Faserverstärkte Kunststoffe sind komplexe Werkstoffe, die sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen. Entsprechend breit gefächert sind die Anwendungsbereiche von der Luftfahrt, über den Mobilitätsbereich, Bau- und Infrastrukturanwendungen bis hin zu Elektro-/Elektronikanwendungen und dem Mobilität- sowie Sport- und Freizeitbereich. Volker Mathes, Business Development Manager bei der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, erklärt die wichtigsten Trends.

Composites spielen bei der Entwicklung neuer Werkstoffe in der Champions League. Wo spielt im Moment die Musik?

Die Forschungsbestrebungen sind so vielfältig wie die Anwendungsfelder heterogen. Im Fokus steht aber vielfach die Materialoptimierung im spezifischen Anwendungsfall. Daneben sind im Bereich Simulation und Charakterisierung noch einige offene Punkte zu bearbeiten. Prozessoptimierungen, Prozesskombinationen und die Schaffung integrativer Produktionstechnologien sind zentrale Herausforderungen. Diese Maßnahmen zielen vor allem auf Taktzeitoptimierungen, gleichbleibende Bauteilqualitäten und die spätere Anbindung an verschiedene Maßnahmen der Industrie 4.0.

Volker Mathes, AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe, Bild: AVK
Volker Mathes, Business Development Manager bei der AVK – Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe. Bild: AVK

Wohin führt die Weiterentwicklung bereits bestehender Materialsysteme?

Die Verarbeitung ist nicht immer trivial. Bei anisotropen Materialien hängen die Eigenschaften und mechanischen Kennwerte stark von einer passenden, lastgerechten Konstruktion und Auslegung sowie einer exakten Verarbeitung ab. Hier wird – trotz einer fast 100-jährigen Historie der Werkstoffe – noch an vielen Stellen geforscht und gearbeitet. So stehen derzeit vor allem die Weiterentwicklung und Kombination bestehender Verarbeitungsprozesse im Fokus. Unter anderem ist die Hybridisierung bestehender Verfahren der Kunststoffverarbeitung zu nennen. Ebenfalls im Fokus steht die integrative Produktionstechnologie. Eng aufeinander abgestimmte vor- und nachgelagerte Prozesse bei optimaler Taktung sind das Ziel vielfältiger Optimierungsbestrebungen. Materialweiterentwicklungen betreffen vor allem eine höhere Temperaturstabilität, bessere Verarbeitbarkeit bestehender Systeme sowie die optimale Anpassung der Rohstoffe aufeinander. Eine optimale Faser-Matrixanbindung ist oft der Garant für hochwertige Produkte.

Welche Rolle spielt die Digitalisierung bei Werkstoffen?

Industrie 4.0 hat auch Eingang in die Composites-Industrie gefunden. Der Grad ist aber sehr unterschiedlich. Die Zulieferindustrie für die automobile Großserie behandelt das Thema natürlich viel intensiver als ein Betrieb, der eher handwerklich geprägt in kleinen Stückzahlen fertigt. Eine optimierte Taktung und Verfügbarkeit von Einsatz-, und Rohstoffen sowie eine möglichst optimale Rückverfolgbarkeit von Bauteilen treiben das Thema. Speziell wenn Unternehmen in komplexe Lieferketten eingebunden sind, ist eine effiziente und effektive Fertigung und Verfügbarkeit benötigter Vorprodukte unumgänglich. Auch die Ermittlung maschineller Kennwerte aus der Produktion wird für Bestellungen und das Abrufen benötigter Rohstoffe immer bedeutender. Sensorik ist vor allem für den Produktionsprozess enorm wichtig, um automatisiert Abweichungen im Fertigungsprozess erkennen und gegensteuern zu können. Hier steht der Qualitätssicherungs- und Optimierungsgedanke klar im Fokus. Daneben spielt Sensorik in späteren Bauteilen eine immer wichtigere Rolle. Ermüdung durch Dauerbelastung oder Schädigungen durch außergewöhnliche Ereignisse lassen sich so registrieren und Schäden erkennen oder sogar verhindern.

Wie schätzen Sie aktuell die wirtschaftliche Entwicklung für Composites ein?

Die Marktentwicklung war in den letzten Jahren sehr dynamisch. Der Weltmarkt ist mit drei bis fünf Prozent über alle Werkstoffgruppen gewachsen. Vor allem thermoplastische Anwendungen und der Markt für kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe weisen teils sogar ein zweistelliges jährliches Marktwachstum auf. Über alle Anwendungen hinweg erwarten wir einen weiterhin kontinuierlichen Anstieg der Produktionsmengen. Vor allem die Windkraftindustrie ist ohne Composites kaum denkbar. Auch die E-Mobilität ist Treiber für die Industrie, da ein hoher Bedarf an Leichtbau besteht. Hier werden es aber voraussichtlich werkstoffübergreifende Hybridsysteme sein, die den größten Mehrwert bieten. Neben der Luftfahrt als weiterem Wachstumstreiber zeigen sich derzeit vor allem im Bau- und Infrastrukturbereich spannende Anwendungen. Insgesamt sehen wir bauteilseitig die optimalen Lösungen vielfach in der werkstofflichen Hybridisierung.

Wo steht Deutschland im internationalen Vergleich?

Im europäischen Composites-Umfeld ist Deutschland optimal aufgestellt und seit einigen Jahren in Europa das mengenmäßig größte Herstellungsland. Diese Position gilt es weiter auszubauen. Deutschland kann und sollte Leitanbieter im Bereich des Leichtbaus und darüber hinaus werden. Die Märkte agieren aber sehr international. Vor allem im nichteuropäischen Ausland ist oftmals eine starke staatliche Förderung entsprechender Leichtbauaktivitäten feststellbar. Wir wollen die Politik überzeugen, dass Deutschland hier eine führende Rolle spielen kann und muss. Eine staatliche Förderung kann dabei unterstützend wirken. 20 Unternehmen, Verbänden und Forschungseinrichtungen haben gemeinsam ein Positionspapier zum industriepolitischen Dialog vorgelegt. Darin fordern sie, Deutschland gemeinsam mit der Politik weltweit branchenübergreifend zum Leitanbieter für den werkstoffübergreifenden Leichtbau zu entwickeln.

Drei Fragen an Dr. Franz Androsch, Leiter F&E und Innovation, Voestalpine

Kann der Stahl den vielen neuen Materialentwicklungen anderer Werkstoffe Paroli bieten?

Vor allem in Kombination mit Verarbeitungstechnologien gibt es echte Neuentwicklungen, beispielsweise die presshärtenden Stähle, die die derzeit höchsten Festigkeiten erreichen. Auch durch Kombination verschiedener Werkstoffsysteme werden völlig neue Materialien mit neuen Eigenschaften geschaffen. Die Anforderungen sind sehr unterschiedlich. So fordern die Automobilindustrie, aber auch Lkw-, Kran- und Maschinenbau, Leichtbaulösungen. Neueste Entwicklungen sind neben presshärtenden Stählen höchstfeste Stähle mit erhöhter Umformbarkeit oder hoher Zähigkeit. In der Luftfahrtindustrie setzt man beim Werkstoff für geschmiedete Komponenten auch auf Materialien wie Titan- und Nickelbasislegierungen. Im Bereich der Bahninfrastruktur liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung verschleißfester und wartungsarmer Schienen sowie der Entwicklung des kompletten Weichensystems inklusive Diagnose- und Überwachungseinrichtungen – eine hochinnovative Systemlösung.

Dr. Franz Androsch, Leiter F&E und Innovation, Voestalpine. Bild: Voestalpine
Dr. Franz Androsch, Leiter F&E und Innovation, Voestalpine. Bild: Voestalpine

Und wie sieht es im Energiesektor und dem Maschinenbau aus?

Anforderungen aus der Energieindustrie begegnen wir mit Stahllegierungen, die sehr hohen Temperaturen standhalten oder extrem korrosionsbeständig sind. Werkzeughersteller wiederum benötigen Materialien, die lange Standzeiten ermöglichen, raschen Temperaturwechseln standhalten oder höchste Passgenauigkeiten für den Formenbau zulassen. Hier gehen die Entwicklungen in Richtung pulvermetallurgisch hergestellte Werkzeugstähle, Einsatz von Nickelbasis- und Titanlegierungen sowie neue Hightech-Beschichtungen.

Passen einer der ältesten Werkstoffe der Menschheit und Digitalisierung noch zusammen?

Digitalisierung in der Werkstoffentwicklung bedeutet numerische Simulationstools wie Finite-Elemente-Methoden oder thermodynamische Simulationen. So werden Eigenschaften und Vorgänge simuliert, die einer physikalischen Untersuchung schwer zugänglich sind. Die zunehmende Digitalisierung mit neuen statistischen Methoden und mathematischen Modellen wird in Zukunft die Schnelligkeit und Effizienz der Entwicklungstätigkeit wesentlich beschleunigen. Kunden werden die Werkstoff-Kenndaten, die sie für ihre weitere Verarbeitung unserer Produkte benötigen, direkt aus den Simulationsdaten bekommen.

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