Kostengünstige Carbonfasern für den Leichtbau

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Carbonfasern sind Experten zufolge zwar das fortschrittlichste Verstärkungsfaserprodukt für extrem leichte Verbundwerkstoffe. Die Durchdringung von Massenmärkten wie der Automobilindustrie, dem Bauwesen und anderen Industriezweigen, die derzeit Glas- und Naturfasern verwenden, bleibt jedoch schwierig. Ein Hauptgrund sind die hohen Produktionskosten der heutigen Carbonfasern. Erst eine deutliche Preissenkung könnte dazu beitragen, dass Carbonfasern in diesen Sektoren deutlich stärker eingesetzt werden.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP wollen dies nun mit ihrer sogenannten ComCarbon-Technik erreichen. Sie setzen dabei bei der Produktion der Polyacrylnitril-Fasern (PAN) an, einem Vorprodukt herkömmlicher Carbonfasern. Denn ungefähr die Hälfte der Kosten entstehen dort während der Produktion. Diese sogenannte Precursor-Faser ist nämlich nicht schmelzbar und wird daher mit dem teuren Lösungsspinnverfahren hergestellt.

Etwa 60 Prozent der Precursor-Kosten eingespart

"Wir haben eine alternative PAN-basierte Precursor-Technologie entwickelt, mit der etwa 60 Prozent der Precursor-Kosten eingespart werden können. Sie basiert auf einem kostengünstigen Schmelzspinnverfahren mit speziellen, schmelzbaren PAN-Copolymeren, die wir für diesen Zweck entwickelt haben“, erklärt Professor Johannes Ganster, der den Forschungsbereich Biopolymere am Fraunhofer IAP leitet. "Die kostengünstigen Precursor-Fasern können dann, nach Aufhebung der Schmelzbarkeit, wie herkömmliche Precursoren auf den etablierten Produktionswegen zu Carbonfasern verarbeitet werden“, so Ganster.

Der wirtschaftliche und ökologische Vorteil des Schmelzspinnens gegenüber dem Lösungsspinnen resultiert laut IAP aus mehreren Faktoren: Es sind beispielsweise keine Lösungsmittel beteiligt, die umweltschädlich sind und daher aufwändig recycelt werden müssen. "Der Verzicht auf Lösemittel hat zudem den Vorteil, dass das so aufgeschmolzene Material zu 100 Prozent versponnen werden kann, was deutlich höhere Spinngeschwindigkeiten ermöglicht“, so das Institut.

Polymerbasierter Leichtbau und Funktionsintegration

Auf dem Weg zur Carbonfaser müssen die Vorläuferfasern Stabilisierungs- und Carbonisierungsschritte durchlaufen. Dazu werden die schmelzgesponnenen Precursorfasern in einen unschmelzbaren Zustand überführt. Sobald diese Vorstabilisierung beendet ist, wird das Multifilamentgarn kontinuierlich in herkömmliche Stabilisierungsöfen transportiert und bei Temperaturen von bis zu 1600 °C carbonisiert. Noch bis zum 29. April stellt das Fraunhofer IAP auf der Messe der Luft- und Raumfahrt, ILA, in Berlin das Verfahren vor. Auf dem Gemeinschaftsstand der Wirtschaftsförderung Land Brandenburg werden zudem Anwendungsbeispiele im polymerbasierten Leichtbau und zu funktionsintegrierten Kunststoffen präsentiert.

In Halle 3 am Stand 403c stellen die Wissenschaftler einen Ausschnitt eines Flugzeugtriebwerkseinlasses aus faserverstärktem Kunststoff vor. Im Fokus der Entwicklung steht die Mikrowellentechnik als alternative Härtungsmethode von Compositen. Denn die Aushärtung im Mikrowellenofen funktioniert schneller und vor allem bauteilschonender als in einem herkömmlichen Ofen. Die Integration spezieller Funktionalitäten wie biochemische und biosensorische Funktionen, Identifikationsmerkmale, Sensoren, Photovoltaik oder Beleuchtungselemente in Kunststoffe ist ein weiteres Schwerpunktthema am Fraunhofer IAP. Professor Alexander Böker, Leiter des Fraunhofer IAP, berichtet in seinem Vortrag über aktuelle Projekte und neue Entwicklungen.