Materialrevolution by Birkhäuser

Mehrwerk Designlabor Becher aus Barkcloth Rindentuchwerkstoffe // Biobasierte Materialien â&#x2020;&#x2019; S. 058

Pulp Collection von Jo Meesters Recyclingpapier // Recyclingmaterialien â&#x2020;&#x2019; S. 089

Kapuze mit eingenähten Formgedächtnisdrähten des Designers Max Schäth Formgedächtnislegierungen (FGL) // Form verändernde Materialien

→ S. 125/126

Lampe mit Schirm aus Keramikschaum von Nextspace, serien.lighting Keramikschaum // Leichtbaumaterialien und DĂ¤m mwerkstoffe â&#x2020;&#x2019; S. 103

OLED-Baum von Hannes Wettstein Organische Leuchtdioden (OLED) // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 173

„E-Static Shadows“-Lichtinstallation von Zane Berzina Leuchtdioden (LED) // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien → S. 172

Anwendung mit Luminex ÂŽ Licht emittierende und nachleuchtende Materialien // Energie erzeugende und Licht beeinflussende Materialien â&#x2020;&#x2019; S. 171

Die Polymilchsäure (PLA) zählt zu einem der wichtigsten Bio-Rohkunststoffe der aktuellen Nachhaltigkeitsdiskussion, da ihre Eigen schaften mit denen von PET vergleichbar sind. Bio-Rohkunststoffe sind in aller Regel nicht direkt gebrauchsfertig, sondern werden erst durch Compoundierung, also durch Beimischung von Zuschlagstoffen und Addi tiven auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgerichtet. Obwohl das Material bereits in den 1930er Jahren entdeckt wurde, startete erst NatureWorks die großtechnische Produktion.

Biokunststoffe auf Basis von Polymilchsäure

Verwendungsbeispiel von PLA (Quelle: NatureWorks ®)

Folienherstellung durch Blasextrusion (Quelle: FKuR)

160 140 120 100 80 60 40 VST B50 [°C]

Vicat-Temperatur verschiedener Poly mere im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen

PA6

PET

ABS

PE-HD

Stärkeblends

PLA

Zellulosederivate

180

PLA-Blends

200

PHAs

Wärmeformbeständigkeit von Biopolymeren Biopolyester

Biokunststoffe haben sich in jüngster Zeit vor allem im Bereich der Verpackungsindustrie zum Beispiel für Folien oder Joghurtbecher einen Platz erobert. Aufgrund der PET-ähnlichen Eigenschaften ist zu erwarten, dass Polylactide mittelfristig ihre Bedeutung für Verpackungssysteme weiter ausbauen werden. Zudem zeigen Unternehmen der Automobil- und Unterhaltungsindustrie großes Interesse an ihrem Einsatz. Die Möglichkeit der biologischen Abbaubarkeit macht das Material für Anwendungen in Geotextilien für den Agrarsektor oder den Landschaftsbau interessant. Auch die Verwendung in technischen Produkten scheint durch die Möglichkeit zur Faserverstärkung gegeben. Biokompatible Qualitäten machen PLA auch für medizintechnische Produkte

Schutzhülle für Mobiltelefone aus PLA-Bio kunststoffen (Quelle: NatureWorks ®)

PCL

Verwendung und Verarbeitung

Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis // nach Rohstoffe // recyclingfähig // in wachsender industriellen Anlagen // kompostierbar

BIObasierte Materialien

Materialkonzept und Eigenschaften

PLA wird entweder durch Vergärung dickflüssigen Zuckersirups oder bakterielle Fermentation von Stärke oder jeder Art von Zucker erzeugt. Der Rohstoff ist farblos glänzend und erinnert an Polystyrol. Er kann auf natürlichem Weg abgebaut werden. Das geringe Migrationsverhalten für Sauerstoff oder Wasserdampf macht PLA vor allem für Lebensmittelverpackungen interessant. Nachteilig wirkt sich aus, dass manche Polylactide im Vergleich zu anderen alternativen Kunststoffen bei sehr niedrigen Temperaturen erweichen. Vor allem die mechanische Festigkeit kann durch Beimischen von Fasern verbessert werden. PLAOberflächen sind wasserabweisend. Das Material kann je nach Zusammensetzung sowohl schnell biologisch abbaubar sein als auch eine über mehrere Jahre reichende Stabilität aufweisen. Auch wenn PLA aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, ist der CO2-Footprint bei der Herstellung relativ hoch. Der benötigte Energieaufwand liegt auf einem ähnlichen Niveau wie bei Polypropylen. Im Vergleich zu den typischen Massenkunststoffen ist die Herstellung von PLA immer noch sehr kostenintensiv, der Preis liegt über dem von PET.

Eigenschaften ähnliches Eigenschafts Durchlässigkeit profil wie PET // geringe Oberfläche für Gase // wasserabweisende // transparent // relativ geringe Wärmeformbeständigkeit von knapp über 60 °C

geeignet. Sie werden in der Schönheitschirurgie zur Unterfütterung von Falten verwendet. Die geringe Dichte ist ein ausschlaggebendes Kriterium für Leichtbauanwendungen. PLA-Blends lassen sich mit den üblichen Techniken wie Spritzgießen, Thermoformen oder Blasformen formgebend verarbeiten (Temperaturen: 170–210°C). Folien werden extrudiert, Fügeverbindungen durch Schweißen oder Kleben erzeugt. PLA-Halbzeuge können mit den üblichen Techniken der Holz- und Metallverarbeitung bearbeitet werden. Produkte

® ®

NatureWorks -Polymer Seit 2002 ist NatureWorks weltweit der größte Produzent für den Bio-Rohkunststoff Polymilchsäure (PLA). Das Unternehmen hat ein Verfahren entwickelt, natürlichen Pflanzenzucker in ein patentiertes Polylactid-Polymer zu überführen, das unter den Marken NatureWorks -Polymer und Ingeo -Fasern vertrieben wird.

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Ecovio Ecovio ist der erste Kunststoffblend von BASF, der auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt wird und sich biologisch abbauen lässt. Hauptbestandteil mit einem Anteil von 45 Prozent ist Polymilchsäure (PLA). Aufgrund seiner besonderen Eigenschaften ist der Kunststoff vor allem für Verpackungen geeignet. Er kann achtfarbig bedruckt werden und besitzt eine hohe mechanische Festigkeit. Besondere Modifikationen können im Spritzgießverfahren verarbeitet oder tiefgezogen werden.

Bioflex Bioflex ist ein PLA-basiertes Copolyesterblend, das je nach benötigtem Eigenschaftsprofil fast

Das zweite Schwergewicht unter den BioRohkunststoffen ist Polyhydroxybuttersäure (PHB), da sein Eigenschaftsprofil dem des Massenkunststoffs Polypropylen (PP) ähnelt. In Frankreich vor knapp 90 Jahren entdeckt, wird das Polyester in nahezu jedem lebenden Organismus aus Zucker, Stärke oder Ölen erzeugt. Es ist der bedeutendste Vertreter der Polyhydroxyalkanoate (PHA). Derzeit verhindern die hohen Produktionskosten noch den massenhaften Einsatz des Biokunststoffs. Es werden jedoch unterschiedliche Ansätze verfolgt, diese zu senken. Vor allem Unternehmen der südamerikanischen Zuckerindustrie steigen verstärkt in die industrielle Herstellung von PHB ein. Schätzungen gehen davon aus, dass Mikroben drei Kilogramm Zucker in ein Kilogramm Biokunststoff verwandeln können.

35 BIObasierte Materialien

vollständig aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Es ist insbesondere für die Herstellung dünnwandiger Folien mit hoher Reißfestigkeit geeignet und weist ähnliche Eigenschaften wie die klassischen Verpackungskunststoffe PE, PP oder PS auf. Bioflex kann eingefärbt und bedruckt werden, ist für den Lebensmittelkontakt zugelassen und lässt sich in seiner Dehnbarkeit sehr flexibel einstellen.

Kunststoffhalbzeuge aus Ecogehr ®PLA (Quelle: GEHR Kunststoffwerk)

Ecogehr PLA Seit Sommer 2008 ist das GEHR Kunststoffwerk weltweit der erste Hersteller technischer Halbzeuge aus Biopolymeren. Unter der Marke Ecogehr PLA werden alle Werkstoffe zusammengefasst, die auf Polymilchsäure basieren. Für verschiedene Anforderungen befinden sich Mischungen aus Polylactiden mit Lignin oder Holzfasern mit unterschiedlichen Qualitäten im Programm. Die Materialien sind physiologisch unbedenklich und können kompostiert bzw. verbrannt werden.

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Ingeo Als einer der ersten Hersteller für Sportbekleidung hat Salewa eine Outdoorbekleidung aus PLAFasern von NatureWorks auf den Markt gebracht, die sich auf natürliche Weise abbauen lässt. Die Stoffe haben zudem gegenüber konventionellen Polyesterfasern den Vorteil, Schweiß nicht bloß aufzusaugen, sondern vom Körper wegzutransportieren.

Schutzhelm unter Verwendung von PLA-Fasermaterial (Quelle: NatureWorks ®)

Eigenschaften ähnliches Eigenschaftsprofil wie PP // geringe Sauerstoffdurchlässigkeit // UV-stabil // biokompatible Qualitäten // hohe Bruchanfälligkeit // PHB schmilzt ober halb von 130°C Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwach sender Rohstoffe // biologische Abbaubarkeit ohne schädliche Rückstände

Biokunststoffe auf Basis von Polyhydroxybuttersäure

nach dem Austritt polymerisiert. Wissenschaftler haben jetzt ein Enzym lokalisiert, das diesen Effekt auslöst. Man verspricht sich, durch gentechnische Modifizierung der Pflanze die Latexmilch für die industrielle Verwertung nutzbar zu machen und die Menge natürlich produzierter Milch erheblich zu steigern.

44 BIObasierte Materialien

Verwendung

Natürliche Elastomere werden in Ballons, Kondomen, Handschuhen und Textilien ebenso verwendet wie in technischen Produkten wie Reifen, Gummifedern, Membranen, Motorlagern oder Dichtungen. Naturgummi findet sich in Fußbodenbelägen und wird zu Dichtringen, Schläuchen oder Kabelummantelungen verarbeitet. Naturgummi ist in durchnässtem Zustand klebrig und eignet sich als Klebesubstanz.

Schnuller aus Naturlatex

Eigenschaften thermoplastisch // gleich mäßige Eigenschaftsverteilung // hohe Steifigkeit, Biegefestigkeit // gute Feuch teresistenz // hohe Maßhaltigkeit // akusti sche Qualitäten Nachhaltigkeitsaspekte auf Basis nachwach sender Rohstoffe // Ersatz für Tropenhölzer in Außenanwendungen // Abbaubarkeit gewährleistet bei erdölfreiem Matrixmaterial

Holz-PolymerWerkstoffe (WPC)

Naturkautschukgewinnung in Thailand

Für den Bereich der Holz-Polymer-Werkstoffe hat sich international der Begriff der „wood plastic composites“ (WPC) entwickelt. Im deutschsprachigen Raum ist auch das Wort „Flüssigholz“ gebräuchlich, da man WPC thermoplastisch verarbeiten, also aufschmelzen und dreidimensional verformen kann. Materialkonzept und Eigenschaften

WPC bestehen aus Holzfasern, einer Kunststoffmatrix (PP, PE oder PLA) und verschiedenen Additiven. Der Holzfaseranteil liegt in der Regel zwischen 50 und 90 Prozent. Da diese im späteren Formteil keine Faserrichtung aufweisen, besitzt Flüssigholz eine gleichmäßige Eigenschaftsverteilung. Die positiven Qualitäten von WPC sind der geringe Formschwund bei hoher Steifigkeit, die niedrige Wärmedehnung und eine hohe Feuchteresistenz. Diese Eigenschaften sind vor allem bei der Herstellung von Präzisionsbauteilen gefragt, Produkten also, die in der Regel nicht oder nur schwer aus Holz anfertigbar sind. Verwendung und Verarbeitung

WPC-Regalsystem (Quelle: Mehrwerk Designlabor)

Die Verwendung von WPC ist überall dort interessant, wo komplexe Geometrien mit einer Holz optik erzeugt werden sollen. Typische Produkte sind Gehäuse für elektronische Geräte, Griffe, Möbel, Außenbodenbeläge, Bio-Urnen, Schmuck oder Bauteile für das Kfz-Interior. Für den Innenausbau werden sie zu Fußbodenleisten oder Regal systemen verarbeitet. Holz-Polymer-Werkstoffe können mit den für die Kunststoffverarbeitung

typischen Techniken wie Spritzgießen, Extrudieren, Formpressen oder Thermoformen verarbeitet werden. Die Bearbeitungstemperaturen sollten aufgrund des Holzanteils eine Obergrenze von 200°C nicht überschreiten. Produkte

45 BIObasierte Materialien

Fasal Fasal wurde zur Herstellung von Produkten mit Holzoptik auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Holz und Mais am Institut für Naturstofftechnik in Tulln entwickelt und ist für die Verarbeitung im Spritzguss optimiert. Die Produkte erhalten eine hohe Oberflächenhärte, Holzhaptik, hohe Biegefestigkeit und gute Maßhaltigkeit. Die hohe Dichte verleiht dem Material besondere akustische Qualitäten. Hauptanwendungen für Fasal sind biologisch abbaubare Verpackungen, Spielzeuge, Musikinstrumente und Kfz-Innenverkleidungen.

Megawood Megawood ist der Name eines Werkstoffs aus bis zu 75 Prozent nachwachsenden Rohstoffen (Holzpartikel) und etwa 25 Prozent Polymeren und Additiven. Er ist schimmelbeständig, äußerst robust und eignet sich daher als Barfußdielen für Terrassen, Balkone oder den Garten. Der Pflegeaufwand für den Werkstoff ist minimal. Bei der Herstellung werden ausschließlich Hölzer aus regionalem Anbau verwendet.

Schuh mit einem Absatz aus Flüssigholz (Quelle: Tecnaro)

Terrassendielen aus WPC (Quelle: Kovalex ®)

Kupilka Unter diesem Namen werden in Finnland Mehrzweckgefäße auf Basis von 50 Prozent Holzfasern und 50 Prozent Polymeren hergestellt. Im Vergleich zu Kunststoffen haben Kupilka -Produkte eine höhere Wärmebeständigkeit (-30 bis +100°C), gegenüber Holz ist die bessere Hygiene und Formbeständigkeit zu nennen. Die Produkte können geschreddert und wieder neu spritzgegossen werden. Es werden persönliche Laserbeschriftungen angeboten.

Fibrolon Unter diesem Namen sind WPC-Angebote zusammengefasst. Diese lassen sich sowohl spritzgießen, pressen als auch extrudieren. Es sind Varianten mit holzähnlicher Steifigkeit, hoher mechanischer Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit verfügbar. Die Holzfasern stammen von europäischen Weichhölzern. Verbunde auf Basis einer PLA-Matrix sind zu 100 Prozent biologisch abbaubar.

Werzalit Werzalit besteht aus Holzpartikeln, die in eine Matrix fest eingebunden werden. Im Herstel lungsprozess wird zunächst der Kunststoff geschmolzen, anschließend die Holzpartikel zugeführt und in die Form gepresst. Es sind vielfältige Halbzeuge aus Werzalit am Markt erhältlich.

Weitere Bauteile aus Flüssigholz (Quelle: Tecnaro)

Fibrowood - Automobilinterior unter Verwendung von Holzfasermatten mit Acryl harzbinder (Quelle: Johnson Controls)

Weitere WPC-Marken sind: Xylomer , Ecogehr WPC, Kovalex oder Thermofix

184 Nachhaltige produktionsverfahren

Zahnräder hergestellt durch Metallspritzgießen (Quelle: Arburg)

Zur Herstellung großflächiger Blechteile wurden bislang kostspielige Umformwerkzeuge benötigt, die die Anfertigung komplexer Bauteilgeometrien in niedrigen Stückzahlen durch Tief- oder Streckziehen nicht wirtschaftlich erlaubte. Am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen wurde daher ein Verfahren zur inkrementellen Blechumformung (IBU) entwickelt, das dies nun möglich macht.

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Das Metallspritzgießen ist grundsätzlich für alle sinterbaren Metalle und Legierungen anwendbar. Dazu zählen Edelstähle ebenso wie Aluminiumund Kupferlegierungen sowie Edelmetalle. Der große Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist die Möglichkeit zur Herstellung hochkomplexer Formteilgeometrien in einem Fertigungsschritt. Typische Anwendungen sind Uhrengehäuse oder Elemente für elektrische Geräte. Das Verfahren kommt in der Luft- und Fahrzeugindustrie genauso zum Einsatz wie in der Medizintechnik.

Eigenschaften Verformung großformatiger Blechteile // CNC-gesteuerter Umformkopf // Übertragung von CAD-Daten auf das Bauteil // hohe Reproduziergenauigkeit // niedriger Aufwand für Anfertigung von Werkzeugformen Nachhaltigkeitsaspekte Verringerung des Fertigungsaufwands für großflächige Blech teile // niedriger Energieaufwand durch Vermeiden hoher Umformkräfte

Inkrementelle Blechumformung (IBU)

Prozessabfolge bei der inkrementellen Blechumformung (Quelle: beauvary)

Fertigungskonzept

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Bei der neuen Technologie wird eine Hälfte der in umformenden Verfahren eingesetzten Werkzeuge durch eine kinematische Umformung mithilfe von Universalwerkzeugen ersetzt. Die Formgebung erfolgt mit einem CNC-gesteuerten Umformkopf, der das Blech partiell plastisch verformt. Auf diese Weise überträgt das Werkzeug die digitalen CAD-Produktdaten auf das Werkstück. Die flexible Ansteuerung ermöglicht die Herstellung selbst komplex geformter Bauteile ohne lange Vorlaufzeiten. Weitere Vorteile des Verfahrens sind die hohe Reproduziergenauigkeit, eine gleichbleibende Qualität und geringe Herstellkosten.

Blechbauteile werden in vielen Technologiebereichen in Leichtbaustrukturen eingesetzt. Infolge der hohen Gestaltungsfreiheit sind sie häufig auch Träger des Markenimages vieler Produkte.  Daher bietet die inkrementelle Blechumformung neben den klassischen Anwendungen im Maschinenbau auch für Architektur und Innendesign zahlreiche Möglichkeiten. Die Technik kann zur Gestaltung von Fassadenelementen ebenso eingesetzt werden wie für Oberflächenstrukturen von Möbeln oder Wandelementen für den Innenausbau. IBU ist für alle typischen Materialien in Blechbauteilen anwendbar.

Die Verwendung von hohem Druck zum Aufblasen von Hohlkörpern ist für metallische Werkstoffe ungewöhnlich. In der Automobilindustrie wird das Innenhochdruckumformen genutzt, um Rohrprofile für das Abgassystem effizient herstellen zu können. Das freie Aufblasverfahren des polnischen Architekten Oskar Zieta bietet seit 2008 neue Potenziale für Architekten und Möbeldesigner.

185 Nachhaltige produktionsverfahren

Eigenschaften Basis bilden zugeschnittene Blechteile // Umformung unter Druck beaufschlagung // Genauigkeit von 0,1 mm erzielbar // Möbel und architektonische Leichtbaustrukturen Nachhaltigkeitsaspekte effizienter Her stellungsprozess von Leichtbaustrukturen // Vermeiden aufwendiger Montageschritte

Freie Innenhochdruckumformung (FIDU) Aufblasvorgang (Quelle: Oskar Zieta)

Fertigungskonzept

Den Ausgangspunkt für das Verfahren bilden Bleche, die zunächst präzise auf einer Laserschneidanlage vorgeschnitten und dann an den Rändern zusammengeschweißt werden. Durch ein Ventil wird nun mit hohem Druck (bis 7 bar) Luft (oder auch Wasser) eingeleitet, die die Bleche verformt und langsam einen dreidimensionalen Körper entstehen lässt. Je nach Geometrie, Dauer und Druck fällt die Deformation unterschiedlich aus. Die spezielle Konturierung der Bleche sorgt dafür, dass sich in bestimmten Bereichen Knicke ausbilden und in anderen tragfähige und kissenartige Volumen mit einer Genauigkeit von einem Zehntel Millimeter entstehen.

Stuhlkollektion „Chippensteel“ (Quelle: Oskar Zieta)

Architonic Messestand auf der IMM Cologne 2010 (Quelle: Oskar Zieta, F.: gee-ly)

Anwendung und verarbeitbare Materialien

Das Verfahren ist geeignet, um zum Beispiel Formteile für die Möbelindustrie ohne aufwendige Werkzeuge und Stempel zu erzeugen. 2008 ist unter dem Namen „Plopp“ ein Hocker auf dem Markt erschienen. Auch eine Bank, ein Tischgestell sowie eine Lampe sind mit dem Verfahren schon hergestellt worden. Der FIDU-Entwickler Oskar Zieta plant nun die Übertragung des Fertigungsprinzips auf andere Bereiche und die Herstellung von Leichtbaukonstruktionen für die Architektur (zum Beispiel für den Brückenbau). Auch die Herstellung von Rotoren für Windkraftwerke oder Strukturen für Fahrgastzellen wurde bereits getestet. Auf der IMM Cologne ist im Januar 2010 der erste Messestand aus aufgeblasenen Strukturen vorgestellt worden.

Mit FIDU erzeugter Kleiderkam m (Quelle: Oskar Zieta)

Mit FIDU erzeugte Leiter (Quelle: Oskar Zieta)

Herstellungsprozess für ein Brückenelement (Quelle: Oskar Zieta)