Das kommende Jahrzehnt: Unsicherheit mit klarem Blick navigieren

Mit dem Eintritt in das Jahrzehnt der 2020er Jahre lohnt es sich zu reflektieren, was die 2010er der Composite-Community brachten und wie diese Innovationen die Zukunft prägen mögen – oder auch nicht. Im traditionellen Composite-Markt der Luftfahrt ging die Boeing 787 2011 in Betrieb, gefolgt 2015 vom ähnlich composite-intensiven Airbus A350 XWB. Bombardiers CSeries Einmann-Flugzeug mit harzinfundierten Tragflächen ging 2016 in Betrieb. Airbus übernahm 2018 die CSeries-Produktlinie und benannte sie in A220 um. Schließlich und bedauerlicherweise markierte 2019 die Einstellung des Airbus A380, eines überlebensgroßen Flugzeugs, das viele Composite-Innovationen vorantrieb.

Auf der Automobilseite sorgte BMW 2013 mit der Einführung von i8 und i3 für Aufsehen, etablierte eine globale vertikale Lieferkette und ließ viele spekulieren, dass das Zeitalter carbonfaserintensiver Fahrzeuge bald en masse kommen würde. Zwei Jahre später brachte BMW den neu gestalteten 7er heraus, ein Multi-Material-Fahrzeug mit etwa 15 strukturellen Carbonfaser-Teilen, was vielleicht einen alternativen Pfad zur Massenadoption andeutete. Gegen Ende des Jahrzehnts präsentierte General Motors den Sierra Denali Pickup mit einer pressgeformten, carbonfaserverstärkten thermoplastischen Ladefläche, und 2019 einen mittelmotorigen Corvette mit einem gekrümmten, pultrudierten Heckstoßfängerträger.

Im Bereich Composite-Recycling, besonders bei Carbonfaser-Composites (über Schrottfasern hinaus), begann das Jahrzehnt praktisch ohne Lieferbasis und endete mit mehr als einem Dutzend Anbietern, viele davon liefern kommerzielle Mengen in nachgelagerte Anwendungen. Die Windenergiebranche hatte ein banner Jahrzehnt, die Kapazität weltweit mehr als verdreifacht und sich als starker Markt für Composites erwiesen. Ich werde Windenergie nächsten Monat detaillierter behandeln, hier fokussiere ich mich auf Luftfahrt und Automobil.

Obwohl ich in den USA ansässig bin, hatte ich Anfang 2019 die Gelegenheit, mehrere Forschungsinstitute in Großbritannien zu besuchen, die sich auf Composites konzentrieren, und im Dezember mehrere Fraunhofer-Institute und DLR-Einrichtungen in Nord- und Süddeutschland sowie mehrere Produktionsstätten für Luftfahrt- und Automobilmärkte. Diese Besuche und Diskussionen ergänzen meine Beobachtungen in den USA darüber, wohin Material- und Prozessentwicklungen steuern, als wir 2020 starten. Obwohl auf gewisser Ebene Unterschiede zwischen Ländern bestehen, sind die Hauptstöße wahrhaft global – steigende Produktionsgeschwindigkeit und Kostensenkung dominieren, mit Recycling und Nachhaltigkeit als integraler Bestandteil dieser F&E-Bemühungen. Alles bestätigt, dass internationale Zusammenarbeit zur Bewältigung dieser Themen nicht nur vorteilhaft, sondern imperativ ist, wenn Composites traditionelle Materialien wirklich verdrängen sollen.

Während Fragen offen bleiben, wird die Zukunft von Composites in der Luftfahrt etwas klarer. Trotz keiner formellen Ankündigungen zu Ersatz für Boeing- und Airbus-Einmann-Flugzeuge ist offensichtlich, dass viel Luftfahrt-Forschung darauf abzielt, Technologien zur Fertigung, Bearbeitung, Inspektion und Montage großer fortschrittlicher Composite-Strukturen bei höheren Raten bereitzustellen. Es ist etwas anderes, 100 bis 140 Großraumjets pro Jahr zu liefern, aber etwas ganz anderes, jährlich 700 bis 900 Einmann-Flugzeuge mit composite Primärstrukturen zu bauen. Wenn man angrenzende Märkte wie unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) und urbane Luftmobilität (UAM) wie Air Taxis betrachtet, liegen die Volumina wahrscheinlich jährlich in den Tausenden. Obwohl erhebliches Interesse an Thermoplasten besteht, werden große Strukturen für Passagierflugzeuge voraussichtlich in Duroplasten (vakuuminfundiert oder Out-of-Autoclave-härtende Prepregs) bleiben, mit Thermoplasten in Clips, Halterungen, Rippen und anderen kleineren Komponenten. Für UAV- und UAM-Märkte erwarten Sie, dass die Industrie Thermoplaste in Betracht zieht und auch Technologien aus dem Automobilbereich einbezieht, wie High-Pressure Resin Transfer Molding (HP-RTM), Pultrusion und Pressformen.

Die Automobilwelt hingegen zeigt erhebliche Unsicherheit. Es besteht weiterhin starkes Interesse an Carbonfaser, aber ihr Wert muss nun im Licht anderer Treiber betrachtet werden – Elektrifizierung, Mobilität und Autonomie – nicht nur Leichtbau um des Leichtbaus willen. In den letzten 10 Jahren wurden Zykluszeiten und Kosten von Carbonfaser-Composites um 50 % oder mehr reduziert, doch es gibt noch Luft nach oben. Diskontinuierliche Carbonfaser, entweder recycelt oder aus kostengünstigeren Vorprodukten/Prozessen, wird als Verstärkung für Press- oder Spritzgussmassen Anwendung finden, wo Automatisierung hoch und Ausschussraten niedrig sind. Obwohl BMW kürzlich ankündigte, den i3 bis 2024 weiterzubauen, zieht die deutsche Autoindustrie insgesamt sich von neuen Anwendungen für kontinuierliche Carbonfaser zurück. Die Zukunft von Carbonfaser in hochvolumigen Primärstrukturen hängt davon ab, die Fertigteilkosten auf unter 18 Euro pro Kilogramm (ca. 10 Dollar pro Pfund) zu senken. Mögliche mittelfristige Lösungen sind kontinuierliche Glasfaser oder Hybrid-Glas/Carbon-Strukturen sowie verstärkte Entwicklung hybrider Umspritzkomponenten.

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