Google+ Facebook Twitter XING LinkedIn GoogleCurrents YouTube

Forschung

PE-Komposit für einen nachhaltigen Leichtbau

| Redakteur: Simone Käfer

Der dynamische Mikrozugversuch zeigt das dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens eines spritzgegossenen Werkstücks.
Der dynamische Mikrozugversuch zeigt das dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens eines spritzgegossenen Werkstücks. (Bild: Fraunhofer-IWM)

Polyethylen (PE) ist ein ideales Material für den Leichtbau: energieeffizient, aus nachwachsenden Rohstoffen herstellbar, nahezu rückstandslos zu recyceln – und jetzt auch mechanisch belastbar.

WissenschaftlerInnen des Fraunhofer-IWM, Mikro Tribologie Centrum µTC, haben mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller Lyondell Basell ein tragfähiges, sortenreines PE-Komposit hergestellt und qualifiziert. Die verstärkenden Faserstrukturen des neuen Werkstoffs bestehen ebenfalls aus PE (Polyethylen) und bilden sich im Spritzguss selbst. „Im Projekt Suscomp forschten wir an sortenreinen Kompositen aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Komposite erreichen”, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter „Polymertribologie und biomedizinische Materialien” am Freiburger Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Ein wichtiger Punkt, der zur Erforschung beitrug, war die Suche nach einem recyclebaren PE.

Problem: recyclebar aber nicht stark genug

Denn die Kohlenwasserstoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) machen gut die Hälfte aller weltweit produzierten Kunststoffe aus. PE findet sich in vielen Kunststoffprodukten des täglichen Gebrauchs. Als sortenreines Material ist es einfach und quasi unendlich häufig wiederverwendbar: gebrauchtes Produkt raspeln, aufschmelzen und zu neuen Bauteilen formen bei gleichbleibend guter Qualität. Oder PE wird erhitzt und zu Rohstoffen für die chemische Industrie oder zu Bausteinen für die Herstellung von Kohlenwasserstoffmaterialien zurückverwandelt – ganz ohne Rückstände. Darum und aufgrund ihres geringen Gewichts sind Kohlenwasserstoffmaterialien allgemein ideal für den nachhaltigen Leichtbau: beispielsweise in der Automobilindustrie, die bei ihren Produkten die Wiederverwertbarkeit zu einem gewissen Prozentsatz gesetzlich nachweisen muss.

Jedoch können aus regulärem PE bis heute keine tragfähigen Bauteile hergestellt werden, da es als Werkstoff nicht widerstandsfähig genug ist. Zur Verstärkung werden bisher Füllstoffe genutzt, besonders Kohlenstoff- oder Glasfasern. Dabei verschlechtert sich die Energie-, Rohstoff-, Umwelt- und Kostenbilanz dramatisch: Die Herstellung sowie das Recycling sind erheblich erschwert und kostspielig. Eine Alternative bietet sogenanntes ultrahochmolekulares PE (UHMWPE), das als Hochleistungswerkstoff beispielsweise in medizinischen Implantaten wie Hüftpfannen oder Kniegelenken verwendet wird. Dieser sortenreine, hochfeste und abriebbeständige Werkstoff lässt sich jedoch nicht im Spritzguss verarbeiten: Er muss aufwändig und kostenintensiv als Pulver in eine Form gepresst, gesintert und danach zum exakten Bauteil gefräst werden. Fasern aus UHMWPE können zwar die Festigkeit von Stahl erreichen, sind jedoch teuer und für ein Werkstoffrecycling ungeeignet.

Ergänzendes zum Thema
 
Die Herstellung von Polyethylen-Werkstoffen

Lösung: Reaktorblends

Die Lösung für diese Herausforderung fand Prof. Dr. Rolf Mülhaupt mit seinem Team am Freiburger Materialforschungszentrum FMF der Albert-Ludwigs-Universität: Er platziert unterschiedliche Katalysatoren, mit deren Hilfe PE in verschiedenen Kettenlängen gezielt hergestellt werden kann, fein verteilt auf dem gleichen Katalysatorträger. An diesem Katalysator werden bei der folgenden Synthese des PE durch Ethylenpolymerisation gleichzeitig Mischungen aus nieder-, mittel- und ultrahochmolekularem PE hergestellt, sogenannte Reaktorblends. „Mit diesem Trick entstehen direkt bei der Polymerisation PE-Blends, die sich problemlos spritzgießen lassen”, erklärt Prof. Dr. Mülhaupt.

Der dynamische Mikrozugversuch zeigt das dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens eines spritzgegossenen Werkstücks.
Der dynamische Mikrozugversuch zeigt das dehnratenabhängigen Werkstoffverhaltens eines spritzgegossenen Werkstücks. (Bild: Fraunhofer-IWM)

Das Verfahren vermeidet hohe Viskositäten, die normalerweise eine Herausforderung sind, wenn ein hoher Anteil von UHMWPE-Molekülketten im Spritzguss verarbeitet werden soll. Die hohen Scherströmungen, die beim Spritzguss in schmale Spritzgussformen auftreten, sind dann dafür verantwortlich dass sich aus den ultrahochmolekularen Bestandteilen durch Selbstorganisation des Werkstoffs faserartige UHMWPE-Strukturen ausbilden. Diese Fasern verstärken das Bauteil, orientieren sich beim Spritzguss sogar in der gewünschten Richtung und sorgen so für mechanische Stabilität.

Auch nach 10 Mal recyceln noch gute Qualität

Und diese Bauteile lassen sich gut wiederverwerten: „Wir haben Proben davon insgesamt zehn Mal werkstofflich rezykliert und immer die gleich gute Qualität erhalten, da sich die gewünschten Werkstoffstrukturen durch Selbstorganisation immer erneut ausbilden”, so Prof. Dr. Mülhaupt. Proben dieses neuen Hochleistungsmaterials prüften die WissenschaftlerInnen am Fraunhofer IWM auf ihre Werkstoffeigenschaften hin. Die mechanischen Eigenschaften zeigen: Es sind viele Anwendungen vorstellbar, beispielsweise lange Möbelteile, Schienen- und Rolladenführungen oder Teile fürs Autointerieur. Neben dem geringen Gewicht haben die Bauteile auch den Vorteil, Schmierstoffe auf Wasserbasis sehr gut zu vertragen.

Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung abgelegt.
Mittels Katalysator werden unterschiedliche, unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in der 3D-Druckdüse entstehenden Faserstrukturen in der gewünschten Orientierung abgelegt. (Bild: Fraunhofer-IWM)

3D-Suscomp: Das PE-Komposit für den 3D-Drucker

Im Nachfolgeprojekt 3D-­Suscomp geht es nun darum, das Material per 3D-Drucker zu verarbeiten. Bisher ließen sich die guten Eigenschaften der sortenreinen Komposite nur erreichen, wenn die Polymere in einer schmalen Spritzgussform orientiert wurden. Die Verstärkung durch Selbstorganisation erfolgt ausschließlich in der Richtung, die durch die Spritzgussform vorgegeben ist.

Das ist bereits ein großer Fortschritt, allerdings sind auch andere Bauteilformen und Werkstoffe, multidirektionale Komposite, wünschenswert. Die WissenschaftlerInnen fanden heraus, dass sich die Faserstrukturen in der Düse eines 3D-Druckers ebenfalls ausbilden. Deren Orientierung im Bauteil kann jedoch im Gegensatz zum Spritzguss über die Bewegung des Druckkopfs gesteuert werden. Hierdurch sind viele neue Anwendungen für den Werkstoff denkbar. Denn neben Zahnrädern im Automobil oder für die Lebensmittelindustrie ließen sich auch anschmiegende Robotergreifer, medizinische Orthesen oder Steckverbinder aus einem Bauteil herstellen.

Die beiden Projekte Suscomp und 3D-Suscomp des Freiburger Leistungszentrums Nachhaltigkeit werden vom Land Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Grundlage bei der Katalysatorentwicklung ist eine langjährige, durch das BMBF geförderte Forschungskooperation des Freiburger Materialforschungszentrums und dem weltweit führenden Unternehmen LyondellBasell in Frankfurt.

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 46102886 / Werkstoffe)

Themen-Newsletter Konstruktion abonnieren.
* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

Industrial Usability 2019

Das Anwendererlebnis im Mittelpunkt

Wie sieht eine erfolgreiche UX-Strategie aus? Ein Glück in Sachen Alleinstellungsmerkmal: Eine für alle, die gibt es nicht. Dieses Dossier bietet verschiedene aktuelle Ansätze und Trends in der Industrial Usability. lesen

Effizienzsteigerung

Mit Künstlicher Intelligenz erfolgreich durchstarten

Wie Sie Ihr erstes KI-Projekt starten, wie sich die Branche verändern wird und welche Best Practices es heute schon gibt – hier finden Sie die Fakten und das nötige Grundlagenwissen! lesen