Stark und nachhaltig: Experten sehen großes Potenzial für Rohre und Tanks aus GFK

Rohre und Tanks aus glasfaserverstärkten Kunststoffen finden sich überall und fest steht: Sie haben den klassischen Materialien wie Stahl, Keramik oder Beton inzwischen den Rang abgelaufen. Denn Produkte aus Faserverbundwerkstoffen sind äußerst beständig gegen aggressive Medien, gegenüber Temperaturen und Witterungseinflüssen. Zudem sind sie langlebig, leichter zu transportieren und druckfest. Alle diese Eigenschaften lassen sich mithilfe moderner Herstellungsprozesse weiter optimieren. Sehen wir uns das in diesem Beitrag im Detail an.

Echt stark: Kunststofftanks und Rohre aus GFK oder CFK

Bauteile und Komponenten aus GFK, CFK oder anderen Faser-Matrix-Gemischen sind im Bereich der Verfahrens- und Umwelttechnik sehr gefragt, da sie ausnehmend witterungs- und chemikalienbeständig sind. Gerade die GFK-Produktkategorie umfasst verschiedenste Lösungen, die anwendungsorientiert im Schleuderverfahren, im Wickelverfahren oder im Ziehverfahren hergestellt werden, z. B.:

• Rohre und Tanks bzw. Drucktanks,
• Silos, Abdeckungen, Wäscher, Reaktionsgefäße,
• Teile für die Landwirtschaft oder für lufttechnische Anlagen.

Für spezielle Großbauteile und individuelle Konstruktionen werden neben anderen das Faserspritzen oder auch Handlaminieren genutzt. Für die Fertigung von Rohren, Druckbehältern und Tanks sind diese Methoden allerdings nicht relevant. Unser Beitrag legt vielmehr den Schwerpunkt auf die Volumenanwendungen der leistungsstarken Faserverbundwerkstoffe.

Pipes and Tanks, Composites at its best

Grundsätzlich lassen sich die Herstellungswege für Kunststofftanks oder Leitungen nach Bauteilgeometrie und geometrischer Komplexität einordnen. Das Faserwickelverfahren ist für die Produktion symmetrischer Konstruktionen, wie zum Beispiel Rohre und Tanks, prädestiniert. Zumal es sich dank hohem Automatisierungsgrad für Großserien eignet.

Die typischen Einflussparameter auf Eigenschaften, Prozesse und Herstellungskosten sind

• die Kombination aus Fasern und Matrix, die verwendet werden, sowie
• die Art und Struktur der Verstärkung (Kurzfaser, Langfaser, Endlosfaser).

In der Serienanwendung wird in erster Linie auf Glas- und Kohlestofffasern gesetzt. Einen großen Teil davon machen Endlosfasern aus, die zu hoch beanspruchbaren Bauteilen verarbeitet werden. Für Nischenlösungen kommen auch Aramid- oder Keramik-Fasern zum Einsatz.

Das Herstellungsverfahren hat einen vergleichsweise hohen Einfluss auf die finalen GFK-/CFK-Bauteile. Neben der direkten Verwendung von Fasern und Harz bildet die Vorfertigung von Halbzeugen (textiles Halbzeug, Prepreg, Organoblech etc.) einen Weg in
der Wertschöpfungskette von endlosfaserverstärkten Composites.

Als Matrixwerkstoffe fungieren Duroplaste und Thermoplaste. Duroplastische Harze zeigen im Vergleich Eigenschaften, die sie auf ein bestimmtes Anwendungsfeld eingrenzen:

• Die Verarbeitung ist schwieriger und kostenintensiver.
• Schmelzprozesse können nicht beliebig wiederholt werden.
• Ausgehärtet sind sie meistens hart und spröde, können nur noch mechanisch weiterverarbeitet werden.

Thermoplaste sind daher die am häufigsten verwendete Kunststoffgruppe zur Herstellung von Behältern, Tanks, Leitungen, Rohren etc. Charakteristisch ist ihr Aufbau aus langen linearen Molekülen. Die Polymere sind bei Energiezufuhr beliebig oft formbar und können per Umformverfahren in gewünschte Geometrien gebracht werden. Die Zahlen des AVK-Marktberichts erfassen im Jahr 2021 ein Wachstum für Thermoplastische Composites von 25,6 %, für Duroplastische Composites lediglich 10,2 %.

Vielseitige Werkstoffe mit verstärkten Eigenschaften

Die verschiedenen Kombinationen von Fasern und Matrix in der GFK-Fertigung führen zu unterschiedlichen Eigenschaften des Endprodukts, zu spezifischen Kostenstrukturen, Zykluszeiten und weiteren variierenden Faktoren. Das Prinzip der Faserverbundwerkstoffe: Durch die Kombination der beiden Materialien Matrix und Faser entsteht ein Werkstoff, man kann sagen ein neuer Mischwerkstoff, mit verstärkten Eigenschaften. Ergänzende Zusätze nehmen ebenfalls Einfluss auf das Resultat:

• Füllstoffe,
• Farbstoffe,
• Kerne (Schäume, Strukturen, etc.)

Bekanntlich steht die Matrix für die physikalisch-chemischen Eigenschaften, mechanische Attribute werden von den eingebrachten Fasern bestimmt. Die relative Bedeutung der Matrix auf die Verarbeitungseigenschaften ist als hoch einzuschätzen.

Folgende Beispiele verdeutlichen: Mit einer gezielten Rezeptur können hochleistungsfähige Erzeugnisse realisiert werden, die beispielsweise

• sehr hohen Temperaturen (bis 180°C)
• oder als Hochdruckbehälter einem Berstdruck von über 1500 bar standhalten.
• Im Vergleich zu Stahl kann eine 5-fach höhere Steifigkeit und Festigkeit erzielt werden.

Gute Prognosen für Kunststoffrohre und -tanks trotz Krisen

Nicht ohne Grund wurden seit Aufkommen der Faserverbund-Lösungen in vielen Bereichen Edelstähle und andere spezielle Werkstoffe ersetzt. Zumal sich der Werkstoff GFK bei der Realisierung von wasserführenden Konstruktionen sehr gut anbietet. Die gesamte Wasserwirtschaft (Regenwassermanagement, Abwasser-/Trinkwassersysteme) braucht eine solide Infrastruktur, die sicher, langlebig und äußerst funktionsfähig ist.

Die Industrie ist also gefordert, die anspruchsvollen Aufgaben für den Ausbau und die Modernisierung der wichtigen Infrastrukturen mit entsprechenden Kunststoff-Erzeugnissen zu unterstützen. Der Investitionsbedarf liegt weiterhin auf einem hohen Niveau. Laut Marktforschungsinstitut Ceresana mit Sitz in Konstanz bleiben die
Zukunftsaussichten trotz aktueller Krisen für die Produzenten von Rohren, Tanks, Rohrbauteilen und Fittings aus Kunststoffen positiv.

Viele Eigenschaften sprechen für den Einsatz von Verbundwerkstoffen in gewerblichen, kommunalen oder privatwirtschaftlichen Anwendungen:

• korrosions- und witterungsbeständig,
• resistent gegenüber aggressiven Medien,
• temperaturunempfindlich,
• haltbar, robust,
• variabel in Form und Größe
• u. v m.

Faserverbundwerkstoffe vs. traditionelle Werkstoffe bei der Herstellung von Rohren und Tanks

Dennoch ist es nicht von der Hand zu weisen, dass die Herstellungskosten für Faserverbundwerkstoffe insgesamt noch viel zu hoch liegen. Die Studie von Roland Berger Strategy Consultants betrachtet die Produktionen weltweit. Der Blick auf die Zahlen gibt einigen Aufschluss: Es werden ca. 1,3 Mrd. Tonnen Stahl, 4-5 Mio. Tonnen GFK und lediglich 40.000 Tonnen CFK hergestellt. Einer der Gründe dürfte sein, dass die Herstellung von CFK die von Stahlbauteilen kostenmäßig um mehr als 500 % übertrifft.

Die Herausforderungen bei der Herstellung von faserverstärkten Komponenten sind entsprechend hoch. Anderseits weisen die genannten Daten auf das Potenzial hin, die Faserverbundwerkstoffe in größerem Umfang etablieren zu können. Die hervorragenden Eigenschaften der Composites sind in vielen Branchen gefragter denn je, wegen der

• Langlebigkeit und Wartungsarmut,
• dem geringen Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit,
• der Skalierbarkeit der Materialeigenschaften,
• der hohen Korrosionsbeständigkeit und geringen Wärmedehnung.

Gerade im Bereich des Rohr- und Tankbaus halten GFK-Bauteile und -Konstruktionen sogar extremen Umständen, z. B. dem Einfluss von Schwefeltrioxid-Dämpfen oder Schwefelsäure, lange stand.

Es stellen sich Fragen, inwieweit Zyklus- bzw. Taktzeiten reduziert werden können und ebenso die nötige Sicherstellung einer konstanten Qualität gewährleistet werden kann, um mit dem Werkstoff GFK weitere Geschäftsfelder zu erschließen. Die klare Tendenz geht selbstverständlich in Richtung der Industrialisierung der Herstellungsprozesse. Je höher der Grad der Automatisierung vorangetrieben werden kann, umso wirtschaftlicher lassen sich die begehrten Produkte aus GFK und CFK herstellen.

Kunststoffe sind nachhaltige Materialien

Dieses Statement mag zunächst irritieren. Jedoch tragen moderne Erzeugnisse aus technischen Kunststoffen und Hochleistungskunststoffen in den meisten Fällen dazu bei, Ressourcen zu schonen, und je nach Werkstoffzusammensetzung eine durchgängige Kreislaufwirtschaft möglich zu machen. Perspektiven, die der vermehrte Einsatz von Kunststoffbauteilen, Verbundsystemen und Leichtbaustrukturen bietet, sind:

• neue Materialien, zum Beispiel für die Medizin oder die E-Mobilität,
• Ressourcenschonung durch Gewichtsreduzierung, bei Herstellung, Transport etc.,
• Ermöglichung neuer Lösungen in Zukunftsbranchen, z. B. Energieerzeugung, Raum-/Luftfahrt, Wärmedämmung,
•  CO2-Speicherung und -Reduzierung.

Der Fokus von Herstellern und Entwicklern liegt zudem auf der Optimierung der bereits im Markt etablierten Kunststoffe. Die Nutzung steuernder Additive hilft dabei, Kosten und Materialverbräuche weiter zu senken. Das Harzsystem hat beispielsweise großen Einfluss auf die Verarbeitungs- und Aushärtungszeiten sowie den Zeitpunkt der Endfestigkeit. Das prozesssichere Mischen und Dosieren ist deshalb eine wesentliche Voraussetzung für die homogene Durchtränkung der Fasern. Es bildet die Grundlage für hochwertige Formteile, die gefügetechnisch und in ihrer Oberflächenbeschaffenheit höchsten Ansprüchen genügen.

Es kann ergo die zunehmende Notwendigkeit zur Compoundierung ausgemacht werden, die die Zielsetzung verfolgt, Polymere durch die Kombination von Additiven und Füllstoffen in Verbindung mit den jeweiligen Fertigungsverfahren zu perfektionieren. Der Einsatz funktionaler Additive, sogenannter Masterbatches, in geringen Mengen führt zu erheblichen Verbesserungen ohne etablierte Prozesse zu stören. Ein konkretes Projektbeispiel zum Thema Rohre und Tanks überzeugt mit erstaunlichen Resultaten: 1 % Zugabe von unserem wolframbasierten Nanopartikel Masterbatch NaPoly* 300 im Wickelprozess zur Herstellung von GFK-Rohren brachte eine Steigerung der Druckfestigkeit von 140 bar auf 201 bar.

Den Markterfolg sichern und steigern

Kunststofftanks und Kunststoffrohre mit Glasfasern sind weiter auf Erfolgskurs. Zum einen, weil die Bedarfe insgesamt steigen. Im Vergleich zu Konstruktionen aus anderen Werkstoffen sind sie außerdem leicht zu verarbeiten und einfacher zu montieren. Im Einsatz beweisen sie sich als äußert robust und langlebig. Selbst Säuren und aggressive Dämpfe können den Elementen nichts anhaben. Das sorgt folglich für die geforderte Betriebssicherheit und steht ganz im Zeichen der Nachhaltigkeit. Denn je länger die Installationen nahezu wartungsfrei betrieben werden können, umso höher ist die Wirtschaftlichkeit und die Einsparung wertvoller Ressourcen – seien es Manpower, Energie oder Material.

Der GFK-Behälterbau minimiert das Risiko für Schäden, die durch chemische oder andere Betriebsstoffe verursacht werden können, deutlich. Auf die Optimierung der Rohre und Tanks ist daher großes Augenmerk zu legen. Mithilfe neuester Maschinentechnik, abgestimmter Fertigungslinien und mit dem Einsatz nanoskaliger Additive lässt sich die erfreuliche Entwicklung auf dem Gebiet Kunststoffbehälterbau und Rohre weiter fortschreiben. Sind darüber hinaus zukunftsweisende Nanotechnologien Teil der Lösung, können wertvolle Ressourcen aus Hartmetallschrott reaktiviert werden. Zugegeben: Es braucht neuartige Wege und ein hohes Maß an Initiative. Diese wird jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit belohnt werden.

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