Ressourcenschonung, Nachhaltigkeit, Effizienz – Themen, die sich zu Recht durch die gesellschaftliche Debatte ziehen und gerade im Zusammenhang mit Kunststoffen zunehmend an Relevanz gewinnen. Dabei sind Kunststoffe aus unserem Alltag längst nicht mehr wegzudenken und von zentraler Bedeutung für die Materialien, die Produktion und die Industrie der Zukunft. In diesem Sinne demonstrieren Institute der Fraunhofer-Gesellschaft auf der Branchenmesse »K«, unter dem Motto »Plastics for Future«, ihre neusten Entwicklungen, mit denen sie die nachhaltige, ressourcenschonende und effiziente Kunststoffverarbeitung technologisch vorantreiben. Dabei spielen neben neuen Eigenschaften der Kunststoffe auch Fragen ihrer Herstellung, Wieder- und Weiterverwendung sowie die Optimierung von Prozessen eine zentrale Rolle.
Ressourcenverbrauch in der Produktion senken
Die generelle Anforderung an eine zeitgemäße Produktion ist es, den Ressourcenverbrauch bei hoher Funktionalität zu senken. Das steigert nicht nur die Profitabilität beim Einsatz – es ist ein entscheidender Ansatz zur Nachhaltigkeit und damit Akzeptanz industrieller Produktion überhaupt.
Diesen Weg verfolgt etwa das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS mit der Entwicklung von Leichtbaustrukturen aus Organosandwich-Halbzeugen. Durch ein neuartiges Fertigungsverfahren lassen sich verwertungsfertige, thermoplastische Sandwich-Leichtbaustrukturen erstmals auch in der Großserie effizient und kostengünstig umsetzen.
Um Leichtbau geht es auch beim Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. Mit einem neuartigen Ofen, der Temperaturen von bis zu 2850 °C erzeugt, haben die Fraunhofer-Experten aus Potsdam-Golm biobasierte Carbonfasern aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, deren Eigenschaften die von herkömmlichen Carbonfasern zum Teil übertreffen. Darüber hinaus konnten die Forschenden mit dem neuen Verfahren die Herstellungskosten deutlich senken.
Eine weitere Möglichkeit nachhaltiger zu produzieren, hat das Fraunhofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, mit der Entwicklung eines ökologischen und zukunftsorientierten Kleinladungsträgers eröffnet. Es ist gelungen, den Polypropylenanteil bei der Herstellung von Transport- und Lagerbehältern, wie sie in der Industrie sowie im Groß- und Einzelhandel jeden Tag millionenfach im Einsatz sind, um bis zu 25 Prozent durch Holzfasern zu ersetzen. Damit werden die Behälter nachhaltiger, leichter und stabiler – bei gleichbleibenden Produktionskosten.
Einen signifikanten Beitrag zur Kreislaufwirtschaft liefern die neuen selbstverstärkten PLA-Verbundwerkstoffe des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT. Der neue Verbundwerkstoff ist mechanisch hochfest und steif bei hoher Temperaturfestigkeit – und wie das reine PLA vollständig biobasiert, leicht recycelbar, umformbar und industriell biologisch abbaubar. Dabei liegt der Energiebedarf und damit auch das CO2-Äquivalent der PLA-Produktion bei rund der Hälfte im Vergleich zur Herstellung von herkömmlichen Kohlefaserverbundwerkstoffen etwa aus Polypropylen. Zusätzlich konnten die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden.
Vom Recycling zum Upcycling
Kunststoff lässt sich wie kaum ein anderer Werkstoff nach der Nutzung wiederverwerten. Die Möglichkeiten sind hierbei vielfältig und reichen vom Recycling des Werk- oder Rohstoffs bis zum Upcycling.
Der Fraunhofer-Cluster »Circular Plastics Economy« zeigt am Beispiel Kunststoff, wie Energie- und Materialströme einer Wertstoffkette nach zirkulären Prinzipien gestaltet werden. Dazu entwickelt das Konsortium spezielle Systemleistungen mit und für die Kunststoffindustrie einschließlich der an sie angeschlossenen Konsumgüter- und Handelsunternehmen und der Kreislaufwirtschaft.
Eine große Herausforderung, vor der die Industrie steht, sind Kunststoffabfälle wie etwa Verpackungsfolien. Eine Lösung dafür erforscht das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF. Im Forschungsprojekt »UpcyclePET« entwickelt das Institut zusammen mit der EASICOMP GmbH hochwertige Werkstoffe aus kurzlebigen Kunststoffabfällen, die in langlebigen technischen Anwendungen wie in automobilen Leichtbau-Teilen neue Verwendung finden. Grundlage für den neuen Werkstoff sind gebrauchte Getränkeflaschen aus PET (Polyethylenterephthalat).
Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB erforscht und entwickelt Lösungen, um biogene Reststoffe als Rohstoff für neue Produkte zu nutzen. So beim Naturstoff 3-Caren, der als Bestandteil von Terpentinöl bei der Herstellung von Zellstoff aus Holz anfällt. Bislang wird er als Nebenprodukt vor allem verbrannt. Mit neuen katalytischen Verfahren verwandeln Forscher des Fraunhofer IGB nun 3-Caren zu Bausteinen für biobasierte Kunststoffe. Die daraus hergestellten biobasierten Polyamide sind nicht nur transparent, sondern weisen gleichzeitig auch eine hohe thermische Stabilität auf – mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten.
Effizienz durch innovative Verfahren
Weitere zentrale Faktoren für die nachhaltige, ressourcenschonende und effiziente Kunststoffverarbeitung sind die Optimierung bestehender und die Entwicklung neuer Verfahren für die Kunststoffindustrie.
In diesem Sinne präsentiert das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV ein intelligentes Messgerät zur Prüfung peelbarer Verpackungen. Der »Pack Peel Scan« ermöglicht die Messung der Öffnungskräfte von Schalen- und Folienpackungen. Einerseits stehen so die erfassten Daten direkt zur Bewertung der Nahtqualität bereit. Andererseits werden die spezifischen Öffnungskraftverläufe durch maschinelle Lernmethoden (KI) zur Prognose von Prozessfehlern genutzt.
Mikrofluidische Systeme werden für den Transport, die Filterung und Mischung von kleinsten Flüssigkeitsmengen im Mikro- und Pikoliterbereich verwendet, etwa für den Einsatz in Medizin und Biotechnologie. Die Herstellung maßgeschneiderter mikro-fluidischer Chips hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT optimiert. Die laserbasierte Prozesskette bietet eine Reihe von Vorteilen, so kann auf den Einsatz von Absorbermaterialien verzichtet werden. Außerdem können durch das neue Verfahren einzelne Bereiche durch Laserstrahlung gezielt poliert werden, um eine hohe Transparenz für z. B. spektroskopische Messungen zu erzielen.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF demonstriert die Bedeutung einer optimierten Atomlagenabscheidung. Dieses wichtige Beschichtungsverfahren sorgt beispielsweise für gleichmäßige optische Funktionen entlang der gesamten inneren und äußeren Oberfläche von Kunststoffoptiken.
Sensorik ist auch ein Messethema beim Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Dort hat man einen Sensor auf Polymerbasis entwickelt. Dieser erkennt Gesten für die Steuerung von Industrie-4.0-Anwendungen. Der Sensor ist rentabel und großflächig gut zu integrieren.
Das System SAMMI des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR kann in Bandstraßen integriert werden und ermöglicht dort via Hochfrequenztechnik die Detektion von Störkörpern oder Beschädigungen im Submillimeterbereich – dadurch können zum Beispiel verunreinigte Lebensmittel, die versehentlich verpackt wurden, schnell und sicher entdeckt werden.
Erleben Sie diese und weitere Lösungen von Fraunhofer für nachhaltige und effiziente Anwendungen und Entwicklungen und damit Bausteine für die Zukunft der Kunststoffindustrie am Ausstellungsstand SC01 in Halle 7.
Fraunhofer-Gesellschaft