Wie modulare Bauweise den Wechsel zu biobasierten Verbundwerkstoffen unterstützt
Biokunststoffe haben sich in einer Vielzahl von Sektoren als starke Kandidaten für den Ersatz erdölbasierter Materialien erwiesen. Dieser Austausch gestaltet sich jedoch nicht einfach. Die physikalischen und thermochemischen Eigenschaften der beiden Stoffe sind unterschiedlich, und ein direkter Ersatz kann in der Praxis Unzulänglichkeiten nach sich ziehen. Deshalb verfolgt das Team des EU-finanzierten Projekts BIO-UPTAKE(öffnet in neuem Fenster) einen anderen Weg, der auf Modularität und der strategischen Kombination biobasierter Komponenten beruht. Das Ziel der vierzehn Projektpartner(öffnet in neuem Fenster) bestand darin, den Einsatz von biobasierten Verbundwerkstoffen um 39 % zu steigern. Nach drei Jahren Forschung und industrieller Erprobung hat die Projektarbeit anpassungsfähige Fertigungsverfahren und Demonstrationsprodukte für Bau-, Medizin- und Verpackungsanwendungen hervorgebracht. Projektkoordinatorin Leyre Hernández erklärt die Kernidee: „Mit BIO-UPTAKE wird ein modulares Konzept eingeführt, bei dem biobasierte Verbundwerkstoffe in Zwischenformate wie Organobleche, Bänder und Presslinge umgewandelt werden, die auf vielfältige Weise kombinierbar sind. Dieser Ansatz gestattet die Vorfertigung von leichten, leistungsstarken Komponenten bei weniger Materialabfall und kürzeren Produktionszyklen.“ Durch diese Modularität können die Hersteller die Eigenschaften auch auf spezifische Bedürfnisse zuschneiden, während gleichzeitig die Flexibilität des Designs erhalten bleibt.
Flexible Fertigungswege
Die von BIO-UPTAKE eingesetzte Kombination verschiedener Zwischenformate verbessert die mechanischen Eigenschaften, die Haltbarkeit und die Verarbeitbarkeit. „Die Verbindung zweier Materialien kann die Stärken des jeweils anderen verstärken. Organobleche erhöhen beispielsweise die Steifigkeit, Bänder verstärken kritische Bereiche und Presslinge unterstützen komplexe Formen und große Teile“, erklärt Hernández. Diese Formate bilden die Grundlage für drei im Rahmen des Projekts entwickelte Fertigungsverfahren. Das erste ist ein Prozess mit duroplastischen Verbundwerkstoffen, bei dem reversible Harze und Vakuumbeutel, aus denen die Luft zur besseren Verfestigung entfernt wird, verwendet werden, um feste, leichte Platten herzustellen. „Diese Platten werden aus Prepregs mit Flachsfasern hergestellt, die die Nachhaltigkeit steigern und hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen“, erklärt sie. Das zweite Verfahren ist ein hochgradig maßgeschneiderter thermoplastischer Prozess, bei dem selbstverstärkte Bänder und Presslinge zum Einsatz kommen. Er ermöglicht die Herstellung von maßgeschneiderten Formen und Eigenschaften für kleine Chargen, die ideal für medizinische Anwendungen sind. Beim Einschussverfahren für großvolumige Thermoplaste schließlich werden Vorformen und Spritzgießen in einem einzigen Arbeitsgang kombiniert. Damit wird die Produktion großer Teile wie Behälterdeckel beschleunigt und es werden gleichzeitig der Energieverbrauch und das Produktgewicht reduziert. Außerdem beinhaltet es reversible Klebstoffe, um die Recycelbarkeit und das Demontagepotenzial zu optimieren. „Alle drei Prozesse beziehen Echtzeitüberwachung und digitale Simulation für Qualität und Effizienz ein“, betont die Projektkoordinatorin.
Pilotprodukte mit praktischem Potenzial
Zur Validierung der Fertigungsverfahren stellte das BIO-UPTAKE-Team drei verschiedene Pilotprodukte her. Im Bausektor wurden leichte, steife Deckenplatten für Badezimmer entwickelt, die den Einbau und das Recycling am Nutzungsdauerende vereinfachen. Im medizinischen Bereich wurden Ergonomie, Komfort und Nachhaltigkeit von Einlegesohlen verbessert, die unter Einsatz des maßgeschneiderten Thermoplastprozesses hergestellt werden. Und im Verpackungssektor wurden leichte und recycelbare Behälterdeckel hergestellt, dank derer die Abhängigkeit von fossilen Kunststoffen verringert wird. „Mit den Demonstratoren ist bewiesen worden, dass biobasierte Verbundwerkstoffe technische und ökologische Anforderungen in den verschiedensten Sektoren erfüllen können“, betont Hernández. Von Projektbeginn an wurde die Nachhaltigkeit in Form von Lebenszyklusanalysen und Ökodesign-Grundsätze integriert. Die Materialien wurden aus erneuerbaren oder recycelten Quellen mit CO2-armen Produktionsmethoden ausgewählt. Alle Zwischenformate erreichten einen biobasierten Anteil von mehr als 75 %, und es bestätigte sich, dass die Treibhausgasemissionen um bis zu 33 % reduziert wurden. „Im Rahmen von BIO-UPTAKE wurden drei industrielle Pilotprojekte durchgeführt, Bedienpersonal in neuen Prozessen geschult, Kommunikationsmaßnahmen durchgeführt und Workshops zur Normung abgehalten und somit ein klarer Weg zur Einführung und Verbreitung biobasierter Verbundwerkstoffe vorgegeben“, berichtet Hernández abschließend.
