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Thermoplastische Verbundwerkstoffe unterstützen Reisen mit Hochgeschwindigkeit

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In nicht allzu ferner Zukunft könnten Reisende, die auf der Suche nach der schnellsten Transportmöglichkeit von A nach B sind, sich den Check-in am Flughafen sparen und gleich in einen Hochgeschwindigkeitszug steigen. Gegenwärtig steht das Reisen mit Hochgeschwindigkeit jedoch noch vor einigen Herausforderungen. Mithilfe fortschrittlicher Werkstoffe könnten Eisenbahnwagen aber schon bald das Fliegen lernen.

Seit 1964 der erste Shinkansen durch Japan geschossen ist, haben mehrere Länder an der Umsetzung und Perfektionierung ihrer eigenen Projekte für einen Hochgeschwindigkeitszug gearbeitet. Trotz ihrer vielen Unterschiede nutzen die meisten Hochgeschwindigkeitssysteme in irgendeiner Form Schienen. Inzwischen konkurrieren allerdings eine Handvoll Start-ups weltweit um die Umsetzung einer völlig neuen Form des Hochgeschwindigkeitstransports: den „Hyperloop“. Das futuristische Konzept beflügelte erstmals 2013 die Fantasie, als Elon Musk seine Vision des Hyperloop Alpha mit der Welt teilte.

Der Hyperloop ist ein Netzwerk aus geschlossenen Röhren mit rollenden (oder in diesem Fall „schwebenden“) Wagen in Form von Kapseln. In den Röhren herrscht ein Teilvakuum zur Überwindung der Zugkräfte, damit die Kapseln mit wenig Energie Geschwindigkeiten von bis zu 1.207 km/h erreichen. Mit anderen Worten lässt der Hyperloop Flugzeuge alt aussehen und macht Züge zur besseren Alternative für das Reisen mit Hochgeschwindigkeit.
Bahnbrechende Hochgeschwindigkeitszüge sorgen für Herausforderungen

Der Hyperloop könnte mehrere Vorteile mit sich bringen. Angesichts steigender Kraftstoffpreise stellt er eine kostengünstige Alternative zum Auto bzw. zu Flugreisen dar. Da er einen deutlich geringeren Energiebedarf hat, wäre der Hyperloop auch eine ökologisch nachhaltigere Form des Reisens. Ein Kapselmodell verfügt sogar über Solarzellen auf dem Dach.

Werfen wir einen Blick auf die globalen Akteure in diesem Bereich: Mit dem weltweit größten Netz von Schnellfahrstrecken von insgesamt über 29.000 km hat China inzwischen Japan überholt und sich an die Spitze gesetzt. Fast die Hälfte davon besteht aus Hochgeschwindigkeitsstrecken, die mit über 250 km/h befahren werden. Das Land hat zudem eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung von Hyperloop-Technologie eingenommen. Die China Aerospace Science and Industrial Corporation (CASIC) hat Pläne für den Bau ihres Überschallsystems T-Flight bekannt gegeben, dessen „fliegende Züge“ den Hyperloop einen Schritt weiter bringen und theoretisch Geschwindigkeiten über 3.700 km/h – und damit fast das Vierfache der Geschwindigkeit eines Passagierflugzeugs – erreichen würden. Ob sie sich nun Super-Maglev, Vactrains oder fliegende Züge nennen, eines ist sicher: Fluggesellschaften werden es schwer haben, mit dem Zugverkehr mitzuhalten.

Hyperloop Technologies ist eines der Unternehmen, die sich der Herausforderung stellen und Hyperloop-Technologien in die Tat umsetzen wollen. 2017 hat es die weltweit erste Teststrecke in der Wüste von Nevada fertiggestellt. Seitdem haben zwei weitere Unternehmen mit ihren eigenen Teststrecken nachgezogen. Es wurden auch bereits Kapsel-Prototypen gebaut und mit Unterhaltungsbildschirmen sowie Ledersitzen ausgestattet. Doch es gibt immer noch einige Aufgaben zu bewältigen und für viele von ihnen sind eigene technologische Weiterentwicklungen erforderlich – wie die moderne Magnetschwebetechnik (Maglev) oder Abgaslösungen für die pneumatischen Röhren. Darüber hinaus müssen mögliche Routen für die Langstrecken der über- oder unterirdischen Stahlröhren sorgfältig geplant werden, um plötzliche Kurven zu vermeiden.

Neben diesen technischen Herausforderungen hat bereits die Suche nach hochleistungsfähigen Werkstoffen begonnen, die es den Hyperloop-Kapseln ermöglichen sollen, mit Hochgeschwindigkeit durch die Röhren zu schießen.
Hybridwerkstoffe für Hybridtechnologie

Der Hyperloop verbindet die Idee schneller Flugreisen mit einer von Zügen inspirierten Optik sowie revolutionärer Antriebstechnik. Es ist daher passend, dass diese Hybridtechnologie, die mehr als die Summe ihrer Teile ist, auch auf Hybridwerkstoffe zurückgreift. Für die Zukunft des Schienenverkehrs stellen Verbundwerkstoffe eine erschwingliche, skalierbare und nachhaltige Lösung dar.

Zur Erinnerung: Verbundwerkstoffe sind Materialien, die aus zwei oder mehr Werkstoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaften bestehen, z. B. einem plastischen Kunststoff und einem Hartmetall. Ihre Kombination ergibt ein einzigartiges und häufig hervorragendes Produkt mit vollkommen neuen Eigenschaften wie ausgezeichneter Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Verbundwerkstoffe gibt es bereits seit Menschen die ersten Ziegel aus Lehm und Stroh gemacht haben, doch neue Materialien und fortschrittliche Prozesse wie das Pultrusionsverfahren haben aufregende neue Kombinationen ermöglicht.
Innovative Verbundwerkstoffe für Hochgeschwindigkeitssysteme

Das bringt uns wieder zurück zum Hyperloop. Für die Inneneinrichtung der Passagierkapseln wird eine neue Werkstoffgeneration gesucht, die das Schienenfahrzeug leichter, stabiler, energieeffizienter und nachhaltiger machen soll. Gefragt sind sowohl Werkstoffe als auch Technologien, die sich für eine Produktion im großen Maßstab eignen und das Potenzial zur Reduzierung von Volumen, Gewicht und Energieverbrauch der Kapseln haben. Momentan werden Werkstoffe wie Aluminium und Sheet Molding Compounds (SMC) für verschiedene Anwendungen im Schienenverkehr eingesetzt. Diese Materialien haben hinsichtlich der Reduzierung von Dicke und Gewicht jedoch ihre Grenzen. SMC können beispielsweise bei einigen Anwendungen für Fahrgasträume ein größeres Potenzial zur Gewichtseinsparung als Aluminium bieten. Wenn es aber um Zykluszeiten und die Kosten für sehr große Produktionsmengen sowie die Emission flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) geht, gelangt man schnell an die Grenzen dieses Werkstoffs.

Zur Überwindung dieser Einschränkungen haben einige Akteure in der Branche sowie Hersteller einen Blick auf neue Lösungen wie endlosfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe geworfen. Diese Lösungen haben bereits eindrucksvoll unter Beweis gestellt, dass sie die Grenzen traditioneller Metall- und Kunststoffmaterialien verschieben können, während sie gleichzeitig eine ansprechende Ästhetik, Gestaltungsfreiheit und besonders skalierbare Produktionsprozesse bieten.

Für die Anforderungen einer volumenstarken Produktion benötigen unsere Kunden ein Produkt, das eine effiziente Verarbeitung und kurze Zykluszeiten ermöglicht. Maezio™ macht das möglich und bietet außerdem bedeutende Vorteile gegenüber Magnesiumlegierungen, Duroplasten und Kunststoffspritzgussteilen.

Yilan Li

Market Development Composites, Covestro

Maezio™ Verbundwerkstoffe rücken ins Rampenlicht

Ein solcher Verbundwerkstoff ist Maezio™, ein endlosfaserverstärkter thermoplastischer Verbundwerkstoff, kurz CFRTP, der von Covestros Ingenieuren entwickelt wurde. Er besteht aus Carbonfaser und einer thermoplastischen Harzbasis wie Polycarbonat.

Verglichen mit Aluminium (7020) sind Maezio™ Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer anpassbaren anisotropischen mechanischen Eigenschaften 40 Prozent leichter, 2,5 Mal steifer und sechsmal fester als ihre Gegenstücke auf Bauxit-Basis. Je nach Anwendung können sie auch 20 Prozent leichter als SMC sein.

Im Hinblick auf die Ästhetik sieht Maezio™ aus wie Metall und fühlt sich auch so an, bietet aber die Gestaltungsfreiheit von Thermoplasten und eine hochwertige Oberflächenqualität, die sich durch die organische Schönheit von Carbonfaser auszeichnet. Des Weiteren kann es mit thermoplastischen Spritzgussverfahren kombiniert werden, um komplexe Formen und funktionale Integration zu erreichen.

In puncto Sicherheit und Stabilität haben die thermoplastischen Maezio™ Verbundwerkstoffe vielversprechendes Potenzial bewiesen. Bei ersten FST-Tests (Feuer, Rauch und Toxizität) konnten sie bei Verwendung von modifizierten Polycarbonattypen als Matrixmaterial starke feuerbeständige Eigenschaften sowie eine sehr geringe Toxizität und Rauchdichte vorweisen. Diese positiven vorläufigen Ergebnisse werden derzeit in strengen Tests mit verschiedenen Materialkombinationen verifiziert. Zudem sind diese Verbundwerkstoffe frei von schädlichen VOC und können bis zu einem gewissen Grad recycelt werden. Am Ende ihrer Lebensdauer können sie zerkleinert und in einem Spritzgießverfahren für zerkleinerte Faserverbundwerkstoffe verwendet werden.
Die Weichen für die Zukunft sind gestellt: Maezio™ bietet nachhaltiges, skalierbares Design für alle

Für Anwendungen der nächsten Generation wie die „fliegenden Kapseln“ des Hyperloops birgt Maezio™ das Potenzial zur Entwicklung leichter, schlanker Inneneinrichtungskonzepte mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften und der Festigkeit traditioneller Metalle und Kunststoffe. Hochleistungsfähige thermoplastische Verbundwerkstoffe könnten z. B. auch für die Herstellung von Rückenlehnen, Gepäckablagen, Wandverkleidungen, Tischen und Bodenbelägen verwendet werden. Der Werkstoff kann auf spezifische Anforderungen abgestimmt und unter Verwendung eines patentierten, einschrittigen Formgebungsprozesses mit kurzen Zykluszeiten hergestellt werden, wodurch auch eine Skalierung für die Serienproduktion möglich ist.
Der fortschrittliche Verbundwerkstoff hat bereits das Interesse von Automobil-, Gepäck- und Elektronikherstellern geweckt, die ihre Designs so leicht wie noch nie gestalten wollen. Der Prototyp eines Notebookdeckels aus Maezio™ wurde bei den European Plastics Innovation Awards 2017 bereits mit dem Innovation Award ausgezeichnet.

Covestros Experten freuen sich darauf, verschiedene Industriepartner mit Interesse am Einsatz von Maezio™ zu unterstützen und ihre langjährige Expertise zur Verfügung zu stellen, um alle spezifischen Anforderungen zu erfüllen und bei der Entwicklung auftretende Produktionsprobleme zu lösen – für eine bessere, nachhaltigere Zukunft.

Die Entwicklung jedes neuen Werkstoffs ist für uns Designer eine Quelle der Inspiration – vor allem dann, wenn wir Gewicht und Dicke reduzieren können. In diesen Fällen haben wir viele Möglichkeiten zur Entwicklung neuer Formfaktoren.

Thorsten Frackenpohl

Mitbegründer und Geschäftsführer, Noto GmbH

Wesentliche Vorteile

  • Erhebliche Gewichtsreduktion in Verbindung mit mechanischer Festigkeit 
  • Ermöglicht dünnere Designs 
  • Hohe Produktivität mit kurzen Zykluszeiten 
  • Geringe Emissionen 
  • Ausgezeichnete Oberflächenqualität und Optionen für die Beschichtung, Prägung und Lasergravur 
  • Hochwertige Optik von Carbon 

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