Hybrid-Materialien
Hart wie Stahl und so biegsam wie Plastik

Solarzellen aus Kunststoff, Computerchips aus dem Drucker, leuchtende Plastikfolien – neuartige Verbundstoffe lassen die Industrie von revolutionären Anwendungen träumen. Hybrid-Materialien aus Metall und Kunststoff ermöglichen neue Produkte für die Flugzeug- und Autoindustrie. Auch der hohe Stahlpreis treibt die Innovationen an.
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KÖLN. Metall und Plasik: Zwei Stoffe, die eigentlich nicht zusammen gehören. Doch in den vergangenen Jahren haben Kunststoffe oder Polymere die Welt der Metallverarbeiter erobert. Stanz- und Umformtechniker beschäftigen sich inzwischen nicht mehr nur mit Stahl und Kupfer, sondern auch mit so genannten Thermoplasten und Elastomeren: Das sind Werkstoffe, die sich etwa nur in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen oder sich bei Druck verformen, aber immer wieder in ihre ursprüngliche Form zurück gehen. Die Kunststoffe sind beliebt. 60 Prozent aller Metallstanzteile werden heute direkt oder indirekt mit Kunststoff verbunden.

Konkurrenz bekommen die Werkstoffverbünde auch von ganz neuartigen Verbundwerkstoffen. Diese vereinen entscheidende Eigenschaften: die elektrische Leitfähigkeit von Metallen und die Flexibilität von Kunststoffen. Damit entstehen Anwendungen, von denen die Industrie früher träumte: Solarzellen aus Kunststoff, Computerchips aus dem Drucker, leuchtende Plastikfolien.

„In den vergangenen zehn Jahren hat sich der Trend zu Verbundwerkstoffen verstärkt“, sagt Bernhard Wielage, Professor für Verbundwerkstoffe an der TU Chemnitz. „Vor allem Kohlenstoff-Fasern lassen sich in viel versprechenden technischen Systemen verarbeiten.“ Ein weiterer Grund: Steigende Rohstoffpreise für Metalle machen Kunststoffe zur günstigen Alternative.

Zusammen mit der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat Wielage im Januar ein neues Forschungsprojekt vorgestellt, das ein serientaugliches Fertigungsverfahren für so genannte Hybrid-Laminate ermöglicht. Die Produkte bestehen aus mehreren Schichten Kunststoffen, aus Polymer-Kohlefaser-Verbundwerkstoffen und aus Metallen – und bilden neue Werkstoffverbünde für Leichtbauteile. Das Material soll fester sein als Stahl – und gleichzeitig leichter. Wielage steht mit seinen Kollegen dabei noch vor einem Problem: Verbindungen zwischen Metallen und Polymeren halten nicht sehr lange. Bei Temperaturschwankungen dehnen sich die Materialien nämlich unterschiedlich stark aus. Dies will Wielage mit dem Einbau von Kohlenstofffasern umgehen. Denn diese dehnen sich unabhängig von der Temperatur ähnlich aus und halten den Verbund so steif. Ein weiteres Problem: „Die Grenzflächen zwischen Metall und Kunststoff müssen aneinander haften“, erklärt Kunststoffexperte Wielage. „Aber sie dürfen nicht zu fest kleben, damit der Verbund elastisch bleibt.“ Der Pressprozess muss also optimal auf die Materialien abgestimmt sein.

Können die Wissenschaftler ihre heutigen Probleme lösen, sehen sie einen großen Markt für ihren neuen Werkstoff: „Aus hybriden Schichtverbünden kann sich eine breite Produktpalette entwickeln“, sagt Wielage. „Das Material wird preiswerter sein als Aluminium und leichter zu verarbeiten.“ Zudem sei der Schichtverbund beständig gegenüber Korrosion. Ab Ende 2011 will das Forschungsteam die Serienreife erreichen. Abnehmer könnten Flugzeug- und Autobauer sein, die besonders auf das Gewicht ihrer Produkte achten müssen.

„Moderne Hochleistungskunststoffe ermöglichen im Autobau völlig neue Formen und Anwendungen“, sagt Norman Starke, Geschäftsführer von Proof Design and Innovation Management. Der Frechener Design- und Innovationsbetrieb ist spezialisiert auf den Einsatz von Polymer-Werkstoffen und hat etwa für das Konzeptauto „space-up blue“ von Volkswagen ein Kunststoff-Solardach hergestellt. Die Entwickler haben hierfür individuell geformte Solarzellen in transparente Kunststoffplatten und Spezialgel eingebunden. „Im Vergleich zu Glas spart unser Kunststoff-Modul ein Drittel des Gewichts“, sagt Starke. „Außerdem ist das Solardach viel flexibler und kann sich an das Autodesign anpassen.“

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