Das kommende Jahrzehnt:Klarheit mit einer starken Portion Unsicherheit

Zu Beginn des Jahrzehnts der 2020er Jahre lohnt es sich, darüber nachzudenken, was die 2010er Jahre der Verbundwerkstoff-Community gebracht haben und wie diese Innovationen die Zukunft gestalten können oder nicht. Im traditionellen Verbundwerkstoffmarkt der Luft- und Raumfahrt wurde die Boeing 787 2011 in Dienst gestellt, 2015 folgte der ähnlich werkstoffintensive Airbus A350 XWB. Bombardiers CSeries Single-Aisle-Flugzeug mit harzgetränkten Tragflächen wurde 2016 in Dienst gestellt. Airbus erwarb dann die CSeries Produktlinie im Jahr 2018 umbenannt und in A220 umbenannt. Schließlich, und leider, wurde 2019 der Airbus A380 eingestellt, ein überlebensgroßes Flugzeug, das Pionierarbeit für viele Verbundwerkstoffinnovationen geleistet hat.

An der Automobilfront hat BMW die Branche 2013 aufgerüttelti8 und i3 Einführung des , Etablierung einer globalen vertikalen Lieferkette und Anlass zu Spekulationen, dass das Zeitalter der kohlefaserintensiven Fahrzeuge bald en massen eintreten würde . Zwei Jahre später brachte BMW die neu gestaltete 7er-Reihe auf den Markt , ein Fahrzeug aus mehreren Materialien mit ungefähr 15 Strukturteilen aus Kohlefaser, was möglicherweise einen alternativen Weg zur Masseneinführung nahelegt. Ende des Jahrzehnts stellte General Motors die Sierra Denali vor Pickup-Truck mit einer formgepressten kohlefaserverstärkten Thermoplastbox und 2019 eine Heckmotorversion der Corvette mit einem gebogenen, stranggepressten hinteren Stoßfängerträger.

Im Bereich des Recyclings von Verbundwerkstoffen, insbesondere für Kohlefaserverbundwerkstoffe (jenseits von Altfasern), begann das Jahrzehnt praktisch ohne Lieferbasis und endete mit mehr als einem Dutzend Lieferanten, von denen viele kommerzielle Mengen in nachgelagerte Anwendungen lieferten. Die Windenergiebranche hatte ein erfolgreiches Jahrzehnt, die weltweite Kapazität mehr als verdreifacht und sich als starker Markt für Verbundwerkstoffe erwiesen. Ich werde nächsten Monat ausführlicher auf Wind eingehen und mich hier auf die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie konzentrieren.

Obwohl ich in den USA wohne, hatte ich Anfang 2019 die Gelegenheit, mehrere Forschungsinstitute in Großbritannien mit dem Schwerpunkt Verbundwerkstoffe zu besuchen, und im Dezember besuchte ich mehrere Fraunhofer-Institute und DLR-Einrichtungen in Nord- und Süddeutschland, sowie sowie mehrere Produktionsstätten für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilmärkte. Diese Besuche und Diskussionen ergänzen meine Beobachtungen in den USA, wohin sich die Material- und Prozessentwicklung zu Beginn des Jahres 2020 entwickeln wird. Obwohl es zwischen den Ländern auf gewisser Weise Unterschiede gibt, sind die Hauptziele wirklich global – die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit und die Senkung der Kosten dominieren beim Recycling und Nachhaltigkeit integraler Bestandteil dieser F&E-Bemühungen. Alles bestätigt erneut, dass eine internationale Zusammenarbeit zur Lösung dieser Probleme nicht nur vorteilhaft, sondern zwingend erforderlich ist, wenn Verbundwerkstoffe traditionelle Materialien wirklich verdrängen sollen.

Auch wenn Fragen offen bleiben, wird die Zukunft von Verbundwerkstoffen in der Luft- und Raumfahrt etwas klarer. Obwohl keine offiziellen Ankündigungen bezüglich des Ersatzes von Boeing- und Airbus-Single-Aisle-Stabilen angekündigt wurden, ist es offensichtlich, dass sich ein Großteil der Luft- und Raumfahrtforschung auf die Bereitstellung von Technologien zur Herstellung, Bearbeitung, Inspektion und Montage großer fortschrittlicher Verbundstrukturen mit höheren Geschwindigkeiten konzentriert. 100 bis 140 Widebody-Jets pro Jahr auszuliefern ist eine Sache, aber eine ganz andere, jährlich 700 bis 900 Single-Aisle-Flugzeuge mit Composite-Primärstrukturen zu bauen. Betrachtet man angrenzende Märkte für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) und Urban Air Mobility (UAM) wie Lufttaxis, dürften die Volumina jährlich in die Tausende gehen. Während ein beträchtliches Interesse an Thermoplasten besteht, bleiben die großen Strukturen für Passagierflugzeuge höchstwahrscheinlich in Duroplasten (vakuuminfundierte oder außerhalb des Autoklaven aushärtende Prepregs) mit Thermoplasten in Clips, Klammern, Rippen und anderen kleineren Komponenten. Erwarten Sie für die UAV- und UAM-Märkte, dass die Industrie Thermoplaste in Betracht zieht und auch für die Automobilindustrie entwickelte Technologien wie Hochdruck-Harzspritzpressen (HP-RTM), Pultrusion und Formpressen einbezieht.

Die Automobilwelt hingegen weist erhebliche Unsicherheiten auf. Das Interesse an Kohlefaser ist nach wie vor groß, aber ihr Wert muss jetzt im Lichte anderer treibender Kräfte – Elektrifizierung, Mobilität und Autonomie – betrachtet werden, nicht nur Leichtbau um des Leichtbaus willen. In den letzten 10 Jahren wurden die Zykluszeiten und die Kosten von Kohlefaserverbundwerkstoffen um 50 % oder mehr reduziert, aber es muss noch weiter gehen. Diskontinuierliche Kohlefasern, entweder recycelt oder aus kostengünstigeren Vorstufen/Prozessen, werden als Verstärkung für Press- oder Spritzgussmassen verwendet, wo die Automatisierung hoch und die Ausschussraten niedrig sind. Obwohl BMW kürzlich angekündigt hat, den i3 weiter zu bauen Bis 2024 zieht sich die gesamte deutsche Automobilindustrie von neuen Anwendungen für Endlos-Carbonfasern zurück. Die Zukunft von Carbonfasern in großvolumigen Primärstrukturen wird davon abhängen, die Fertigteilkosten auf weniger als 18 € pro Kilogramm (ca. 10 US-Dollar pro Pfund) zu senken. Mögliche mittelfristige Lösungen sind durchgehende Glasfaser- oder hybride Glas/Carbon-Strukturen sowie die verstärkte Entwicklung hybrider umspritzter Bauteile.

Was werden die nächsten 10 Jahre für Verbundwerkstoffe bringen? Für Dinge, die fliegen, sieht die Zukunft rosig aus. Aber für Bodenfahrzeuge brauchen wir noch ein paar Durchbrüche.