In dem Maße, wie neue Industriesegmente entstehen und bestehende Industriesegmente nach höherer Effizienz streben, werden sie zu Verbundwerkstoffkomponenten als wirksame Lösungen für Probleme wie Korrosion, Gewichtsreduzierung, Kraftstoffeffizienz und Miniaturisierung von Komponenten gedrängt. Traditionell wurden diese Teile aus duroplastischen Verbundwerkstoffen hergestellt. Da diese Teile immer kleiner und komplexer werden, wird eine andere Art von Verbundwerkstofflösung benötigt, und es werden thermoplastische Verbundwerkstoffe verwendet. Teile aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen können komplexer gestaltet werden und die Herstellung von Teilen in größeren Stückzahlen ist möglich.

Die Innovationen im Bereich der Verbundwerkstoffe, die von der Luft- und Raumfahrtindustrie vorangetrieben wurden, beginnen nun auch in anderen Branchen und Anwendungen Fuß zu fassen. Wir werden uns fünf Industriesegmente ansehen, die von der Technologie der thermoplastischen Verbundwerkstoffe im Jahr 2022 und darüber hinaus beeinflusst oder ermöglicht werden.

Urbane Luftmobilität (UAM)

 

Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist Vorreiter bei der Innovation von Verbundwerkstoffen. Aufgrund der anerkannten Leistungs-, Lebenszyklus- und Fertigungsvorteile verdrängen Verbundwerkstoffe bei neuen Luft- und Raumfahrtplattformen immer mehr Metalle. Der Airbus A350 und die Boeing 787 sind zwei Beispiele für Verkehrsflugzeuge, die zu über 50 % aus Verbundwerkstoffen bestehen [1, 2]. Verbundwerkstoffe werden häufig für große Primär- und Sekundärstrukturen eingesetzt, da sie kosteneffiziente Vorteile wie Gewichtsreduzierung, Designfreiheit und Lebensdauer bieten. Zu den gängigen Beispielen gehören Flugzeugflügel, Windturbinenflügel oder Automobilchassis. Diese Teile werden in der Regel aus duroplastischen Verbundwerkstoffen hergestellt.

Die Herausforderung der modernen Verkehrsstaus und der typischen Pendlerströme in den Metropolen der Welt hat sich in den letzten Jahrzehnten immer weiter verschärft. Anstatt in zwei Dimensionen zu denken, denken die Pioniere bei den UAM-Herstellern in drei Dimensionen, um den Druck von den Straßen der Metropolen zu nehmen.

Es ist keine einfache Aufgabe, die Luft- und Raumfahrttechnologie der modernsten Verkehrsflugzeuge von heute in ein kleines Paket für die städtische Umgebung zu packen. Gewicht, Lärm, Sicherheit und Leistung sind allesamt ernst zu nehmende Faktoren. In modernen Flugzeugen werden seit vielen Jahren duroplastische Verbundwerkstoffstrukturen verwendet. Die UAM-Hersteller integrieren traditionelle duroplastische Verbundwerkstoffe in ihre Konstruktionen und setzen gleichzeitig neuere thermoplastische Verbundwerkstoffe ein.

Die typischen Anwendungen für Duroplast-Verbundwerkstoffe sind große Bauteile, aber die kleineren Verbindungskomponenten sind immer noch für Metall ausgelegt. Aufgrund der Komplexität und des Volumens der Metallkomponenten ist der Übergang von Metall zu herkömmlichen duroplastischen Verbundwerkstoffen schwierig. Hier können thermoplastische Verbundwerkstoffe Leichtigkeit und Festigkeit sowie die Fähigkeit zur Herstellung komplexer Formen bieten. Unternehmen mit Plattformen für thermoplastische Verbundwerkstoffe wie Xycomp® DLF von Greene Tweed haben sich dieser Herausforderung in der Luft- und Raumfahrt gestellt und werden mit unseren für die Luft- und Raumfahrt qualifizierten thermoplastischen Verbundwerkstoffprodukten auch weiterhin die Wahrnehmung des Ersatzes von Metall durch komplexe Formen im UAM-Marktsegment verändern.

Weltraumanwendungen

 

In den letzten 10 Jahren gab es in der Raumfahrtindustrie viele Premieren, vor allem die erfolgreiche Rückkehr der ersten Stufe der Falcon 9-Rakete von SpaceX zur Erde in der Nähe ihres Startplatzes [3]. Kommerzielle Raumfahrtunternehmen haben mit bahnbrechenden Entwicklungen wie wiederverwendbaren Raketenstufen Pionierarbeit geleistet und die Raumfahrtindustrie zu neuen Höhenflügen geführt. Wiederverwendbare Raketen haben die Kosten für den Start von Raumfahrzeugen in den erdnahen Orbit (LEO) drastisch gesenkt, und dies hat dazu geführt, dass sich Satellitenkonstellationen in einem nie dagewesenen Ausmaß rechnen. Satelliten und Satellitenkonstellationen (größere Gruppen von Satelliten, die als System zusammenarbeiten) sind nichts Neues, aber die Größe und das Volumen dieser neuen Konstellationen stellen alles bisher Dagewesene in den Schatten. Das Aufkommen des Ride-Sharings (Aufteilung des Frachtraums einer Rakete in einzelne, käuflich erwerbbare Abschnitte für mehrere Unternehmen, die sich eine Rakete teilen) hat die Branche für kleinere Organisationen und Universitäten geöffnet, die ihre eigenen Satelliten in die Umlaufbahn bringen können. Erst im Januar 2021 hat die Falcon 9-Rakete von SpaceX 143 Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn befördert, was einen neuen Weltrekord für die meisten auf einmal gestarteten Raumfahrzeuge darstellt" [4].

Für diese Satelliten werden fortschrittliche Werkstoffe wie Verbundwerkstoffe verwendet, um das Gewicht beim Start zu reduzieren und die Lebensdauer dieser Raumfahrzeuge zu verlängern. Verbundwerkstoffe bieten einzigartige Vorteile, wie z. B. die Gewichtsreduzierung, um zusätzliche Satelliten in der Nutzlast einer Rakete zu ermöglichen, die Konsolidierung von Teilen für eine kürzere Montagezeit und einen einheitlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) sowie die Möglichkeit, Merkmale einzuarbeiten, die neue Konfigurationen bei gleicher oder geringerer Größe ermöglichen. Verschiedene Komponenten von Satelliten können von der Verwendung von Verbundwerkstoffen profitieren, z. B. Solarzellen, Antennen, Raumfahrzeug-/Nutzlaststruktur, Energiesysteme, Antriebssysteme und andere.

Was werden in den nächsten zehn Jahren die ersten Weltraumerkundungen sein? Könnten dazu die ersten kommerziellen Weltraumtourismusflüge, die erste kommerzielle Raumstation und/oder der erste Mensch auf dem Mars gehören? Das wird nur die Zeit zeigen, aber es ist sehr wahrscheinlich, dass thermoplastische Verbundwerkstoffe dabei sein werden.

Robotik

 

Die Robotertechnologie hat sich auf viele Branchen und Anwendungen ausgewirkt, darunter die Luft- und Raumfahrt, die Verteidigungsindustrie, die industrielle Fertigung, die Öl- und Gasindustrie, die Medizin und andere Branchen. Zu diesen Anwendungen der Robotertechnologie gehören Co-Bots, die Seite an Seite mit ihren menschlichen Kollegen arbeiten, von Menschen gesteuerte Roboter, die unter extremen Bedingungen arbeiten (damit Menschen dies nicht tun müssen), und unbemannte Fahrzeuge, die Arbeiten ausführen, die bisher nicht von Menschen erledigt werden konnten. Die Robotik ist eine wirklich revolutionäre Technologie, die das Potenzial hat, alle Lebensbereiche in allen Branchen zu beeinflussen.

Infolge der zunehmenden Präsenz von Robotern werden bei bestimmten Anwendungen das Gewicht des Roboters, das Gewicht der Nutzlast, die Lebensdauer der Batterie und die Sicherheit zu kritischen Konstruktionsmerkmalen. Hier können hochleistungsfähige thermoplastische Verbundwerkstoffe einen Mehrwert bieten. Die Größe und Komplexität dieser Roboter eignet sich in der Regel nicht für herkömmliche duroplastische Verbundwerkstoffe, insbesondere wenn man das erforderliche Volumen bedenkt.

Der Ersatz komplex geformter Metalle durch formgepresste Thermoplaste kann dazu beitragen, das Gewicht des Roboters drastisch zu reduzieren, so dass er schwerere Nutzlasten transportieren und/oder eine längere Batterielebensdauer haben kann. Diese Vorteile können die Betriebseffizienz verbessern und sind manchmal der Faktor, der den Einsatz von Robotern (in einer bestimmten Anwendung) erst möglich macht. Die thermoplastischen Verbundwerkstofflösungen Xycomp® DLF (Discontinuous Long Fiber) von Greene Tweeds können beim Ersatz komplex geformter Metallteile zu Gewichtsreduzierung, Teilekonsolidierung, Einformung und mehr führen.

Wasserstoffwirtschaft

 

Die neue Wasserstoffwirtschaft hat das Potenzial, die Energiewelt zu verändern, aber sie ist nur dann sinnvoll, wenn sie auf grünem Wasserstoff basiert. Der Aufstieg der erneuerbaren Energien, die Bestrebungen der Regierungen und des Privatsektors, eine Netto-Null-Wirtschaft zu erreichen, und das Potenzial des grünen Wasserstoffs spielen alle eine Rolle beim Entstehen einer Wasserstoffwirtschaft. Gegenwärtig wird Wasserstoff als Raketentreibstoff, in industriellen Prozessen und in der chemischen Industrie eingesetzt, aber das eigentliche Potenzial von Wasserstoff liegt in der Zukunft als saubere Treibstoffquelle für den Verkehr und die Stromerzeugung. Die Verarbeitung von Wasserstoff birgt ihre eigenen Herausforderungen, die über die Veränderung der Infrastruktur hinausgehen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Umstellung der Infrastruktur wird der Transport des Wasserstoffs von der Produktion zu den Verbrauchsstellen sein. Wasserstoff ist ein Gas mit kleinen Molekülen, und herkömmliche Zentrifugalkompressoren sind nicht in der Lage, reinen Wasserstoff zu transportieren, da sie Probleme mit der Versprödung von Metallen und einem niedrigeren Druckverhältnis haben, das eine Erhöhung der Drehzahl erfordert, die mit herkömmlichen Metalllaufrädern aufgrund der begrenzten Spitzengeschwindigkeit nicht erreicht werden kann.

Die Entwicklung einer völlig neuen Wasserstoffversorgungskette von der Erzeugung von grünem Wasserstoff über die Speicherung von Wasserstoff bis hin zu Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen wird den Bedarf an Zentrifugalkompressoren der nächsten Generation erhöhen, die hochreinen Wasserstoff effizient verarbeiten können. Diese neuen Zentrifugalkompressoren werden durch Hochleistungslösungen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen ermöglicht.

Labyrinthdichtungen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen können den Wirkungsgrad von Zentrifugalkompressoren um 1 % oder mehr verbessern, ohne dass sie der Korrosion oder Metallversprödung zum Opfer fallen. Laufräder aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis haben das Potenzial, Zentrifugalkompressoren in die Lage zu versetzen, hochreinen Wasserstoff zu verarbeiten, indem sie das Gewicht des Laufrads und die Belastung des Rotors verringern und so höhere Drehzahlen ermöglichen. Mit diesen Technologien können Erstausrüster die notwendige Ausrüstung für Energieunternehmen und Regierungen bereitstellen, um die Vorteile von grünem Wasserstoff als effektive Energiealternative zu fossilen Brennstoffen zu nutzen.

Herstellung von Halbleitern

 

Die Halbleiterindustrie hat während der Pandemie einen unglaublichen Nachfrage- und Angebotsdruck erlebt, der mit dem Aufkommen der Heimarbeit und den Herausforderungen in der Lieferkette aufgrund von COVID-19 einherging. Die Herstellung von IC-Chips umfasst viele Schritte wie Ätzen, Lithografie, Abscheidung, Waferreinigung und andere. Bei diesen Schritten werden exotische und raue Chemikalien eingesetzt, um komplexe Knotenstrukturen zu schaffen, die die heutige Rechenleistung ermöglichen.

Die Herausforderungen, die mit der Kontrolle von Partikeln und chemischer Verunreinigung verbunden sind, um eine hohe Ausbeute an Halbleiterbauelementen zu erreichen, werden immer schwieriger zu lösen, da die Strukturgrößen immer kleiner werden. Die in Kammern und Reinigungsprozessen verwendeten Teile müssen höheren Temperaturen und rauen chemischen Umgebungen standhalten, ohne sich zu zersetzen oder Partikel zu bilden. Diese Bedingungen führen dazu, dass bestehende Materialien durch fortschrittliche thermoplastische Verbundwerkstoffe und neue Herstellungsverfahren ersetzt werden müssen, um die Anforderungen an die Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit der nächsten Generation von Wafer-Verarbeitungsanlagen zu erfüllen.

Referenzen:

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

[2] Keith Campbell. "Airbus will Ende 2009 mit der Fertigung von Teilen für die neue A350 XWB beginnen", Engineering News online, 11. Mai 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, Zugriff im Oktober 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.