Nachhaltige Carbonfasern für die Energiewende

Vom Rohstoff bis zum Bauteil nach Maß

Leichtbau steht hoch im Kurs. Denn leichte Autos, Flugzeuge und Windräder lassen sich energieeffizienter bewegen. Eine hervorragende Möglichkeit für den Leichtbau bieten Carbonfasern. In ein polymeres Harz eingebracht, vereinen sie als Verbundwerkstoffe Leichtigkeit mit extrem hoher Festigkeit und Steifigkeit. Jedoch sind die Fasern gegenwärtig erdölbasiert, CO2-intensiv und teuer.   

Und da setzen wir an: Wir sind Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Material-, Technologie- und Produktionsentwicklung nachhaltiger Carbonfasern. Mit unserem ganzheitlichen Ansatz decken wir die gesamte Wertschöpfungskette zur Herstellung von Carbonfasern ab: vom Rohstoff-Aufschluss oder Polymersynthese über das Faserspinnen bis hin zur thermomechanischen Umwandlung zu Carbonfasern und der Weiterverarbeitung zu carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK).  

Wir bieten Ihnen individuelle Strategien und Lösungen, um Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse von Carbonfasern ökonomischer und ökologischer zu gestalten.

Carbon Lab Factory Lausitz CLFL

Carbonfasern nach Maß – nachhaltig und wettbewerbsfähig 

 

 

Mit der Carbon Lab Factory Lausitz entsteht an den Standorten Guben und Boxberg eine weltweit einzigartige Forschungsinfrastruktur für die Entwicklung und Herstellung nachhaltiger, kostengünstiger und wettbewerbsfähiger Carbonfasern im Pilotmaßstab. 

Das länderübergreifende Projekt zwischen Brandenburg und Sachsen bildet die gesamte Wertschöpfungskette ab – vom biobasierten Rohstoff bis hin zu technischen Textilien oder Hochleistungsbauteilen. 

Als Leuchtturm des Strukturwandels bietet die Carbon Lab Factory Lausitz zahlreiche Möglichkeiten für den Transfer von Innovationen in den Bereichen Material und Technologie in regionale Unternehmen. Darüber hinaus fungiert sie als Magnet und Keimzelle für Neuansiedlungen und Start-ups in den Zukunftsfeldern Leichtbau, Batterie- und Brennstoffzellentechnologien, Wasserstoffwirtschaft und Elektromobilität.

  • Die Carbon Lab Factory Lausitz bildet eine weltweit einzigartige Forschungs- und Entwicklungsumgebung ab, die sämtliche Schritte von der Materialentwicklung bis zu marktfähigen Produkten umfasst:

     

    Rohstoff

    • Entwicklung und Synthese innovativer Materialien für die Vorläuferfaser
    • biogene Rohstoffe (z. B. Cellulose)  
    • Pilotmaßstab (Bestand / Schkopau)

    Spinnfaser

    • Herstellung der Vorläuferfaser
    • Entwicklung von Spinnprozessen
    • Modifizierung der Fasern mit Katalysatoren und Additiven
    • Technikumsmaßstab: (Bestand / Potsdam) 
    • Pilotmaßstab: (NEU / Guben)

    Carbonfaser

    • Entwicklung von thermo-mechanischen Prozessen (30 bis 3000 °C)
    • Oberflächenaktivierung und Veredlung der Faser
    • Labormaßstab: (Bestand / Potsdam)
    • Technikumsmaßstab: (NEU / Guben)
    • Pilotmaßstab: (NEU / Boxberg)

    Bauteil

    • Verbundkunststoffe (CFK)
    • Gewebe und Gelege
    • Tapes und Profile
  • © Fraunhofer IAP
    Standorte der Carbon Lab Factory Lausitz

    Das Fraunhofer IAP / Forschungsbereich Biopolymere bringt seine langjährige Expertise bei der Entwicklung von Spinnprozessen zur Herstellung biobasierter Fasern und der damit einhergehenden Optimierung der Ausgangsstoffe sowie bei der Carbonisierungstechnologie ein. Spinnanlagen zur Herstellung der weißen Vorläuferfaser sind im Technikumsmaßstab und Carbonisierungsanlagen im Labormaßstab am Standort Potsdam bereits seit vielen Jahren erfolgreich in Betrieb. Im Rahmen der CLFL baut das Fraunhofer IAP eine Technikumsanlage für die Carbonisierung (Black-Line) und eine Pilotanlage zur Herstellung der Vorläuferfasern (White-Line-Pilotanlage) in Brandenburg auf.

    Die BTU Cottbus-Senftenberg / Institut für Leichtbau und Wertschöpfungsmanagement entwickelt zu den neuartigen Carbonfasern passende biogene Schlichtesysteme, um das Verstärkungspotential in späteren Anwendungen voll ausschöpfen zu können und ein möglichst ökologisches Gesamtsystem zu erhalten. Darüber hinaus wird an umweltfreundlichen Kompositen aus modifizierten Naturfasern in Kombination mit reststoff- oder biobasierten Matrices geforscht, die eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Materialsystemen wie Glasfaserverstärkungen darstellen. Um zukunftsfähig zu bleiben, engagiert sich der Fachbereich zu diesen Themenstellungen zudem mit der Aus- und Weiterbildung zu diesen von Schüler/innen aus Schulen in der Region Lausitz.

    Die Entwicklung wird am Fraunhofer IAP und der BTU Cottbus-Senftenberg durch das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle BAFA mit Personalmitteln in Höhe von 5 Millionen Euro über vier Jahre bis Juni 2027 gefördert (Förderkennzeichen: 46SKD154A/B). Die Mittel stellt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms »Stärkung der Transformationsdynamik und Aufbruch in den Revieren und an den Kohlekraftwerkstandorten« (STARK) bereit.

    Die TU Chemnitz / Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung baut in Boxberg/Sachsen eine Pilotanlage zur Carbonisierung (Black-Line-Pilotanlage) auf – als Außenstelle der TU Chemnitz. Um die gesamte industrienahe Fertigungskette bis zum Bauteil abzubilden, sollen die neuartigen Carbonfasern darüber hinaus zu zweidimensionalen technischen Textilien, thermoplastischen Tapes und Profilen im Pilotlinienmaßstab weiterverarbeitet und erforscht werden. Das Budget von mehr als 62 Millionen Euro wird vom Sächsisches Staatsministerium für Infrastruktur und Landesentwicklung in Zusammenarbeit mit dem Sächsischen Staatsministerium für Regionalentwicklung bereitgestellt.

Fraunhofer IAP: Gebündelte Kompetenz unter einem Dach

Die Herstellung von nachhaltigen Carbonfasern ist eine Spezialität des Fraunhofer IAP – von der Polymersynthese bis zum Bauteil nach Maß. Dabei verspinnen wir sogenannte Vorläuferfasern (Präkursoren) auch aus natürlichen Rohstoffen, wie zum Beispiel Cellulose und Lignin. Unsere modern ausgestattete Ofentechnik wandelt verschiedenste Arten von Präkursoren unter Wärmeeinwirkung zu Kohlenstoff um. Der Forschungsbereich PYCO steuert Expertise für die Entwicklung von maßgescheiderten und carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen für verschiedenste Leichtbauanwendungen bei. 

 

Polymersynthese

Synthese und Entwicklung neuartiger Präkursor-Systeme

 

Spinnprozess

Verspinnen von Präkursor-Systemen und Verfahrensoptimierung

 

Carbonisierung

Thermomechanische Konvertierung von konventionellen und neuartigen Präkursor-Systemen zu Carbonfasern

 

Verbundwerkstoffe

Nachhaltige Leichtbaulösungen mit carbonfaserverstärkten Compositen

Wir sind für Sie da!

Polymersynthese

Polyacrylnitril (PAN) – ein erdölbasiertes Polymer – ist das wichtigste Präkursor-Material für Carbonfasern. Der Herstellungsprozess hat jedoch Nachteile. Die Präkursor-Fasern werden überwiegend durch Nassspinnen von PAN-Copolymeren hergestellt. Dieser Prozess ist kostenintensiv und verlangt den Einsatz umweltschädlicher Lösungsmittel. Für das kostengünstigere Schmelzspinnen kann PAN aufgrund der mangelnden Schmelzbarkeit nicht verwendet werden.
Mit unserer ComCarbon®-Technologie haben wir maßgeschneiderte PAN-Copolymere entwickelt, die schmelzbar sind und sich zu Carbonfasern verarbeiten lassen. Ihre hervorragende thermische Stabilität ermöglicht das konventionelle Schmelzspinnen von mehreren Filamenten. Weiterhin testen wir die ComCarbon®-Technologie unter Verwendung von biobasiertem PAN.

 

Schmelzspinnbare Präkursoren für nachhaltige und effiziente Carbonfasern

ComCarbon®

  • Kostenreduktion für Carbonfasern
  • Fließeigenschaften nach Maß
  • für verschiedene Schmelzspinn-Technologien

Analytik

  • Rezeptur und Prozess für schmelzspinnbares PAN (ComCarbon®)
  • Synthesereaktoren bis 25 L
  • Charakterisierung mittels Rheologie, GPC und NMR

Ausstattung | Analytik

  • Rezeptur und Prozess für schmelzspinnbares PAN (ComCarbon®)
  • Synthesereaktoren bis 25 L
  • Charakterisierung mittels Rheologie, GPC und NMR

Forschung

  • Anpassung der ComCarbon®-Technologie, auch mit biobasiertem PAN
  • Rezeptur-, Prozessentwicklung
  • Struktur-Eigenschaft-Beziehungen von PAN-Copolymeren
 

Kostengünstige Carbonfasern für den Leichtbau

Am Anfang jeder Produktentwicklung steht das passende Material.

Spinnprozess

Auf dem Weg zur Carbonfaser, die fast ausschließlich aus Kohlenstoff besteht, ist der Umweg über einen formbaren Präkursor notwendig. Denn reiner Kohlenstoff ist weder löslich noch schmelzbar und lässt sich nicht direkt in die Faserform überführen.
Wir entwickeln und verspinnen auch Präkursoren, die auf nachwachsenden Rohstoffen wie Cellulose, Lignin oder Hemicellulose basieren. Die Ausstattung des Fraunhofer IAP − einschließend der Viskoseherstellung sowie Nassspinnlinien − ermöglicht zum Beispiel die Viskosefilamententwicklung basierend auf Zellstoffen und Zellstoffmischungen.    

 

Innovative Technologien für biobasierte Präkursoren für Carbonfasern

Services

  • chemische und physikalische Analysen
  • Charakterisierung der Prozessfähigkeit von Spinnmassen
  • Evaluierung und Optimierung der Verspinnbarkeit

Analytik

  • variable Lösungsspinnlinien: Labor-/Technikumsmaßstab
  • diverse Löseaggregate
  • umfangreiche Analytikverfahren
 

Fasern, Folien und Nonwovens  

Forschung

  • Weiterentwicklung und Evaluierung nachhaltiger Präkursor-Systeme
  • Analyse der Verarbeitungs-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Forschung | Entwicklung

  • Weiterentwicklung und Evaluierung nachhaltiger Präkursor-Systeme
  • Analyse der Verarbeitungs-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Innovative Fasern: nachhaltig und effizient

Carbonisierung

Gleichwohl welche Geometrie – ob Fasern, Folien, Membranen, Nonwovens oder Formteile – mit unserer Ofentechnik lassen sich verschiedenste Präkursor-Systeme in Kohlenstoffmaterialien umwandeln. Wir können beliebige Temperaturprogramme bis 3000 °C und unterschiedliche Atmosphären realisieren, die die Performance entscheidend beeinflussen. 

 

Nachhaltige
Carbonfasern
aus natürlichen
Rohstoffen

 

Forschung

  • Prozessfähigkeit und Carbonfaser-Potenzial von Präkursor-Systemen
  • Additive und Katalysatoren zur Steigerung der Effizienz
  • Analyse der Strukturbildung
  • Struktur-Eigenschaften

Services

  • thermo-mechanischer Prozesse von 30-3000 °C
  • Evaluation: Prozessfähigkeit von Präkursor-Systemen
  • Bestimmung der Materialausbeute
  • Prozessentwicklung und -optimierung
  • Analytik

Ausstattung | Analytik

  • Durchlauföfen und Faserhandling Systeme für Stabilisierung, LT-, HT- und UHT Carbonisierung
  • Batch Öfen bis 3000 °C
  • variable Prozessführung und hoher Automatisierungsgrad
  • Strukturcharakterisierung mittels WAXS, SAXS, NMR, EDX, RAMAN, REM, TEM
  • Bestimmung elektrischer und mechanischer Eigenschaften

Nachwachsende Rohstoffe – Basis für neue Materialien

Kontaktpersonen

Johannes Ganster

Contact Press / Media

Prof. Dr. Johannes Ganster

Forschungsbereichsleiter | Biopolymere

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1706

Antje Lieske

Contact Press / Media

Dr. Antje Lieske

Abteilungsleiterin | Polymersynthese

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1329

André Lehmann

Contact Press / Media

Dr. André Lehmann

Forschungsbereichsleiter | Polymerverarbeitung, Abteilungsleiter | Fasertechnologien

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1510

Jens Erdmann

Contact Press / Media

Dr.-Ing. Jens Erdmann

Carbonisierung und stellv. Abteilungsleiter Materialentwicklung und Strukturcharakterisierung

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam

Telefon +49 331 568-1252