Sortenreiner Verbundwerkstoff

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Fraunhofer IWM und Lyondell entwickeln Basell komplett rezyklierbaren Verbundwerkstoff für Spritzguss-Bauteile. Faser und Matrix sind aus einem Werkstoff.

Forscher des Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) haben gemeinsam mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefin-Hersteller Lyondell Basell einen sortenreinen PE-Verbundwerkstoff hergestellt und qualifiziert. Der Clou: Die verstärkenden Faserstrukturen bestehen ebenfalls aus PE und bilden sich sogar im Spritzguss selbst.

Um aus PE bis tragfähige Bauteile herzustellen, werden zur Verstärkung bisher Kohlenstoff- oder Glasfasern beigemischt. Dabei verschlechtert sich die Energie-, Rohstoff-, Umwelt- und Kostenbilanz: Die Herstellung sowie das Recycling sind erheblich erschwert und kostspielig. Eine Alternative bietet ultrahochmolekulares PE (UHMW-PE), 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 UHMW-PE können zwar die Festigkeit von Stahl erreichen, sind jedoch teuer und für ein Werkstoffrecycling ungeeignet.

Verbundwerkstoff, der sich im Spritzguss selbst verstärkt

„Im Projekt Sus-Comp forschten wir an sortenreinen Composites aus PE, die sich im Spritzguss verarbeiten lassen und dabei direkt selbst verstärken – besonders interessierten uns dabei natürlich, welche mechanischen Eigenschaften diese Composites erreichen“, erklärt Raimund Jaeger, Gruppenleiter Polymertribologie und biomedizinische Materialien am Freiburger Fraunhofer-Institut IWM. „Die Firma DSM spinnt zwar bereits Hochleistungsfasern aus langen UHMWPE-Molekülketten, die sich entlang der Faserrichtung orientieren, sogenannte Dyneema-Fasern. Solche Fasern als Verstärkung in PE einzubringen wäre technisch möglich, ist aber mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden und für das Werkstoffrecycling ungeeignet.“

Mittels Katalysator werden unverzweigte PE-Ketten hergestellt (oben) und die in einer 3D-Druckdüse entstehenden UHMW-PE Fasern in der gewünschten Orientierung abgelegt. So entsteht ein Verbundwerkstoff, dessen Fasern und Matrix sortenrein ist. Foto: Fraunhofer IWM

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 Synthese des PE durch Ethylen-Polymerisation gleichzeitig Mischungen aus nieder-, mittel- und ultrahochmolekularem PE hergestellt, sogenannte Reaktor-Blends. „Mit diesem Trick entstehen direkt bei der Polymerisation PE-Blends, die sich problemlos spritzgießen lassen“, erklärt Prof. Dr. Mülhaupt. Das Verfahren vermeidet hohe Viskositäten, die normalerweise eine Herausforderung sind, wenn ein hoher Anteil von UHMWPE-Molekülketten im Spritzguss verarbeitet werden soll.

Fasern aus UHMW-PE verstärken PE-Bauteil

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 UHMW-PE-Strukturen ausbilden. Diese Fasern verstärken das Bauteil, orientieren sich beim Spritzguss sogar in der gewünschten Richtung und sorgen so für mechanische Stabilität. 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 und Wissenschaftler 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 Auto-Interieur. Neben dem geringen Gewicht haben die Bauteile auch den Vorteil, Schmierstoffe auf Wasserbasis sehr gut zu vertragen.

In dem Nachfolgeprojekt 3D-Sus-Comp geht es nun darum, das Material per 3D-Drucker zu verarbeiten. Bisher ließen sich die guten Eigenschaften der sortenreinen Composites nur erreichen, wenn die Polymere in einer schmalen Spritzgussform orientiert wurden. Jedoch: 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 multidirektional verstärkte Composites wünschenswert.

Faserorientierung mit 3D-Drucker steuern

In der Düse eines 3D-Druckers bilden sich die Faserstrukturen ebenfalls aus. Deren Orientierung im Bauteil kann im Gegensatz zum Spritzguss über die Bewegung des Druckkopfs gesteuert werden. Hierdurch sind viele neue Anwendungen für diesen recyclinggerechten Werkstoff denkbar: neben Zahnrädern im Automobil oder für die Lebensmittelindustrie können auch sich anschmiegende Robotergreifer, medizinische Orthesen oder Steckverbinder aus einem Guss hergestellt werden.

mg

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