Faser-Metall-Laminate mit kompostierbaren Biomaterialien für den ökologischen Leichtbau

Recyclingfähigkeit und Kompostierbarkeit sind heute besonders bei Baumaterialien sehr gefragt, um am Ende des Produktlebenszyklus die Umweltbelastung zu reduzieren. Für die Herstellung moderner Fassadenelemente sowie Luftfracht- und Wohncontainer entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen jetzt gemeinsam mit drei Partnern aus Industrie und Wissenschaft ein Produktionssystem, mit dem sich vollständig recycelbare Faser-Metall-Laminate mit kompostierbaren Biomaterialien herstellen lassen.

Biologisch abbaubare Naturfasern und Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen bieten vielversprechende Alternativen zu konventionellen Halbzeugen und etablierten Matrixmaterialien in Faserverbundwerkstoffen. Zum Einsatz kommen diese sogenannten thermoplastischen Biowerkstoffe jedoch bisher eher selten, da verschiedene technische Voraussetzungen fehlen, um diese kostengünstiger zu produzieren. Dabei wären gerade Faser-Metall-Laminate mit einem Kern aus Naturfaser-Verbundkunststoffen nicht nur aufgrund ihrer mechanischen Belastbarkeit, sondern auch aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften und ihrer Recyclingfähigkeit prädestiniert für Anwendungen im Bau- und Transportsektor.

Gemeinsam mit der Delcotex Delius Techtex GmbH & Co. KG aus Bielefeld, dem Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) der RWTH Aachen und der Dirkra Sondermaschinenbau GmbH aus Stolberg entwickelt das Fraunhofer IPT deshalb nun ein effizientes Fertigungssystem für die Serienherstellung eines vollständig recycelbaren und teilweise biologisch abbaubaren Laminats aus Naturfasern und Metall: Textile Halbzeuge aus Naturfasern verstärken einen thermoplastischen Biokunststoff und werden beidseitig von metallischen Decklagen ummantelt. Der Metallmantel des Faserverbundkerns dient vor allem dazu, die biologisch bedingte Varianz der Naturfasern auszugleichen und die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu verbessern. Außerdem ermöglicht es die spezielle Struktur der Faser-Metall-Laminate klassische metallverarbeitende Prozesse einzusetzen, die effizient in die Wertschöpfungskette integriert werden können.

Das kostengünstige Produktionssystem der vier Partner im Forschungsprojekt »Bio-FML« wird für eine kontinuierliche Herstellung des nachhaltigen Hybridwerkstoffs konzipiert: Während des Imprägnier- und Fügeprozesses dient die beidseitige Metallummantelung bereits als Werkzeug zur Wärme- und Druckübertragung auf den Faserverbundkern. Auf diese Weise lässt sich der Einsatz kostspieliger Imprägnier-Pressen umgehen. Um eine feste Verbindung zwischen dem Kern und dem umgebenden Metall zu erzielen, integrieren die Aachener Forscher einen laserbasierten Strukturierprozess zur Oberflächenbehandlung des Metalls in die Produktionslinie, der teure und umweltschädliche Haftvermittler zwischen den Schichten überflüssig macht. So wird sichergestellt, dass sich das Verbundmaterial am Ende des Produktzyklus allein durch Wärmezufuhr trennen und recyceln lässt.

Der neue Werkstoff erhält durch die Sandwichbauweise eine robuste, lackierbare Metalloberfläche und lässt sich leicht an Kundenwünsche, beispielsweise für neue Fassadendesigns, anpassen. Das Verbundmaterial kann zudem in herkömmlichen Pressen, wie sie bisher in der Metallverarbeitung eingesetzt werden, zu 3D-Bauteilen und Profilen umgeformt werden.

Mit einem neu entwickelten temperierbaren Tauchkantenwerkzeug hat das Fraunhofer IPT im Projekt bereits erste Bauteile im stationären Heißpressversuch hergestellt und durch Thermoforming beispielhaft zu einem S-Profil umgeformt. Als Decklage diente Aluminium, als Kern wurde ein kompostierbares Flachs-Polylactid-Verbundmaterial (FPL) eingesetzt.