroautos und keine
leistungsstarken Windkraft
anlagen. Ein Team des Geschäfts
gebiets Crosslinkers hat mit
VESTANAT® PP ein neuartiges
Composite auf Polyurethanbasis
entwickelt, das die Fertigung
der Bauteile schneller, einfacher
und günstiger macht. Dafür
erhielten die Entwickler den
Evonik-Innovationspreis 2015.
5
Ü
von Eike Langkabel
und Dr. Guido Streukens
berall, wo Gewichtserspar-
nis und hohe Belastbar-
keit gefordert werden, sind
Kunststoffe und insbeson-
dere faserverstärke Poly-
mere das Mittel der Wahl.
Verbundwerkstoffe aus leichter Kunststoff-
matrix und feinen Glas- oder Carbonfasern
erlauben dünnwandige, zugleich aber hoch
belastbare Bauteile. Leichtbau als Kon
struktionsprinzip trägt so wesentlich zu
Ressourcenschonung und Emissionsein-
sparung bei. Obwohl Faserverbundwerk-
stoffe in unterschiedlichen Branchen seit
vielen Jahren eingesetzt werden, gilt immer
noch: Im Leichtbau steckt viel Handarbeit.
Nach wie vor fehlt es an vollautomatisierten
Fertigungsverfahren. Das treibt die Kosten,
senkt die Produktionszahlen und macht die
Herstellung aufwendig und relativ lang-
sam. Gleichzeitig wachsen die Nachfrage
nach leichten Bauteilen und die Ansprüche
an deren Belastbarkeit und Größe, sodass
herkömmliche Faserverbunde an ihre Leis-
tungsgrenzen stoßen.
Deutlich wird das Dilemma beispielswei-
se in der Windenergie. Rotorblätter mit einer
Foto: BMW
Länge über 90 Meter aus relativ günstigen
glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK)
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Fibres). Bei diesen Halbzeugen werden End-
losfasern mit den Reaktanten des Duroplas-
ten beschichtet und vorvernetzt. Auf den
ersten Blick wird die Fertigung erleichtert,
da der Kunde (beispielsweise im Flugzeug-
bau oder in der Formel 1) nur noch eine ein-
zige Komponente aus Faser, Harz und Här-
ter verarbeiten muss. Aber auch Prepregs
haben gewichtige Nachteile: Die chemische
Vorvernetzung schreitet bei Raumtempe-
ratur kontinuierlich voran. Daher ändern
sich innerhalb weniger Tage Viskosität und
Spezifikation. Transport und Lagerung her-
kömmlicher Prepregs erfordern also eine
teure Kühlkette. Zudem sind sie klebrig
und biegeschlaff und für ein automatisier-
tes Handling mithilfe von Robotern nicht
geeignet.
Unimprägniertes unidirektionales Gelege im Technikum Marl. Aufwendige Kühlung
wird überflüssig
Ein Entwicklerteam des Geschäftsge-
biets Crosslinkers des Segments Resource
Efficiency hat sich dieser Probleme an-
genommen. Es gelang, einen neuartigen
Faserverbund zu entwickeln, der viele
der Schwierigkeiten herkömmlicher Fer-
sind schlicht zu schwer. Um noch grö- tigungsverfahren eliminiert. Ein Prepreg
Abbildung 1:
ßere und leistungsstärkere Anlagen bei- mit VESTANAT® PP ist fest und trocken
Die Chemie der Polymermatrix
spielsweise für Offshore-Windparks bauen O
und kann gut von Robotern verarbeitet
zu können, müssen Hersteller auf Faser- C und in Formen eingelegt werden. Es ist bei
verbunde mit Carbon (CFK) umsteigen. Al- 2 O C N N C O N N Raumtemperatur nicht reaktiv, was bei
C
lerdings ist die Herstellung extrem dünner Transport und Lagerung die Kühlung er-
O
6 Hochleistungsfasern aus Carbon teuer und spart. Die Fertigung wird beschleunigt, und
Rohstoff für VESTANAT® PP ist ein Isocyanat.
zeitintensiv – sie entstehen aus versponne- Schritt 1: Ein Teil der Isocyanatgruppen wird die Prozesskosten sinken.
nem Polyacrylnitril, das in Spezialöfen bei als Uretdion chemisch blockiert. Um all diese Vorteile zu erreichen, wur-
hohen Temperaturen unter Luftausschluss de die Chemie der Polymermatrix kom-
pyrolytisch in reinen Kohlenstoff umge- O plett umgeschrieben. Übliche duroplasti-
wandelt wird. C sche Werkstoffe bei Faserverbunden sind
O C N N N N C O Epoxidharzformulierungen, die mit Ami-
Etablierte Verfahren C
nen gehärtet werden. VESTANAT® PP ba-
mit Nachteilen O
HO OH siert dagegen auf Polyurethan. Ausgangs-
Klassische Kunststoffe im Leichtbau sind stoff ist ein aliphatisches Isocyanat. Das
Duroplaste. Sie bestehen aus zwei chemi- O O Besondere: Seine funktionellen Gruppen
schen Komponenten, die auf der Faser zu H C C sind etwa zur Hälfte durch Reaktion mit
HO O N N N N O OH
einem stabilen molekularen Netzwerk re- C C H Alkohol zu Urethan umgesetzt, die andere
agieren. Die Polymermatrix nimmt die von O O Hälfte dagegen ist chemisch blockiert, in-
n
außen wirkenden Kräfte auf und leitet sie in Präpolymer dem je zwei Isocyanate eine stabile ring-
die Fasern ein. OH
förmige Gruppe (Uretdion) bilden. Diesem
Für die Fertigung faserverstärkter Bau- gelösten Präpolymer werden weitere Poly
+ +
teile haben sich zwei Verfahren etabliert: HO OH
ole und ein organischer Katalysator beige-
Beim Resin Transfer Molding (RTM) werden mischt (Abb. 1).
entweder Gewebe oder mehrschichtige Ge- Schritt 2: Die verbleibenden Isocyanatgruppen Mit dieser Formulierung werden die Fa-
lege in eine heiße Form eingelegt. Anschlie- polymerisieren durch Zugabe von Alkoholen zum sern getränkt und das feuchte Halbzeug bei
ßend werden in die geschlossene Form Harz Präpolymer. Durch anschließendes Hinzufügen
rund 100 °C getrocknet. Endprodukt sind
von weiteren Polyolen und Katalysatoren entsteht
und Härter injiziert. Temperaturbedingt VESTANAT® PP, mit dem die Fasern imprägniert – beim Einsatz von Carbonfasern – trocke-
härten die beiden Komponenten des Poly- werden. Bei Erhitzen auf über 130 °C öffnen sich ne, tiefschwarze Matten, bei Glasfasern ein
mers zu einer duroplastischen Matrix aus. die Uretdion-Gruppen; die Aushärtung startet. transparentes Material. Für die Fertigung
RTM ist Standard im Automobilbau. Um die beim Kunden werden die Matten zuge-
Fertigungszeit zu verkürzen, wird das Ge- schnitten und auf rund 70 °C erwärmt. Bei
lege in der Regel endkonturnah vorgeformt. dieser Temperatur wird das Prepreg wieder
Die Nachteile: Das Handling von bis zu vier weich. In eine kalte Form eingelegt, kühlt
Komponenten – Binder, Harz, Härter und es erneut ab und erstarrt zu einem vorge-
Fasern – macht das Verfahren komplex. Zu- formten Bauteil, das zwischengelagert oder
dem sind teure Anlagen und Anlagenkom- auch sofort weiterverarbeitet werden kann.
ponenten notwendig, darunter Hochleis- Um zum Endprodukt zu kommen, wird das
tungspresse, Injektions- und Dosieranlage. Teil in die endgültige Form eingelegt, auf
Eine Alternative zu RTM ist der Einsatz 140 bis 180 °C erhitzt und verpresst. Erst
sogenannter Prepregs (Preimpregnated bei diesen Temperaturen erfolgt die End-
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
eingesetzt werden. Bei Neuinvestitionen Die Experten
Abbildung 2: Gesteuerte Aushärtung
werden teure Komponenten wie Dosier-
Die Geschwindigkeit der Endvernetzung von VESTANAT® PP, dargestellt und Injektionsanlage überflüssig, die not-
anhand der Menge an Isocyanatgruppen (NCO-Gehalt). Sie lässt sich durch wendige Presse benötigt weniger Leistung.
Katalysatoren und Inhibitoren an die Wünsche des Kunden anpassen. Berechnungen zeigen: Die Produktion eines
100 Autodachmoduls beispielsweise gelingt um
ohne Katalysatoren ein Drittel schneller. Die Investitionskosten
für eine Neuanlage sind nur halb so hoch
80
wie für herkömmliche Fertigungstechnik,
Eike Langkabel
die Kosteneinsparung gegenüber RTM lie- leitet das Sachgebiet
NCO-Gehalt [%]
mit Katalysatoren gen bei bis zu 35 Prozent. Im Labor hat das
60 Prepregs in der
und Inhibitoren
Entwicklerteam alle Fertigungsschritte Anwendungstechnik
getestet. Dabei wurden verschiedene Glas- des Geschäftsgebiets
40 Crosslinkers.
mit Katalysatoren und Carbonfasern erprobt, der Einfluss
eike.langkabel
der Katalysatormenge definiert und unter- @evonik.com
20 schiedliche Rezepturen für das Flüssigharz
untersucht.
0 Markteinführung
Zeit für 2016 geplant
VESTANAT® PP ist das erste lagerstabile
Prepreg, das thermoplastisch verformbar
ist und duroplastisch aushärtet (Abb. 3).
Das heißt, es vereint die Vorzüge beider
Dr. Guido Streukens
Polymertypen. Daraus resultiert ein neuer ist Projektleiter für
Fertigungsprozess mit Vorteilen gegenüber VESTANAT® PP im
den bisher üblichen Verfahren: Der serien Business Development
vernetzung des Polymers, da sich jetzt die taugliche RTM-Prozess wird vereinfacht des Geschäftsgebiets
Crosslinkers.
Uretd ion-Ringe öffnen und durch Reak- durch ein einkomponentiges Prepreg. Zu-
guido.streukens
tion mit den Polyolen auspolymerisieren dem weist der neue Leichtbauwerkstoff eine @evonik.com
(Abb. 2). extreme Schlagzähigkeit bei hoher Ober-
Die Trennung von Vor- und Endvernet- flächengüte auf. In Kooperation mit einem
zung durch zwei unterschiedliche Reak Prepreg-Hersteller wird das Material 2016
tionsmechanismen und die damit verbun- Prepregs als auf den Markt gebracht. 7
dene Stabilisierung des Zwischenprodukts unidirektionales Die Erfahrung während der mehrjährigen
sind für Faserverbundwerkstoffe neu, bei Gelege (links) Entwicklungsarbeiten zeigt: Know-how
und als Gewebe.
Evonik allerdings ein bewährtes Rezept. aus anderen Geschäftsfeldern kann – adap-
Es wird beispielsweise für Pulverlacke ge- tiert an die Herausforderungen eines neu-
nutzt. en Produkts – zu exzellenten Alternativen
Bei der Entwicklung von VESTANAT® führen, an die bisher niemand gedacht hat
PP konnte dieses Prinzip für den Leicht- und die wesentliche Praxisprobleme besei-
bausektor adaptiert und optimiert werden. tigen helfen. Entscheidend für den Erfolg
Die Geschwindigkeit der Endvernetzung war insbesondere die enge Kooperation mit
ist entsprechend den Kundenwünschen Prepreg-Herstellern und Kunden.
steuerbar: zum einen über die Menge des Das Crosslinkers-Team übernahm nicht
zugegebenen Katalysators, zum anderen nur die Rolle des Rohstoffentwicklers,
über die gewählte Temperatur – je heißer sondern auch die des Formulierers, Pre
der Härteprozess, desto schneller die End- preg-Herstellers und des direkten Zuliefe- Ausgezeichnet
vernetzung. Das System lässt sich auf diese rers. So führte das Wissen um die gesamte mit dem Evonik-
Innovationspreis 2015
Weise an den vorhandenen Gerätepark und Wertschöpfungskette zu einer vielverspre- in der Kategorie
an die gewünschte Anwendung anpassen. chenden Innovation für einen der dyna Neue Produkte/
Bestehende Anlagen können problemlos mischsten Märkte weltweit. Systemlösungen.
Abbildung 3: Temperaturverhalten der Prepregs
Infografik: C3 Visual Lab Fotos: Evonik (4)
Da die Prepregs schon
bei 70 °C schmelzen,
25 °C 70 °C 130 °C 180 °C
aber erst bei 130 °C
aushärten, lassen sie • lagerstabil bei • Schmelzen der Matrix • Vernetzung des • effiziente Verarbeitung
sich wie Thermoplaste Raumtemperatur ohne Vernetzung Systems startet • Vernetzungsdauer
• einfaches Handling • einfache Umformung • Vernetzungsdauer verkürzt sich auf
einfach und schnell • feste Matrix • kein zusätzliches Bindemittel 30 bis 60 Minuten 2 bis 3 Minuten
verarbeiten. • nicht klebrig • s tabiler, unvernetzter
• formstabil Formling nach Abkühlen
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Masse Rotorblatt [t] 20 MW Basisdesign Mehr Windenergie durch Composites
Rotor 250 m WindPACT*
160 10 MW Windkraftanlagen liefern umso mehr Energie, je länger die Rotor-
Rotor 200 m blätter sind. Ihr Gewicht lässt sich dann nur noch durch Composites
verringern. Die WindPACT-Studien zeigen, wie eine Optimierung des
5–6 MW Designs das Gewicht weiter reduzieren kann – unter anderem durch
120 Rotor 126 m die Verwendung von Kohlefasern statt Glasfasern.
kommerzielle
80 Produkte
optimiertes
Design WindPACT*
40 * Designstudien des National
Renewable Energy Laboratory (NREL)
0
75 100 125
Länge Rotorblatt [m]
Quelle:
Lucintel
5,4 % andere
5,6 %
6, 3
** E xploration und
Evaluierung
6, 4
%B
mineralischer
E
%
Ressourcen
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7%
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2
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14 – 19
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Luft 35,2
f ahr
t seg
t
20
19
Mark
Attraktives Wachstum
Laut Prognosen wächst
35
der Composites-Markt
20
-$
bis 2019 um durchschnitt-
US
13
lich sieben Prozent pro 23,9 360
n
Jahr. Überdurchschnitt
de
245
lli
ar
liches Wachstum verspre- i
chen Luftfahrt, Konsum- M
e n in
güter, Windenergie und Marktvolum
Transport. mittlere 35
Lebensdauer
(in Jahren)
272
16,7 0,8 andere 245
carbonfaser-
verstärkte 80
Composites
jährl. Kosten
% Lebenszyklus
74
0
Kosten
82,5 Wartung
glasfaserverstärkte
Composites Niedrigere Kosten
5.000 12.000 9.000
(Angaben in US-$)
Composites
Kosten
Vergleich der Kosten
Installation
Beton
für einen Mast aus
Stahl
Glasfaser überwiegt Composites, Beton
(Angaben in %, 2013) oder Stahl. Bei Com-
posites sind die jähr Kosten
Der Markt für Faserverbundbauteile – lichen Kosten über die Anschaffung
2013 umfasste er 23,9 Milliarden US-$ gesamte Lebensdauer
– wird dominiert von Glasfasern. deutlich niedriger. 900 350 260
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Anteil der Verbundwerkstoffe im Auto wächst Markttreiber Luftfahrt
(Angaben in Millionen Tonnen) (Strukturgewicht von Flugzeugen: Anteil Aluminium und CFK in %)
2014 lag der Anteil von Faserverbundwerkstoffen an Automaterialien Moderne Flugzeuge enthalten mehr carbonfaserverstärkte Composites
(131 Mio. t) bei 1,6 %; er soll bis 2025 auf 2,2 % bzw. 3,6 Mio. t steigen. (CFK) als Aluminium und tragen so zum Marktwachstum bei.
3,6
100 % DC-3 B 737 B 747 B 767 B 777 A 380 B 787 A 350
XWB
max. Materialanteil
beim Flugzeug
Aluminium
2,1
50%
1,5
CFK
2009 2014 2025 0%
1950 1970 1990 2010 2025
Zeitpunkt Inbetriebnahme
UK China China ist größter Markt
0,2 0,3 Deutschland (Angaben in Millionen Tonnen, 2013)
2,6 Sechs Länder stehen für 75 % des weltweiten Composites-
0,5
2,1 USA Marktes, der 2013 rund 8 Millionen Tonnen umfasste.
Japan
0,3
Indien
2,0
andere
9
DATA MINING
Leichtbau im Aufwind
Infografik: C3 Visual Lab Foto: shutterstock
Faserverstärkte Kunststoffe sind ein vielseitiges Leichtbaumaterial: Sie sparen nicht nur Gewicht und damit
Energie, sondern ermöglichen zusätzlich Designfreiheit und Funktionsintegration und können bei einem Crash
viel Energie aufnehmen. Ein Einblick in Märkte, Trends und Potenziale von faserverstärkten Kunststoffen.
Vorreiter Flugzeug Gewichtige Argumente
(Anteil Composites am Strukturgewicht in % ) (Gewichtsreduktion Auto in % vom Gesamtgewicht)
Gemessen am Anteil von Composites am Stukturgewicht stehen Serienautos heute Leichtbau mit CFK ermöglicht
in etwa dort, wo sich die Flugzeugindustrie vor rund 40 Jahren befand. im Materialvergleich die größte
42,0
Gewichtseinsparung.
Annahme:
2010–20 mittleres Fahrzeuggewicht 1.800 kg;
Anteil Leichtbaumaterialien: 40 %
50–55 % 2025–35
Trend 10–30 % 28,0
Flugzeug Trend
Automobil
5%
GLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
GESUCHT:
WEGE ZU MEHR
EFFIZIENZ
Wie können Faserverbundwerkstoffe für den Leichtbau einfacher und kostengünstiger als bisher
gefertigt werden? Die Creavis, die strategische Innovationseinheit von Evonik, hat im Projekthaus
Composites mit neuen Materialien, Prozessen und Systemlösungen überzeugende Antworten gefunden.
Beispiele sind das PulPress-Verfahren, UD-Tapes und Hybridpolymere auf den folgenden Seiten.
D
von Dr. Sandra Reemers und Dr.-Ing. Leif Ickert
er Leichtbau gilt als wichtiger Das Projekthaus viel stärker in der Composites-Community Die Experten
Wegbereiter für eine nach- auf einen Blick positionieren. Hiervon zeugen das hohe In-
haltige Mobilität. Aus der teresse und die Kooperation mit externen
20
Luft- und Raumfahrt ist er Partnern sowie drei Innovationspreise. Zu-
schon jetzt nicht mehr weg- dem wurden neun studentische Praktika
zudenken, die Automobil durchgeführt und acht Bachelor-, Master-
industrie dagegen steht beim Leichtbau Mitarbeiter und Doktorarbeiten angefertigt.
wie viele andere Branchen noch ganz am Der heutige Markt für Faserverbund-
3
Anfang. Als entscheidender Schlüssel für werkstoffe ist zu drei Vierteln von duro- Dr. Sandra Reemers
maßgebliche Fortschritte gelten Faserver- plastischen Werkstoffen geprägt. Ther- Leiterin des Projekt-
bundwerkstoffe, eine Materialklasse, die moplastischen Werkstoffen bescheinigen hauses Composites der
strategischen Innovati-
aus zwei Komponenten besteht: aus einem Jahre Laufzeit: April Marktforscher ein großes Wachstums onseinheit Creavis.
10 Matrixsystem – duroplastischen oder ther- 2013 bis März 2016 potenzial. Beide Materialklassen wurden sandra.reemers
moplastischen Polymeren – und aus ver- Auszeichnungen im Projekthaus weiterentwickelt und sogar @evonik.com
stärkend wirkenden Hochleistungsfasern, – Innovationspreis zu einer neuen Materialklasse kombiniert.
zum Beispiel Glas- oder Kohlenstofffasern. 2015 des Netzwerks Von den neun Projekten widmeten sich
Zwar sind solche Composites nicht grund- CFK-Valley für thermo zwei der Prozessentwicklung, bei den sie-
reversible Polymer-
sätzlich neu, doch stehen ihrer industriellen netzwerke ben anderen ging es sowohl um Material- als
Anwendung noch immer große Hürden im auch um Prozessentwicklung. Die Projekte
– Innovationspreis 2015
Weg. Zum Beispiel hohe Herstellungskos- des JEC-Verbands für lassen sich fünf Themenbereichen zuord-
ten: Die Fertigungsprozesse machen etwa das Projekt CAMISMA nen: vorimprägnierte Halbzeuge auf Basis
70 Prozent der Gesamtkosten von Faserver- (um 40 Prozent leichte- hybrider Polymersysteme, Strukturschäu-
bundwerkstoffen aus. Viele Verfahren sind re Autositzlehne) me für Sandwichsysteme, thermoplastische Dr.-Ing. Leif Ickert
zudem nur schlecht skalierbar, wenn die – Innovationspreis 2015 Halbzeuge, flammgeschützte Matrixsyste- Manager Business and
Bauteile komplexer oder die Stückzahlen der AVK-Industrie me sowie hochwertige Composites-Ober- Application im Projekt-
vereinigung für das haus Composites.
größer werden. Daher hat sich das Projekt- flächen. Die Projekte werden nun mit dem
PulPress-Verfahren leif.ickert@evonik.com
haus Composites der Creavis in den vergan- Ende des Projekthauses in die operativen
100+
genen drei Jahren auf die Entwicklung von Geschäftseinheiten von Evonik überführt,
Materialien und Prozessen konzentriert, die die Markteinführung weiter vorantrei-
die die Kosten der Herstellungsprozesse für ben. Das Unternehmen zielt im Geschäft mit
Faserverbundwerkstoffe senken. Verbundwerkstoffen mittelfristig auf einen
externe Partner
Eingebettet war diese strategische Kon- Umsatz im unteren dreistelligen Millio-
40+
zernforschung in das weite Kompetenz– nen-€-Bereich.
umfeld, das bei Evonik bereits vorhanden
ist. Dazu gehört Know-how bei Polymeren,
Vernetzern, Additiven und Hochleistungs- Mehr Effizienz bei Prozessen und Materialien
Publikationen
strukturschäumen. Die enge und vertrau-
Alle Arbeiten im Projekthaus hatten zum Ziel, die Kosten zur Herstellung von
8
ensvolle Zusammenarbeit zwischen dem Faserverbundwerkstoffen zu senken.
Projekthaus und den Geschäftsgebieten war
Infografik: C3 Visual Lab Fotos: Evonik (2)
ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Außerdem
z Pr
beteiligten sich die Geschäftsgebiete auch ökologischere en oz schnellere
zi g e
Geschäftsgebiete Herstellung u
B
Verarbeitung
ef
es t e i l e
H albz fi
finanziell signifikant am Projekthaus. sowie das Innovations-
sef
au
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Prozess
der Halbzeuge zu Bauteilen
f i zienz
Weitere wichtige Beiträge zum Erfolg management der Ziel
des Projekthauses kamen von Unterneh- Segmente an den
men und Hochschulen – das entstandene Projekten beteiligt
M
a te z
Netzwerk umfasst inzwischen mehr als f i zi e
r iale f n
100 Partner. Nicht zuletzt konnte sich Evo-
nik durch die Aktivitäten des Projekthauses weniger Verschnitt, bessere Materialeigenschaften
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Faserverbundwerkstoffe im Auto
Faserverbundwerkstoffe machen derzeit nur etwa zwei Prozent am Materialmix von Autos aus.
Die Grafik zeigt aktuelle Einsatzgebiete.
Dach Drucktanks
Neben hoher Steifigkeit Zur Speicherung von Erdgas (CNG)
bestehen hier besondere als Kraftstoff. CNG wird in Hochdruck
Anforderungen an Ober- behältern bei Drücken von 200
flächenqualität (Class A) bis 250 Bar komprimiert. Composite-
und Akustik (kein stören- Tanks kombinieren hohe Druck
des Regentrommeln). festigkeit, Schadenstoleranz und
Leichtbau.
Anbauteile
Zum Beispiel Motorhaube, Fahrwerk
Heckklappe und Ver- Schon in Serie: die
kleidungsbauteile. Diese Blattfeder, die Boden
Bauteile lassen sich relativ unebenheiten abfedert.
einfach realisieren, da sie In Entwicklung: Konzepte
angebaut werden und nicht für Fahrwerkslenker. Das
in die Metallstruktur heu- Fahrwerk macht circa
tiger Fahrzeuge integriert 20 Prozent des gesamten
werden müssen. Fahrzeuggewichts aus;
Sicherheit bzw. Schutz vor
Bruch ist hier besonders
wichtig.
Karosseriestruktur
Antrieb Monocoque-Konzepte, bei
Erste Anwendungen von 11
denen die gesamte Karosse-
Kardanwellen bereits riestruktur aus CFK besteht,
im Markt. Neben dem oder Hybride – tragende
geringeren Eigengewicht Bauteile in der K
arosserie
auch sekundäre Gewichts aus Metall mit lokalen
Crashelemente
effekte, da Zwischenlager Verstärkungselementen aus
für die Kardanwelle ent Zum Beispiel Crashboxen oder
Seitenaufprallträger. Hier kommen Faserverbundwerkstoffen,
fallen können. zum Beispiel die B-Säule.
die guten Energieabsorptions
eigenschaften von Faserverbund-
werkstoffen zum Tragen. Quelle: Evonik
Weniger Gewicht größter Hebel zur Reduktion von Emissionen Der Markt für Carbon-Composites: die Matrix
(Umsatz in Milliarden US-$)
Was hat im Auto das größte Potenzial, um Emissionen zu reduzieren? Nach
einer Umfrage unter Experten ist es die Verringerung des Gewichts. Composites mit Carbonfasern sind besonders leicht. 2014 lag der Umsatz
damit bei 16,6 Mrd. US-$. Bevorzugtes Matrixmaterial sind Duroplaste.
0 10 20 30 40 50 Keramik Metall
1,66; 10 % 1,24; 8 %
Gewichtsreduktion 46 % Carbon
2,24; 13 % Hybrid
Antriebsstrang 30 % 0,84; 5 %
Batterietechnologie 30 %
Platznutzungskonzept 23 %
Montage 11 %
Herstellung einzelner Bauteile 11 %
Thermoplaste Polymere Duroplaste
Steuerungstechnik 11 % 2,55; 15 % 10,63; 64 % 8,08; 49 %
Einsatz neuer Materialien 11 %
Instandhaltung 10 %
218 Befragte,
andere 5% Anteil in Prozent
Quelle: Aberdeen
Group, 2013 Quelle: Carbon Composites e. V.
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Entwickelt im Projekthaus
PULPRESS
Große Stückzahlen zu vertretbaren Preisen – das ist bei der Herstellung von Bauteilen
aus Faserverbundwerkstoffen derzeit meist noch ein Widerspruch. Wie es gehen
kann, demonstriert das Projekthaus Composites mit einer Pilotanlage, die in einem
neuartigen Prozess Sandwichprofilbauteile aus Composites kontinuierlich fertigt.
F
von Dr.-Ing. Sivakumara Krishnamoorthy
ür die Herstellung komplexer stoffkarosserie der BMW-Elektroautos i3 partner war die Secar Technologie GmbH
Formbauteile aus Faserver- und i8 an Bekanntheit gewonnen hat. Die aus der Nähe von Wien, die sich auf die Fer-
bundwerkstoffen stehen ver- Zykluszeiten sind aktuell allerdings noch tigung von Bauteilen aus unterschiedlichen
schiedene Technologien zur relativ lang, viel länger als die heute übli- Faserverbundwerkstoffen spezialisiert hat.
Verfügung, die eines gemein- chen Taktzeiten einer Rohbauzelle in der
sam haben: Wirtschaftlichkeit großseriengewohnten Automobilindustrie. Etablierte Verfahren
und erreichbare Bauteilkomplexität gehen Eine Alternative ist das Pultrusions- oder neu kombiniert
nicht unbedingt Hand in Hand. Das beste Strangziehverfahren, zum Beispiel für die Das PulPress genannte Verfahren kom-
Beispiel ist das Handlaminieren, das äl- Fertigung faserverstärkter Kunststoff biniert Pultrusions- und Pressverfahren
teste Herstellungsverfahren für Compo profile. Lange Zeit war es mit diesem Ver- auf neuartige Weise. Materialseitiger Aus-
sites-Bauteile: Es ermöglicht zwar komple- fahren jedoch nur möglich, gerade Profile gangspunkt der Entwicklung war der ge-
xe Geometrien, ist aber definitionsgemäß herzustellen. schlossenporige Hochleistungsstruktur-
12 nicht automatisierbar und deshalb für eine Vor diesem Hintergrund hat das Pro- schaum ROHACELL® von Evonik, der als
Serienfertigung nicht wirtschaftlich. jekthaus Composites ein neues Verfahren Kern in Sandwichbauteilen zum Einsatz
Einen höheren Automatisierungsgrad entwickelt, mit dem sich auch Bauteile mit kommt. Der Schaumwerkstoff aus Poly-
bietet das sogenannte Resin Transfer Moul- komplexen Geometrien aus Faserverbund- methacrylimid (PMI) hat sich als leichtes
ding, das nicht zuletzt durch die Fertigung werkstoffen hoch automatisiert und kon- und gleichzeitig steifes Material in Werk-
der kohlenstofffaserverstärkten Kunst- tinuierlich fertigen lassen. Entwicklungs- stoffverbunden bewährt, zum Beispiel im
Automobilrennsport, in der Luftfahrt und
im Sportartikelbereich, etwa in Eisho-
ckeyschlägern oder Skiern. ROHACELL®
besitzt neben seinem geringen spezifischen
Das Prinzip des 4 Gewicht eine hohe Druckbeständigkeit
PulPress-Verfahrens und ist thermisch umformbar. Seine Glas-
Der mit Verstärkungsfasern umfloch-
tene Sandwichkern wird mit Harz
imprägniert und dann unter erhöhten
Temperaturen in die gewünschte Form
gepresst. Derzeit können so 30 Sand-
wichprofilbauteile pro Stunde vollauto-
matisch gefertigt werden.
3
2 5
1
A B
1 ROHACELL® 2 Kernführung 3 UD-Faser 4 Flechtanlage 5 Harzinjektion
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Der Experte
Hohe Wirtschaftlichkeit
Das neue PulPress-Verfahren reduziert die Kosten pro Bauteil um 30 bis 60 Prozent gegenüber anderen
Fertigungsverfahren. Im Vergleich zu Bauteilen aus Stahl lässt sich das Gewicht um 75 Prozent senken.
Bauteilgewicht bei identischen Funktionen Kosten pro Bauteil für Serienproduktion
1.500 g 1.000 g 500 g 10 € 20 € 30 € 40 €
100 % Stahl 100 %
Stahl
90 % (hochfest) 140 % Dr.-Ing. Sivakumara
Krishnamoorthy
60 % Aluminium 250 % Leiter des Projekts
45 %
CFK
900 %
Komplexe Profile
(quasiisotrop) im Projekthaus
CFK (UD/Lastfall- Composites.
25 % optimiert) 1.000 %
sivakumara.krishna-
CFK (UD/Lastfall-
25 % optimiert), mit 400 % Evonik Industries moorthy@evonik.com
PulPress-Prozess
hergestellt
übergangstemperatur liegt bei 180 °C. Diese schen Durchsatz von 30 Bauteilen pro Stun-
Eigenschaften prädestinieren das Material de, also einen Zwei-Minuten-Takt. Diese
für das PulPress-Verfahren; das Projekt- Geschwindigkeit ist noch steigerungsfähig,
haus zeigt damit einen neuen Anwendungs- etwa durch die Verwendung von schneller
Bis zu 1,2 Meter lange
Sandwichprofilbauteile bereich für ROHACELL® auf. aushärtenden Harzsystemen.
liefert die Pilotanlage. Im PulPress-Prozess dient der Struktur- Der Strukturschaumkern der Verbund-
schaum als Kern, der mit Verstärkungs faserwerkstoffbauteile sorgt dafür, dass
fasern umflochten wird. Im nächsten das resultierende Bauteil die gewünschte
Schritt kommt das Harz für die Impräg- Energie- und Krafteinleitungsfunktiona-
nierung der Fasern hinzu. Das so vorberei- lität erreicht. Messungen an einem im Pul-
tete Material gelangt dann in ein Pressen Press-Verfahren gefertigten Bauteil zeigen,
system, in dem bei hohem Druck und hoher dass die Steifigkeit ähnlich hoch ausfällt wie
Temperatur ein 3-D-Profil mit definierten bei einem konventionellen Vergleichsbau- 13
Abmessungen aus dem Endlosmaterial ent- teil aus Aluminium, obwohl das Verbund-
steht. Auf der Pilotanlage können derzeit werkstoffbauteil fast dreimal so leicht ist.
Infografik: C3 Visual Lab Fotos: Evonik (2)
Sandwichprofilbauteile von bis zu 1,20 Me- Im Gegensatz zu heutigen Prozessen, bei
ter Länge kontinuierlich hergestellt werden. denen ein Strukturschaumkern mit Fa-
Auch eine Produktion ist für Bauteile bis zu sern zu einem Verbundwerkstoff verarbei-
dieser Länge auf der Anlage bereits möglich. tet wird, kommt das PulPress-Verfahren
ROHACELL® dient dabei als formgeben- fast völlig ohne Verschnitt aus – beim Kern
der Kern, außerdem lassen sich auch Inserts und bei der Faser. Vom Prozess profitieren
aus Metallen oder Polymeren einfügen. Die künftig Anwender im Sportartikelbereich,
gemeinsam von Evonik und Secar realisier- in der Automobilindustrie und in weiteren
te Pilotanlage erreicht einen vollautomati- Märkten.
9
7
8
6
6 Preform 7 bewegbare Presssysteme 8 Trennen 9 Lagerung
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Entwickelt im Projekthaus
UD-TAPES
Sie sind leicht, extrem zugfest und stabil: unidirektionale Tapes, bei denen parallele
Endlosfasern in ein Kunststoffband eingebettet sind. Neuerdings lassen sie sich auch
einfacher herstellen – dank eines neuen Prozesses, den das Projekthaus Composites
entwickelt hat. Interessant sind die Tapes unter anderem für die Öl- und Gasförderung.
O
von Dr.-Ing. Andreas Szentivanyi
und Martin Risthaus
l- und Gasindustrie haben
ein Problem: Mit immer
empfindlicheren Explora-
tionsmethoden können sie
zwar neue Vorkommen tief
unter dem Meeresgrund
erfassen, doch kommt das etablierte Equip-
ment für die Förderung allmählich an sei-
ne Grenzen. Werden Öl und Gas aus großen
Wassertiefen geholt, müssen die Leitungen
sehr hohe Außendrücke aushalten. Die der-
14 zeit verwendeten „Flexible Pipes“ enthalten
deshalb stärkere metallische Karkassen, die
dem Rohr die erforderliche Steifigkeit ver-
leihen, aber auch das Gewicht deutlich er-
höhen.
Inzwischen stoßen Öl- und Gasindustrie
in so große Tiefen vor, dass die Leitungen
immer mehr versteift werden müssen; da-
durch werden sie auch immer schwerer. Das
macht nicht nur das Handling komplizier-
ter, sondern erfordert auch zusätzliche Bo-
jen. Wassertiefen von mehr als 2.500 Meter
stellen eine große Herausforderung dar.
Abhilfe kann ein Materialwechsel schaf- Bald serienreif: Die Pilotanlage, die das Projekthaus Composites zur Herstellung unidirektionaler (UD)
fen – zu Kunststoffleitungen, die mit Bän- Tapes aufgebaut hat, liefert derzeit 160 Millimeter breite Tapes.
dern aus Faserverbundwerkstoffen, soge-
nannten unidirektionalen Tapes, versteift
werden. Solche Leitungen weisen ein deut-
lich günstigeres Verhältnis von Eigenge-
wicht zu Länge auf als Stahlverstärkungen;
zudem sind sie nicht korrosionsanfällig. Polymer muss nicht, wie bei bisher übli- Für eine homogene Verteilung im späte-
Typischerweise bestehen diese Kunst- chen Verfahren, zu Pulver gemahlen und ren Tape werden die Fasern zunächst ver-
stoffrohrlösungen aus mehreren Schichten. als Suspension aufbereitet werden, sondern einzelt. Danach gelangen sie gemeinsam
Einen optimalen Materialverbund erzielt wird als Granulat direkt auf die Fasern ex mit der Polymerschmelze in eine Presse
man hierbei, wenn die einzelnen Schichten trudiert. Das spart Kosten, Zeit und Energie. mit beheizbarem Werkzeug. Dort entsteht
aus ein und demselben Polymer gefertigt das 160 Millimeter breite, unidirektionale
werden. Skalierbare Pilotanlage Tape, das in einem Kalander abkühlt und
Unidirektionale Tapes sind bandförmige Der Prozess läuft seit knapp einem Jahr auf über mehrere Walzen gezogen wird. Die
Faser-Polymer-Verbundwerkstoffe, in de- einer Pilotanlage, die das Projekthausteam Pilota nlage ist skalierbar und soll in einem
nen die einzelnen Endlosfasern parallel zu- im Hinblick auf Faserführung und Impräg- nächsten Schritt auf Tapes mit einer Breite
einander angeordnet sind. Das Projekthaus nierung optimiert hat. Die Anlage lässt sich von 300 Millimeter umgerüstet werden.
Composites hat einen Prozess entwickelt, aus 20 bis 40 Faserbündeln, sogenannten Während sich UD-Tapes in der Luft-
mit dem sich die unidirektionalen Tapes Rovings, gleichzeitig speisen. Ein Roving fahrtindustrie bereits seit Jahren bewährt
direkt aus der Schmelze herstellen lassen besteht aus mehreren Tausend bis zehntau- haben, bearbeitet Evonik derzeit konkre-
– eine Direktschmelze-Imprägnierung der send Filamenten; zum Einsatz kommen bis- te Anfragen von Kunden aus der Öl- und
Fasern mit dem Polymer. Der Vorteil: Das her Glas- oder Kohlenstofffasern. Gasindustrie. Doch auch die Automobil-
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
branche ist an unidirektionalen Tapes in- allein schon wegen der Herstellungskosten. Die Experten
teressiert, um leichtere Fahrzeuge bauen zu Vielmehr bieten Verbundwerkstoffe die
können. Bei einer Gewichtseinsparung im Möglichkeit, die Fahrzeugkarosserie völlig
Fahrzeug von 100 Kilogramm rechnen Ex- neu zu denken, etwa durch die Verstärkung
perten mit 0,3 bis 0,5 Liter weniger Kraft- metallischer Strukturbauteile oder durch
stoffverbrauch auf 100 Kilometer. eine drastische Reduktion der Baugruppen.
Hinzu kommt die größere Flexibilität bei
Rückenlehne verschlankt der Fertigung von Bauteilen aus Verbund-
Interessant auch für die Dieser Markt befindet sich zwar noch in werkstoffen im Vergleich zu Metallen. Dr.-Ing. Andreas
Öl- und Gasindustrie: einem frühen Stadium, doch zeichnet sich Dieser Aspekt gewinnt an Bedeutung, je Szentivanyi, Leiter des
Auf UD-Tapes basie- ab, wohin die Reise geht. So hat das Projekt- größer die Vielfalt bei den Antrieben wird – Projekts Thermoplastic
rende Kunststofflösun- Tapes im Projekthaus
gen machen es einfa- haus Composites mit mehreren Partnern Stichwort: Verbrenner versus Hybrid versus Composites.
cher, sehr korrosives Öl aus Forschung und Industrie im Projekt Elektromotor –, denn dann muss sich die andreas.szentivanyi
zu fördern. CAMISMA (gefördert durch das Bundesmi- Automobilindustrie auf variablere und klei- @evonik.com
nisterium für Bildung und Forschung) eine nere Losgrößen in der Fertigung einstellen.
um 40 Prozent leichtere Rückenlehne für UD-Tapes aus einer Direktschmelze-Im-
einen Autositz hergestellt. Sie schneidet bei prägnierung ermöglichen hier neue Bauteile
Steifigkeit und Stabilität von Ankerpunkten und konkurrenzfähige Anwendungen.
genauso gut ab wie aktuelle Rückenlehnen
aus M
etall.
Zusätzlich ließ sich eine weitere Kunst-
stoffkomponente problemlos am Bauteil
Martin Risthaus ist als
anspritzen. Das ermöglicht sowohl die Business Director bei
zwingend erforderliche System i ntegra High Performance
tion als auch einen im Vergleich zur reinen Polymers verantwort-
Metalllösung wirtschaftlicheren Prozess lich für die Leicht-
bauaktivitäten dieses
ablauf. Es ist absehbar, dass Verbundwerk- Geschäftsgebiets.
stoffe im Auto nicht einfach eins zu eins ge- martin.risthaus
schweißte Metallbauteile ersetzen werden, @evonik.com
15
Entwickelt im Projekthaus
HYBRIDPOLYMERE
Mit einer neuen Materialklasse soll die Fertigung von Faserverbundwerkstoffen
für den Leichtbau deutlich schneller werden: mit thermisch schaltbaren
Hybridpolymeren, die sich leicht verarbeiten lassen und dem fertigen Bauteil sehr
gute mechanische Eigenschaften verleihen.
W
von Dr. Friedrich Georg Schmidt
enn es um die Poly gut damit imprägnieren. Allerdings bringt solche Materialklasse hat das Projekthaus
m e rko m p o n e n te die Struktur der Duroplaste einen Nachteil im Projekt „Thermoreversibel vernetzbarer
für Faserverbund- mit sich: Sie führt zu vergleichsweise lan- Thermoplast-Duroplast-Hybrid“ entwi-
werkstoffe geht, gen Verarbeitungszeiten bei der Aushär- ckelt. Die neuen Polymernetzwerke las-
sind duroplasti- tung und damit bei der Herstellung eines sen sich vollständig reversibel vernetzen;
sche Matrixsyste- Bauteils. Thermoplastische Polymere da- ein Katalysator ist nicht erforderlich. Beim
me derzeit die bevorzugte Wahl. Sie weisen gegen lassen sich schnell verarbeiten und Aufheizen löst sich die Vernetzung, und das
einige sehr wünschenswerte Eigenschaften umformen, sie erreichen aber nicht die gu- System lässt sich rasch umformen. Beim
auf: Duroplastische Polymere sind mecha- ten mechanischen Eigenschaften der Duro Abkühlen bildet sich das Polymernetzwerk
nisch, thermisch und chemisch sehr stabil, plaste. Grund ist die fehlende Vernetzung wieder zurück, und die Form wird stabil.
weil ihre Polymerketten im fertigen Ver- der Thermoplaste, die auch ein Kriechen bei Verantwortlich dafür ist eine chemi-
bundwerkstoff irreversibel miteinander dauerbelasteten Strukturen zur Folge haben sche Reaktion. Gesucht war ein Mechanis-
vernetzt sind. kann. Zudem machen sie die Imprägnie- mus, bei dem Vernetzung beziehungsweise
Auch im ersten Schritt der Herstellung rung der Fasern aufwendiger, weil sie in der „Entnetzung“ der Polymerketten in einem
Fotos: Evonik (3), fotolia
von Verbundwerkstoffen, der Imprägnie- Schmelze hochviskos sind. Temperaturbereich erfolgt, der für die Her-
rung der Fasern, punkten sie: Da sie zu die- Ideal wäre es, das Beste aus beiden Wel- stellung von Faserverbundwerkstoffen inte-
sem Zeitpunkt noch aus kleinen Molekülen ten in einem Material zu vereinen: die hohe ressant ist. Fündig wurden die Forscher bei
bestehen, die nicht vernetzt sind, fließen Stabilität der Duroplaste und die kurzen einer speziellen Diels-Alder-Reaktion, die
sie gut. Die Fasern lassen sich deshalb auch Verarbeitungszeiten der Thermoplaste. Eine wie ein thermischer Schalter wirkt. Der
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Reaktionstyp ist nach seinen Entdeckern Der Experte
Schaltbares Materialverhalten ohne Katalysator
Otto Diels und Kurt Alder benannt, die für
ihre Arbeiten 1950 den Nobelpreis für Che- Beim Aufheizen löst sich das polymere Netzwerk, das System kann umge-
mie erhielten. formt werden. Beim Abkühlen bildet es sich wieder aus, die Form ist stabil.
Das Prinzip der hybriden Polymersyste-
me lässt sich auf unterschiedliche Polymere
anwenden. Eine Variante nutzt beispiels-
Vernetzungsgrad [%]
Erhitzen
weise ein Acrylat-Copolymer als Polymer-
matrix. Die thermoplastischen Polymer- Abkühlen Dr. Friedrich Georg
ketten werden über ein bifunktionelles Schmidt
Dienophil in einer Diels-Alder-Reaktion Leiter des Projekts
kovalent miteinander vernetzt. Dabei stellt T Thermoreversibel
vernetzt Glasübergangs „Entnetzung“ thermoplastische vernetzbarer Thermo
sich ein Gleichgewicht zwischen Dien und temperatur Schmelze
plast-Duroplast-
Dienophil ein, das sich über die Temperatur Hybrid im Projekthaus
beeinflussen lässt. RT 100 °C 170 °C 220 °C
Composites.
friedrich-georg.schmidt
Einfacher Prozess @evonik.com
Die Herstellung eines entsprechenden
Faser verbundwerkstoffs ist bestechend
einfach. Wie sie funktioniert, demonstrie-
ren die Entwickler des Projekthauses an ei- sen bis zu Temperaturen von 100 °C eine
ner eigens entwickelten Anlage, auf der sie konstante Performance auf. Bei Elastizität
bereits Muster für potenzielle Kunden ferti- und Zugfestigkeit schneiden sie über einen
gen. Verarbeitet werden Glas- und Kohlen weiten Temperaturbereich genauso gut ab
stofffaserhalbzeuge (Gewebe, Gelege). Das wie ein Epoxidharz-Laminat; Halbzeugen
Faserh albzeug fährt zur Imprägnierung mit thermoplastischem Polyamid 6 sind sie
durch eine Dispersion der hybriden Poly- sogar deutlich überlegen. Auch die Wasser-
mere, wird kurz erhitzt und anschließend aufnahme ist sehr niedrig und mit der eines
Das Projekthaus fertigt
abgekühlt. Ergebnis dieses kontinuierli- bereits erste Muster Epoxidharzes vergleichbar.
chen Prozesses sind Prepregs – vorimprä- für potenzielle Kunden. Das Echo potenzieller Kunden ist ent-
gnierte Halbzeuge, aus denen sich dann sprechend groß. Für Anwendungen im
bei Temperaturen oberhalb 170 °C die ge- Automobilbereich arbeitet Evonik eng
wünschten Bauteile formen lassen. mit Maschinenbauern, Verarbeitern und
16 Die Prepregs sind nicht klebrig und müs- Forschungsinstituten zusammen, um die
sen deshalb bei Lagerung und Transport vorimprägnierten Halbzeuge in Produk
nicht durch Folien getrennt werden. Etwa- tionszellen zu erproben. Auch in der Sport-
iger Verschnitt bei der Weiterverarbeitung artikel- und der Medizintechnikbranche
lässt sich aufgrund der thermisch reversib- stoßen die Prepregs auf Basis der hybriden
len Vernetzung des Hybridpolymers wie- Polymersysteme auf großes Interesse. Die
derverwenden. Auch ein Recycling wird gute Nachricht für den Anwender lautet da-
dadurch möglich. bei: Um mit den Hybridpolymeren zu arbei-
Aus mehreren Lagen Prepregs werden ten, sind keine gravierenden Änderungen
konsolidierte Halbzeuge hergestellt, die als an bestehenden Thermoplast-Fertigungs
Laminate bezeichnet werden. Diese wei- linien erforderlich.
Trocknung und
Einfache Fertigung der Prepregs Filmbildung (130–150 °C)
Schematische Darstellung des Herstellungs-
prozesses in der eigens entwickelten Anlage.
Imprägnierung bei
Raumtemperatur
Glas- oder Kohlenstoff- Abkühlung und
fasergewebe Vernetzung
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIKGLOBAL CHALLENGES: LEICHTBAU
Gastkommentar
Schwere Gründe
für Leichtbau Prof. Dr.-Ing.
Christian Hopmann
ist Leiter des Instituts
für Kunststoffver-
arbeitung (IKV) an
der RWTH Aachen
University und
erhielt 2014 den
Innovationspreis des
Landes NRW.
von Prof. Dr.-Ing. Christian Hopmann
L
eichtbau ist ein Schwergewicht in der
modernen Produktion. Ob Gebäude oder
Fahrzeuge, Verpackungen oder die vielen
Dinge des alltäglichen Gebrauchs – das Ziel, mit
möglichst wenig Material komplexe Funktiona- »Forscher brauchen Raum und
litäten zu erfüllen, eint nahezu alle Branchen.
Leichtbau spart Kosten und Material bei der Her- Zeit. Es ist widersinnig, in
stellung, aber vor allem Energie und Ressourcen Forschungsanträgen gleich nach
in der späteren Gebrauchsphase und erfüllt so die der Marktverwertung zu fragen.«
Prämissen von Effizienz und Nachhaltigkeit.
17
Kunststoffe sind die Protagonisten im modernen
Leichtbau, insbesondere gilt das für Faserver- Je wichtiger weltweit Klima- und Umweltschutz
bunde. Deutschland ist die führende Nation auf werden, desto bedeutender wird die Funktion
diesem Gebiet: Unsere Forscher und Werkstoff von Leichtbau als technischer Erfüllungsgehilfe.
entwickler gehören zu den Topleuten weltweit. Wenn wir künftig genauso erfolgreich Leichtbau
Wir haben eine gut funktionierende Vernetzung betreiben wollen, müssen nicht zuletzt Förder-
zwischen Hochschulen und Industrie in diesem mittel gezielter vergeben werden. Deutschland
Bereich – wer hat das sonst? Doch die anderen verfügt über eine zunehmende Anzahl von Zen-
schlafen nicht. Wir müssen sehen, dass wir auch tren für Leichtbau, doch nicht jedes ist lebens-
in Zukunft weiter vorn mitspielen. fähig. Statt den Hype aus häufig regionalpoliti-
schen Motiven mit kurzfristigen Megaprojekten
Damit das gelingt, sind mehrere Punkte ent- zu befeuern, ist die nachhaltige Finanzierung
scheidend: Neue Funktionalitäten erfordern die überdisziplinärer Zentren, die im Wechselspiel
Weiterentwicklung der Werkstoffe und die Kom- zwischen Forschung und industrieller Anwen-
bination unterschiedlicher Materialien. Im Wett- dung agieren, zu fördern. Die Konzentration auf
bewerb der Werkstoffe lassen sich neue Ansätze exzellente Standorte tut hier not.
entwickeln. Hybridlösungen aus faserverstärk-
tem Kunststoff und Metall beispielsweise könn- Außerdem gilt: Forscher brauchen Raum und
ten sowohl Zug- als auch Schubkräfte hervor- Zeit. Es ist widersinnig, in Forschungsanträgen
ragend aufnehmen. Ebenfalls neu ist die Vielfalt gleich nach der Marktverwertung zu fragen. Wir
in den Matrixsystemen, neben den Duroplasten müssen uns die Freiheit nehmen, unkonven-
sind Thermoplaste immer mehr im Kommen. tionelle Wege zu gehen oder auch einfach mal
Wir müssen die gesamte Bandbreite von leichten ausprobieren zu lassen. Die Leichtbauforschung
Infografik: C3 Visual Lab Foto: Evonik
Werkstoffen austesten, denn bei carbonfaser braucht mehr Vielfalt und Wettbewerb, mehr
verstärkten Kunststoffen beispielsweise sind die bottom-up statt top-down! So sind auch schon
hohen Herstellungskosten der Fasern ein begren in der Vergangenheit die tollsten Werkstoffe
zender Faktor. Um die Systemkosten zu senken, entstanden, die die Basis für unseren heutigen
müssen automatisierbare und kosteneffiziente Wohlstand darstellen. Als Modeerscheinung ist
Herstellungsverfahren entwickelt werden. Leichtbau viel zu wichtig und viel zu kostbar.
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK18
ELEKTRONIK AM KÖRPER
Rechenkraft
prêt-à-porter!
Die Computer rücken uns
zu Leibe: Füllten die ersten
Exemplare noch Lagerhal
len, so ist mittlerweile das
Mitführen eines Smart
phones für viele Menschen
ebenso selbstverständlich
wie das Portemonnaie in
der Hosentasche. Im Jahr
2016 wird rund ein Drittel
aller Menschen ein Smart
phone besitzen.
Der nächste Entwick
lungsschritt ist bereits in
vollem Gange: Mikrochips
sind so klein und günstig
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
geworden, dass sie sich in
CORPOR ATE FORESIGHT: WEAR ABLES
Alltagsgegenstände inte
grieren lassen, beispiels
weise in Motorradhelme,
Kleidungsstücke oder
Zahnbürsten. Es beginnt
eine Zeit, in der vormals
„dumme“ Gegenstände
zu intelligenten Sammlern
und Sendern von Daten
werden. Smartwatches
wie etwa die Apple Watch
gehören zu den Vorboten
dieser Entwicklung. Wear
ables sollen dazu beitra
gen, unser Lebens bewuss
ter, gesünder und sichererzu gestalten. So könnte
eine intelligente Kontakt
linse den Zuckergehalt
in der Tränenflüssigkeit
von Diabetespatienten
messen und den Träger
warnen, sobald der
Blutzuckerspiegel außer
halb der Norm liegt.
Noch kocht die Wearables-
Revolution auf kleiner
Flamme, weil es einige He
rausforderungen zu über
winden gibt: Wie sichert
man das Überleben des
Computers in einem smar
ten T-Shirt beim Waschen?
Wie lassen sich Chips
und Leiterbahnen in Ver
bandmaterial einbauen,
ohne den Tragekomfort
einzuschränken?
Mit solchen Fragen und
möglichen Wachstums
chancen für Evonik im
Bereich der Wearables
ELEMENTS #54 DAS INNOVATIONSMAGA ZIN VON EVONIK
CORPOR ATE FORESIGHT: WEAR ABLES
beschäftigt sich das
Corporate-Foresight-
Team von Evonik in sei
nem Fokusthema Digital
Futures. Und wer weiß:
Vielleicht stehen wir in ei
nigen Jahren vor der Wahl,
ob wir das nächste Smart
phone als Jacke, Hose oder
Das T-Shirt als Ladestation: In das Solar Shirt
Brille kaufen. von Designerin Pauline van Dongen sind 120
Dünnschichtsolarzellen eingearbeitet. Bei
direkter Sonneneinstrahlung erzeugen sie eine
elektrische Leistung von einem Watt – genug,
um in wenigen Stunden ein Handy zu laden.
Mehr Informationen:
bit.ly/1bqpfpg
Foto: Liselotte Fleur
19GLOBAL CHALLENGES: DIGITALISIERUNG
DIGITAL
WIRD
NORMAL
Interview mit Dr. Henrik Hahn, Leiter
Digitalisierungsstrategie bei Evonik,
und Dr. Zhong Hong, verantwortlich für
IT-Strategie und IT-Architektur.
20
D
igital ist normal – das gilt zu- tragen – lokal, global, in privaten und in öf-
mindest im Alltag. Was aber fentlichen Netzen. Mittlerweile aber ist die
bedeutet Digitalisierung für Digitalisierung weiter fortgeschritten und
Chemieunternehmen, für hat Entwicklungen hervorgebracht, die vor
Geschäftsprozesse, Verfah- wenigen Jahren noch unvorstellbar waren.
»Ich gehe davon aus, ren, Mitarbeiter und Kunden? Denken Sie an Haushaltsgeräte, die mit On-
dass in fünf bis zehn „Digitalisierung ist ein Evolutionsprozess
– kein radikaler Umbruch, wie es oft dar-
line-Versandhändlern vernetzt sind. Auf
Knopfdruck bestellen sie Verbrauchsmate-
Jahren Anlagen über gestellt wird“, sagt Dr. Zhong Hong. „Wir rialien wie etwa Waschpulver selbst nach.
Kontinente hinweg wollen den digitalen Wandel zusammen mit
den Segmenten und allen Konzerneinheiten
Diese neue Einfachheit stiftet ohne Zweifel
Nutzen für die Kunden, auch wenn wir uns
gesteuert werden vorantreiben“, ergänzt Dr. Henrik Hahn. erst noch daran gewöhnen müssen.
können.« Gemeinsam erläutern sie, wie Evonik eine
digitale Agenda im engen Schulterschluss Verstehen Sie, wenn Menschen Vor-
Dr. Zhong Hong zwischen IT und Konzernstrategie nach- behalte oder Ängste vor der rasanten
IT-Strategieexperte bei Evonik, haltig im Konzern verankern wird. Entwicklung haben?
hat zuvor als Senior Vice President des Zhong Hong: Die Menschen sind an digi-
damaligen Geschäftsbereichs Die Digitalisierung hat unseren Alltag tale Informationen längst gewöhnt. Um zu
Coatings & Additives in Asien
umfangreiche Erfahrungen im operativen voll durchdrungen. Ist sie Segen oder wissen, wie das Wetter wird, schauen die
Geschäft gesammelt. Fluch? meisten lieber auf ihre Wetter-App als in
Henrik Hahn: Ein Fluch ist sie bestimmt den Himmel. Natürlich hat jede neue Tech-
nicht. Informationen werden schon lange nologie ihre eigene Dynamik und lässt sich
digital gespeichert, verarbeitet und über- nicht aufhalten, wenn sie mal begonnen
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