Fünf Bereiche, in denen Verbundmaterialien im Jahr 2022 und langfristig einen maßgeblichen Einfluss nehmen werden

In neu aufkommenden und bestehenden Branchensegmenten steigt die Nachfrage nach effizienteren Verbundmaterialkomponenten, um Korrosion effektiv zu verhindern, Gewicht zu reduzieren, die Treibstoffeffizienz zu steigern und die Miniaturisierung von Komponenten zu fördern. Traditionellerweise werden diese Komponenten aus duroplastischen Verbundmaterialien hergestellt. Da diese Komponenten immer kleiner und komplexer werden, sind andere Verbundmaterialien erforderlich: thermoplastische Verbundmaterialien. Komponenten aus thermoplastischen Verbundmaterialien können komplexer designt und für Komponenten mit einem höheren Produktionsvolumen hergestellt werden.

Von der Luft- und Raumfahrt geförderte Innovationen im Bereich Verbundmaterialien werden nun auch zunehmend in anderen Branchen und für andere Anwendungen genutzt. Wir möchten Ihnen fünf Branchensegmente präsentieren, in denen thermoplastisches Verbundmaterial im Jahr 2022 und langfristig einen maßgeblichen Einfluss nehmen wird.

Urbane Luftmobilität (Urban Air Mobility, UAM)

 

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist der wichtigste Wegbereiter für Innovationen im Bereich Verbundmaterialien. Verbundmaterialien verdrängen zunehmend Metalle in neuen Luft- und Raumfahrtplattformen, da sie leistungsfähiger sind, eine längere Lebensdauer haben und bei der Herstellung Vorteile bieten. Beispiele dafür sind unter anderem die Verkehrsflugzeuge Airbus A350 und Boeing 787. Diese bestehen zu über 50 % aus Verbundmaterialien [1, 2]. Verbundmaterialien werden in der Regel für große Primär- und Sekundärstrukturen eingesetzt, da sie dank des geringeren Gewichts, flexiblen Designs und der längeren Lebensdauer kosteneffektiver sind. Gängige Beispiele sind unter anderem Flugzeugflügel, Windradflügel und Fahrgestelle von Autos. Diese Teile werden traditionellerweise aus duroplastischen Verbundmaterialien hergestellt.

Die Anzahl an Pendlern und Verkehrsstaus in Großstadtgebieten hat sich in den letzten Jahrzehnten weltweit drastisch erhöht. Vorreiter im Bereich urbane Luftmobilität denken anstatt in zwei, in drei Dimensionen, um die Verkehrswege in Großstadtgebieten zu entlasten.

Es ist eine schwierige Aufgabe, Luft- und Raumfahrttechnik in die modernsten Verkehrsflugzeuge zu integrieren und für Großstadtgebiete zu nutzen. Gewicht, Lärm, Sicherheit und Leistung sind extrem wichtige Aspekte, die berücksichtigt werden müssen. Strukturen aus duroplastischen Verbundmaterialien werden bereits seit vielen Jahren in modernen Flugzeugen genutzt. Hersteller im Bereich UAM lassen in ihre Designs sowohl traditionelle, duroplastische, als auch neuere, thermoplastische Verbundmaterialien einfließen.

Während für große Komponenten üblicherweise duroplastische Verbundmaterialien genutzt werden, findet in kleineren Verbindungskomponenten weiterhin vorwiegend Metall Anwendung. Aufgrund der Komplexität und des hohen Volumens an Metallkomponenten ist es schwierig, Metall durch traditionelle, duroplastische Verbundmaterialien zu ersetzen. Thermoplastische Verbundmaterialien sind die ideale Lösung, da sie ein sehr leichtes Design, eine besondere Festigkeit und die Möglichkeit bieten, komplexe Formen zu entwickeln. Unternehmen, die Plattformen für thermoplastische Verbundmaterialien wie Xycomp® DLF von Greene Tweed nutzen, bewältigen die Herausforderungen der Luft- und Raumfahrt und des Ersatzes komplexer Metallformen durch thermoplastische Verbundmaterialien.

Anwendungen im Weltall

 

In den letzten 10 Jahren wurden in der Raumfahrtindustrie zahlreiche Innovationen entwickelt, die bedeutendste war die „Rakete Falcon 9 von SpaceX, die in der Nähe ihres Startplatzes erfolgreich zur Erde zurückgekehrt ist“ [3]. Bahnbrechende Innovationen wie wiederverwendbare Raketenstufen kommerzieller Raumfahrtunternehmen ermöglichen der Raumfahrtindustrie einzigartige Erfolge. Wiederverwendbare Raketen haben enorm die Kosten des Eintritts von Raumfahrzeugen in die erdnahe Umlaufbahn verringert. Dies hat dazu geführt, dass wir eine Nutzung für Satellitenkonstellationen nie zuvor dagewesenen Ausmaßes beobachten können. Obwohl Satelliten und Satellitenkonstellation (größere Gruppen von als ein System funktionierender Satelliten) keine Neuheit sind, ist die Anzahl dieser neuen Konstellationen bedeutend höher als je zuvor. Durch das Aufkommen des Ride-Sharing (des Aufteilens des Laderaums einer Rakete in für mehrere Unternehmen käuflich erwerbbare Abschnitte) bietet die Branche kleineren Organisationen und Universitäten die Möglichkeit, ihre/n eigene/n Satelliten in die Erdumlaufbahn zu schicken. Im Januar 2021 hat SpaceX „mit der Rakete Falcon 9 143 Raumfahrzeuge in die Erdumlaufbahn transportiert. Dies stellt den neuen, weltweiten Rekord für den gleichzeitigen Transport von Raumfahrzeugen dar“ [4].

Diese Satelliten nutzen fortschrittliche Materialien wie Verbundmaterialien, um beim Start Gewicht zu sparen und die Lebensdauer der Raumflugkörper zu verlängern. Verbundmaterialien bieten einzigartige Vorteile wie Gewichtsreduzierungen und ermöglichen es so, zusätzliche Satelliten im Laderaum einer Rakete zu transportieren, Teile für einere kürzere Montagedauer zu konsolidieren und einen einheitlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zu gewährleisten, sowie Komponenten so zu formen, dass neue Konfigurationen derselben oder kleinerer Größe möglich sind. Es können zahlreiche verschiedene Komponenten von Satelliten von der Nutzung von Verbundmaterialien profitieren, darunter Solarzellen, Antennen, die Flugkörper-/Laderaumstruktur, Energiesysteme, Antriebssysteme etc.

Welche Innovationen wird es in der Raumfahrtindustrie wohl in den nächsten 10 Jahren geben? Könnten die ersten kommerziellen Weltraumflüge für Touristen stattfinden, könnte die erste kommerzielle Raumstation entstehen und/oder könnte zum ersten Mal ein Mensch den Mars betreten? Das wird die Zukunft zeigen. Doch eines ist sehr wahrscheinlich: Thermoplastische Verbundmaterialien werden eine wichtige Rolle spielen.

Robotik

 

Die Robotik nimmt einen erheblichen Einfluss auf viele Branchen und Anwendungen, einschließlich der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, der industriellen Fertigung, Öl und Gas und der Medizin. Zu diesen Robotik-Anwendungen zählen unter anderem kollaborative Roboter, die gemeinsam mit Menschen zusammenarbeiten, von Menschen kontrollierte Roboter, die unter extremen Bedingungen arbeiten (damit es die Menschen nicht tun müssen), sowie unbemannte Fahrzeuge, die Arbeit erledigen, die Menschen zuvor nicht möglich war. Die Robotik ist eine wahrhaft revolutionäre Technologie, die das Potenzial hat, alle Berufe in allen Branchen zu verändern.

Da die Robotik immer intensiver Anwendung findet, werden bei bestimmten Anwendungen das Gewicht, die Nutzlast, die Akkulebensdauer und die Sicherheit zu entscheidenden Faktoren, die beim Design zwingend berücksichtigt werden müssen. In diesem Zusammenhang können thermoplastische Verbundmaterialien besondere Vorteile bieten. Üblicherweise eignen sich die Größe und Komplexität dieser Roboter nicht dazu, dass traditionelle, duroplastische Verbundmaterialien eingesetzt werden, insbesondere nicht aufgrund des erforderlichen Volumens.

Durch den Ersatz komplexer Metallformen durch druckgeformte, thermoplastische Verbundmaterialien kann das Gewicht des Roboters erheblich reduziert werden, sodass dieser eine höhere Nutzlast und/oder eine längere Akkulebensdauer bieten kann. Diese Vorteile können die Effizienz steigern und (bei bestimmten Anwendungen) die Entwicklung von Robotern erst ermöglichen. Das thermoplastische Verbundmaterial Xycomp® DLF (aus diskontinuierlichen Langfasern) von Greene Tweeds ermöglicht als Ersatz komplex geformter Metallteile Gewichtsreduzierungen, eine Konsolidierung von Teilen, eine flexible Formung der Komponenten und viele weitere Vorteile.

Wasserstoffwirtschaft

 

Die neue Wasserstoffwirtschaft hat das Potenzial, die Energiewelt zu revolutionieren, allerdings macht sie nur Sinn, wenn sie auf grünem Wasserstoff basiert. Der Aufstieg der erneuerbaren Energien, der Druck von Regierungen und der Gesellschaft auf Unternehmen, Net Zero zu erreichen und das Potenzial grünen Wasserstoffs sind für eine Wasserstoffwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Bei aktuellen Wasserstoffanwendungen handelt es sich um auf Raketenbrennstoff basierende, industrielle Prozesse und chemische Herstellverfahren. Dennoch liegt das wahre Potenzial der Wasserstoffwirtschaft darin, dass es eine umweltverträgliche Kraftstoffquelle für den Transport und die Energieerzeugung darstellt. Allerdings stellen sich bei der Verarbeitung von Wasserstoff weitaus mehr Herausforderungen, als lediglich die bestehende Infrastruktur zu verändern.

Eine der größten Herausforderungen der Veränderung der Infrastruktur besteht darin, den Wasserstoff von der Produktion zu den Verbrauchern zu transportieren. Wasserstoff ist ein aus kleinen Molekülen bestehendes Gas, und traditionelle Kreiselverdichter sind aufgrund von Problemen der Metallversprödung und dem für eine Erhöhung der Drehzahl (die mit herkömmlichen Laufrädern aus Metall aufgrund der begrenzten Spitzengeschwindigkeit nicht erreicht werden kann) erforderlichen niedrigeren Druckverhältnis nicht in der Lage, reinen Wasserstoff zu transportieren.

Die Entwicklung einer vollkommen neuartigen Wasserstoffversorgungskette, die sowohl die Produktion grünen Wasserstoffs, als auch die Speicherung der Wasserstoffenergie ermöglicht, und Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb steigern den Bedarf an Kreiselverdichtern der nächsten Generation, die hochreinen Wasserstoff effizient transportieren können. Die Entwicklung dieser neuartigen Kreiselverdichter wird durch extrem leistungsfähiges, thermoplastisches Verbundmaterial ermöglicht.

Labyrinthdichtungen aus thermoplastischem Verbundmaterial können die Effizienz von Kreiselverdichtern um mindestens 1 % steigern und bieten zugleich einen optimalen Schutz vor Korrosion und Metallversprödung. Laufräder aus thermoplastischen Verbundmaterialien mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ermöglichen Zentrifugalkompressoren die Verarbeitung von hochreinem Wasserstoff, indem sie das Gewicht des Laufrads und die Belastung des Rotors verringern und infolgedessen höhere Drehzahlen zulassen. Diese Technologien werden es Erstausrüstern ermöglichen, Energieunternehmen und Regierungen die erforderlichen Maschinen und Geräte zur Verfügung zu stellen, damit diese die Vorteile grünen Wasserstoffs als effektive Alternative zu fossilen Brennstoffen nutzen können.

Halbleiterfertigung

 

Die Halbleiterindustrie erlebt während der Pandemie einen unglaublichen Anstieg der Nachfrage und einen viel intensiveren Druck, da aufgrund von COVID-19 viel mehr Menschen im Homeoffice arbeiten und sich neue, erhebliche Herausforderungen hinsichtlich der Lieferkette stellen. Die Herstellung von IC-Chips beinhaltet zahlreiche Schritte, einschließlich des Ätzens, der Lithografie, der Applizierung und der Waferreinigung. Für diese Schritte werden exotische, aggressive Chemikalien genutzt, um die komplexen Knotenstrukturen erstellen, die die heutige Rechenleistung ermöglichen.

Die mit der Kontrolle partikulärer und chemischer Verunreinigungen verbundenen Herausforderungen sind immer schwerer zu bewältigen. Diese Kontrolle ist erforderlich, um mit den Halbleiterbauelementen immer kleinerer Größe höhere Erträge zu erzielen. Die in Kammern befindlichen und bei Reinigungsprozessen zu reinigenden Teile müssen höheren Temperaturen und agressiven Chemikalien standhalten, ohne sich abzubauen oder Partikel freizugeben. Aufgrund dieser Bedingungen müssen für die nächste Generation an Maschinen und Geräten zur Waferbearbeitung bestehende Materialien durch fortschrittliche, thermoplastische Verbundmaterialien ersetzt und es müssen neue Herstellverfahren entwickelt werden, die die Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit gegen höhere Temperaturen und aggressive Chemikalien erfüllen.

Quellen:

[1] “Boeing 787 Design Highlights”, www.boeing.com, accessed 22 April 2015, http://www.boeing.com/ commercial/787/#/design-highlights/visionary-design/composites/advanced-composite-use/.

[2] Keith Campbell. “Airbus to start manufacturing parts for new A350 XWB in late ‘09”, Engineering News online, 11 May 2009, http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-fornew-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11.

[3] “SpaceX” , britanica.com, accessed October 2021, https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] Michael Sheetz. “SpaceX launches a ‘rideshare’ mission carrying 143 spacecraft, a record for a single launch”, CNBC, 24 January 2021,  https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.