Thermoplast-Composites: umformbar, schweißbar, recycelbar

Klassisches GFK besteht aus duroplastischem Harz – Polyester, Vinylester oder Epoxid. Es vernetzt beim Aushärten chemisch und ist danach unveränderlich: Es schmilzt nicht, sondern zersetzt sich bei großer Hitze. Thermoplastische Composites nutzen stattdessen eine schmelzbare Matrix, deren Molekülketten untereinander nicht verknüpft sind. Erwärmen macht sie beweglich, Abkühlen macht sie wieder fest – beliebig oft. Dieser eine Unterschied verändert Halbzeug, Werkzeug, Fügetechnik und Lebensende gleichermaßen. Eine Nische ist das nicht mehr: Marktanalysen von Mordor Intelligence beziffern das weltweite Volumen thermoplastischer Composites auf rund 5,2 Millionen Tonnen für 2026, mit dem Automobilbau als größtem Abnehmer.

Erstarren statt Aushärten

Der Übergang vom weichen in den festen Zustand ist physikalisch, nicht chemisch – und er verläuft je nach Polymertyp verschieden. Amorphe Thermoplaste mit ungeordneter Kettenstruktur, etwa PEI, besitzen keinen Schmelzpunkt, sondern nur eine Glasübergangstemperatur Tg, oberhalb derer sie erweichen. Teilkristalline Typen wie PP, PA6, PPS oder PEEK bilden beim Abkühlen geordnete Bereiche, die Kristallite; sie haben zusätzlich einen echten Schmelzpunkt Tm und bleiben zwischen Tg und Tm noch tragfähig. Deshalb sind teilkristalline Systeme im Strukturbau die Regel.

Die Kehrseite ist eine Größe, die es beim Duroplast so nicht gibt: Der Kristallisationsgrad hängt von der Abkühlgeschwindigkeit ab. Wer zu schnell abkühlt, bekommt weniger Kristallanteil – und damit ein Laminat, das an Steifigkeit, Chemikalien- und Kriechbeständigkeit hinter dem Datenblatt zurückbleibt. Temperaturführung ist bei Thermoplasten kein Komfortthema, sondern Werkstoffeigenschaft.

Duroplast oder Thermoplast?

Eigenschaft	Duroplast (klassisches GFK)	Thermoplast
Verfestigung	chemische Vernetzung, einmalig	physikalisch durch Abkühlen, wiederholbar
Halbzeug	Flüssigharz mit Trockengelege, Prepreg	Organoblech, UD-Tape, Hybridgarn, Semipreg
Lagerung des Halbzeugs	Prepreg tiefgekühlt, begrenzte Out-Life	raumtemperiert, praktisch ohne Alterung
Verarbeitungstemperatur	Raumtemperatur bis rund 180 °C	rund 200 bis 400 °C
Umformen des fertigen Teils	nicht möglich	durch Erwärmen wiederholbar
Fügen	kleben, nieten, schrauben	zusätzlich schweißen, stoffschlüssig
Taktzeit je Bauteil	Minuten bis Stunden	Sekunden bis Minuten
Lebensende	Verbrennung, Zementwerk, Pyrolyse	einschmelzen und neu verpressen

Die Matrixsysteme – die Temperatur entscheidet

Welches Polymer die Fasern trägt, legt gleichzeitig Verarbeitungsfenster, Einsatztemperatur und Preisklasse fest. Die folgenden Temperaturwerte für die Luftfahrtwerkstoffe sind die typischen Reinharz-Kennwerte aus den Produktdatenblättern der Toray-Cetex-Reihe. Die Kennwerte des fertigen Halbzeugs – Lagendicke, Laminatdichte, Festigkeiten – führen dieselben Datenblätter getrennt davon auf.

Matrix	Schmelzpunkt Tm	Glasübergang Tg	Verarbeitung	Typischer Einsatz
PP (Polypropylen)	rund 165 °C	unter 0 °C	rund 200–240 °C	Interieur, Unterboden, günstige Großserie
PA6 (Polyamid 6)	rund 220 °C	rund 60 °C trocken	rund 260–290 °C	Frontend-Träger, Sitzstrukturen, Halter
PPS (Polyphenylensulfid)	280 °C	90 °C	300–330 °C	Ruderflächen, Clips, Chemieanlagenbau
PEKK	337 °C	160 °C	370–400 °C	zähe Strukturbauteile, Brandanforderungen
PEEK	343 °C	143 °C	370–400 °C	Luftfahrtstrukturen, Medizintechnik, Öl und Gas
LM-PAEK	305 °C	147 °C	340–385 °C	AFP-gelegte Rumpf- und Flügelstrukturen

Die Spannweite von rund 200 bis 400 °C ist der eigentliche Kern der Sache. PP und PA6 lassen sich mit Pressen und Werkzeugen verarbeiten, die in der Kunststofftechnik ohnehin stehen. Ab PPS aufwärts geht es um Anlagentechnik für dauerhaft über 300 °C. LM-PAEK, ein tiefer schmelzendes Polyaryletherketon, wurde genau deshalb entwickelt: Sein Schmelzpunkt liegt mit 305 °C rund 38 Kelvin unter dem von PEEK, und sein Verarbeitungsfenster verschiebt sich laut Toray-Datenblatt von 370–400 °C auf 340–385 °C. Toray selbst beziffert die Absenkung gegenüber Standard-PEEK, das bis 400 °C verarbeitet wird, auf bis zu 60 Kelvin. Das macht Verfahren praktikabel, die die Wärme nur örtlich einbringen können.

Halbzeuge: Organoblech, Tape, Hybridgarn

Nass laminieren lässt sich mit Thermoplasten nicht. Eine Polymerschmelze ist um Größenordnungen zähflüssiger als ein Reaktionsharz und dringt nicht von selbst in ein Fasergelege ein. Faser und Matrix werden deshalb bereits beim Halbzeughersteller zusammengebracht.

• Organoblech: eine fertig imprägnierte und konsolidierte Platte aus Gewebe- oder Gelegelagen in thermoplastischer Matrix. Das Handelsprodukt Tepex dynalite 102-RG600(x)/47 % etwa enthält laut Datenblatt Glasgewebe in PA6 mit 47 Vol.-% Faservolumengehalt, bei 1,80 g/cm³ Laminatdichte und rund 0,5 mm Dicke je Lage.
• UD-Tape: ein schmales, unidirektional verstärktes Band für die automatisierte Ablage. Es erlaubt lastgerechte Lagenaufbauten, die eine Gewebeplatte nicht abbilden kann.
• Semipreg und Hybridgarn: teilimprägnierte Gewebe beziehungsweise Garne, in denen Verstärkungs- und Thermoplastfilamente vermischt sind. Sie drapieren besser als eine steife Platte, müssen aber im Werkzeug erst fertig imprägniert werden.
• Reaktive Flüssigsysteme wie Elium von Arkema: ein Methacrylat, das sich wie ein Duroplastharz infundieren lässt und trotzdem zu einem Thermoplasten polymerisiert – der Brückenschlag für Betriebe mit vorhandener Infusionstechnik.

Ein oft übersehener Nebeneffekt: Thermoplastische Halbzeuge enthalten kein reagierendes Harz. Sie lagern bei Raumtemperatur ohne Alterung und ohne laufende Out-Life-Uhr. Tiefkühllager, Auftauprotokolle und verfallende Chargen, die den Prepreg-Betrieb prägen, entfallen ersatzlos.

Umformen: Sekunden statt Stunden

Das Standardverfahren der Großserie ist das Stempelumformen, häufig auch Thermoformen genannt: Die konsolidierte Platte wird außerhalb des Werkzeugs aufgeheizt, im geschlossenen Werkzeug umgeformt und dabei erneut konsolidiert. Weil kein chemischer Umsatz abzuwarten ist, endet der Zyklus, sobald das Bauteil unter die Erstarrungstemperatur abgekühlt ist. Dass sich so auch dicke, hochbelastete Strukturbauteile fertigen lassen, zeigt Dahers Flügelrippe aus 64 Lagen, die direkt aus dem Lagenaufbau gestanzt wird und den Konsolidierungsschritt davor einspart.

1. Zuschnitt aufheizen, meist in einer Infrarot-Strahlerstation über die Schmelztemperatur der Matrix. Die Heizzeit bestimmt dabei den Takt der gesamten Zelle.
2. Transfer ins Werkzeug – der kritischste Schritt, weil das weiche Halbzeug in Sekunden auskühlt. Übernommen wird er von Handhabungssystemen mit Nadelgreifern.
3. Umformen und Nachkonsolidieren unter Pressdruck; Niederhalter steuern das Nachfließen der Lagen und verhindern Falten.
4. Abkühlen im temperierten Werkzeug unter gehaltenem Druck. Hier entsteht der Kristallisationsgrad und damit ein Teil der späteren Kennwerte.
5. Optional Hinterspritzen: Rippen, Dome und Anbindungspunkte werden im selben Werkzeug angespritzt.
6. Beschneiden – bei integrierten Zellen ebenfalls in der Anlage.

Die Zykluszeiten sind der Grund für den Serieneinsatz. Das Fraunhofer IPT nennt für das Thermoformen von Organoblechen rund eine Minute; für Stoßfängerträger aus Organoblech nannte der Hersteller Jacob Composite 2006 im Industrieanzeiger je nach Ausführung 60 bis 90 Sekunden. Zum Vergleich: SMC-Pressteile brauchen im heißen Werkzeug einige Minuten, ein Handlaminat mehrere Stunden.

Tape-Legen mit In-situ-Konsolidierung

Für große, gekrümmte Strukturen legt ein Roboterkopf UD-Tapes ab und verschweißt sie unmittelbar mit der bereits liegenden Lage – die thermoplastische Spielart der automatisierten Faserablage. Ein Laser erhitzt die Stelle, an der Band und Untergrund zusammenlaufen, die Andruckrolle presst. Theoretisch entsteht das Bauteil fertig konsolidiert, ohne Ofen oder Autoklav dahinter.

Praktisch ist das der anspruchsvollste Prozess des ganzen Feldes. Wie viel Energie dafür nötig ist, zeigt eine Messreihe des DLR an CF/LM-PAEK: Brandt und Kollegen arbeiteten beim laserunterstützten Tape-Legen mit Laserleistungen zwischen 2.300 und 2.600 Watt; der Diodenlaser der DLR-Anlage ist auf 6 Kilowatt ausgelegt. Rein in situ gelegte Laminate erreichen die faserdominierten Kennwerte nahezu vollständig, bleiben bei den matrixdominierten aber klar zurück: In derselben Messreihe lag die interlaminare Scherfestigkeit bei langsamer Ablage – 25 bis 125 Millimeter pro Sekunde – bei 67 bis 72 Prozent des nachkonsolidierten Referenzwerts und fiel bei 400 Millimetern pro Sekunde auf 52 Prozent; die Querzugfestigkeit erreichte nur rund 44 Prozent, und der Kristallisationsgrad blieb bei etwa 11 Prozent. Diese Zahl ist ein Prozessergebnis, keine Werkstoffeigenschaft: Sie hängt an Werkzeugtemperatur und Ablagegeschwindigkeit. Mit unbeheiztem Werkzeug messen andere Arbeiten am selben Materialsystem rund 8,5 Prozent; ein beheiztes Werkzeug und ein anschließender Temperschritt heben den Kristallanteil auf bis zu 29 Prozent und die Zugscherfestigkeit auf bis zu 38 Megapascal. Auch langsamer legen hilft: Bei Ablageraten bis 150 Millimetern pro Sekunde sind interlaminare Scherfestigkeiten bis 60 Megapascal bei unter einem Prozent Porenanteil beschrieben, bei 50 Millimetern pro Sekunde auf einem beheizten Dorn sogar 85,5 Megapascal. Wer volle Kennwerte braucht, hängt einen Konsolidierungsschritt in Ofen oder Presse an – und gibt einen Teil des Zeitvorteils wieder ab.

Was in dieser Rechnung selten danebensteht, ist die Geschwindigkeit. In-situ konsolidierendes Tape-Legen arbeitet typischerweise bei 60 bis 100 Millimetern pro Sekunde, während duroplastische AFP-Anlagen rund einen Meter pro Sekunde erreichen – grob der Faktor zehn. Der Grund ist kein Maschinenproblem, sondern Werkstoffphysik: Duroplastisches Prepreg klebt schon bei Raumtemperatur, die Lage haftet ohne jede Wärmezufuhr. Thermoplastisches Tape muss an der Auflaufstelle aufgeschmolzen und kontrolliert wieder abgekühlt werden, und genau diese Wärmeführung begrenzt den Vorschub. Wer schnell legt und danach im Autoklav nachkonsolidiert, kommt auf 600 bis 700 Millimeter pro Sekunde – dann steht aber die zweite Station wieder da, die man sparen wollte. „Kein Ofen, kein Autoklav“ ist deshalb kein Zeitgewinn an sich, sondern eine Verschiebung: weniger Stationen, dafür ein langsamerer Legevorgang.

Schweißen statt Kleben

Weil die Matrix wieder aufschmilzt, entsteht eine stoffschlüssige Verbindung ohne Fremdstoff – anders als beim Kleben, das vollständig von Oberflächenvorbereitung und Klebstoffchemie abhängt. Vier Verfahren teilen sich das Feld:

• Widerstandsschweißen: Ein leitfähiges Heizelement bleibt in der Naht und erwärmt sie durch Stromfluss. Robust und für lange gerade Nähte geeignet, aber mit einem Fremdkörper in der Fuge.
• Induktionsschweißen: Ein Spulenkopf fährt die Naht ab, ein Wechselfeld erzeugt Wirbelströme. Bei Kohlenstoffgewebe genügt die Faser selbst als Wärmequelle, bei Glasfaser braucht es ein eingelegtes leitfähiges Element, den Susceptor.
• Ultraschallschweißen: Hochfrequente Schwingungen erzeugen Reibungswärme an gezielt aufgebrachten Energierichtungsgebern. Mit Schweißzeiten zwischen etwa 0,2 und 2 Sekunden das schnellste Verfahren, aber punkt- oder abschnittsweise.
• Wärmeleitungs- und Infrarotschweißen: Ein beheiztes Element oder ein Strahler bringt die Wärme von außen ein. Geometrisch flexibel, jedoch auf dünne Fügepartner begrenzt, weil die Wärme durch das Laminat hindurch muss.

Wie belastbar eine Naht wird, hängt stark von der Ausführung ab. Korycki und Kollegen erreichten 2022 im Zugscherversuch an CF/PEEK-Überlappungen maximal 28,6 N/mm² mit Ultraschall- und 17,6 N/mm² mit Induktionsschweißen – Bestwerte aus einer Parametervariation, keine Standardwerte. Serienreif ist die Technik längst: Die induktionsgeschweißten Höhen- und Seitenruder der Gulfstream G650 aus Carbon/PPS sind seit der Musterzulassung des Flugzeugs am 7. September 2012 im Einsatz; gegenüber dem Vorgängerentwurf in Carbon/Epoxid-Sandwichbauweise sparen sie nach Angaben von Fokker rund 20 Prozent Kosten und 10 Prozent Gewicht.

Umkehrbar ist eine geschweißte Naht ebenfalls, wenn man sie von vornherein darauf auslegt – allerdings um den Preis genau des Fremdkörpers in der Fuge, den das Schweißen sonst vermeidet. Frederick, Li und Palardy legten 2021 an der Louisiana State University einen 0,5 mm dicken Polypropylenfilm mit eingemischten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren in die Fuge, verschweißten darüber Überlappungsproben aus glasfaserverstärktem PP per Ultraschall und heizten die Zwischenlage später über Kupferanschlüsse mit 14 bis 20 Volt wieder auf. Untersucht wurden drei Filme mit 15, 20 und 25 Gewichtsprozent Nanoröhren; am leichtesten ließ sich die Naht beim Film mit 25 Gewichtsprozent und einer Oberflächentemperatur von 150 °C öffnen, gemessen auf dem Fügepartner im Mittelpunkt der Überlappung: Dort sank die zum Trennen nötige Schubspannung gegenüber Raumtemperatur um bis zu 94 Prozent, die aufgebrachte Zuglast lag unter 250 Newton. Die Autoren dämpfen die Erwartung allerdings selbst: Die Wärmeeinflusszone wuchs mit Nanoröhren-Anteil und Temperatur um bis zu 97 Prozent und reichte in den schärfsten Einstellungen durch die volle Dicke der Fügepartner; empfohlen wird deshalb der mildere Punkt von 130 °C bei 20 Gewichtsprozent, an dem sie unter 60 Prozent der Überlappungsfläche bleibt. Für eine Reparatur mit anschließendem Wiederverschweißen taugt das Verfahren damit kaum, wohl aber für das sortenreine Zerlegen am Lebensende – der Gedanke, den das Dossier zum Design for Disassembly weiterführt.

Kreislauf: was die Zahlen hergeben

Recycelbar heißt nicht verlustfrei. Beim mechanischen Weg wird Verschnitt oder Altteil zerkleinert und zu neuen Bauteilen verpresst; der Vorteil gegenüber duroplastischem Faserverbund liegt darin, dass Faser und Matrix zusammenbleiben und das Rezyklat wieder ein echtes Composite ergibt. Ein Abschlag gegenüber Neuware ist dabei unvermeidlich: Das Zerkleinern kürzt die Faserlängen, und die Matrix durchläuft bei jedem Aufschmelzen einen weiteren Temperaturzyklus. Die Einbußen nehmen mit jedem Durchlauf zu – das erlaubt eine Zweitverwendung in geringer belasteten Bauteilen, aber keine gleichwertige Rückführung in dieselbe Anwendung. Bei reaktiven Systemen führt der chemische Weg weiter: Für Elium-Laminate gibt Arkema an, über Thermolyse mehr als 75 Prozent des Monomers zurückzugewinnen.

Die zweite, oft unterschätzte Option ist die Wiederverwendung ganzer Bauteilabschnitte. Airbus, Daher, Tarmac Aerosave und Toray haben gezeigt, wie aus der Pylonverkleidung eines ausgemusterten A380 – dem Cowl über der Aufhängung zwischen Flügel und Triebwerk – ein kleineres Pylon-Paneel für den A320neo entsteht – ausführlich im Dossier zu den Thermoplast-Kreisläufen in der Luftfahrt. Wie sich das zu Pyrolyse, Solvolyse und Zementwerk-Verwertung duroplastischer Laminate verhält, ordnet der Überblick über die Recyclingverfahren für Faserverbund ein.

Kosten und Grenzen

Im Einkauf ist thermoplastisches Halbzeug teurer: UD-Tapes liegen je Kilogramm deutlich über vergleichbaren duroplastischen Tapes, weil Faser und Matrix bereits beim Halbzeughersteller unter Druck und Hitze zusammengeführt werden. Belastbare Listenpreise veröffentlichen die Anbieter nicht – belastbar ist die Richtung, nicht ein Faktor. Dagegen stehen Einsparungen, die auf der Materialrechnung nicht auftauchen – keine Kühlkette, keine verfallenden Chargen, kein Autoklav, kein Klebstoff, keine Nietbilder und Taktzeiten, die eine Presse pro Stunde zweistellig auslasten. Die Rechnung geht deshalb erst über die Stückzahl auf; unterhalb einiger tausend Teile pro Jahr bleibt der duroplastische Weg meist der günstigere. Und mehrere Grenzen sind grundsätzlicher Natur:

• Schmelzeviskosität: Handlaminieren und klassische Infusion scheiden aus. Getränkt wird beim Halbzeughersteller oder unter Werkzeugdruck – Ausnahme sind reaktive Flüssigsysteme.
• Konsolidierungsdruck und Werkzeugtemperatur: Ohne ausreichenden Flächendruck bleiben Poren zwischen den Lagen. Werkzeuge müssen temperierbar, druckfest und bei Prozesstemperaturen bis 400 °C – der Obergrenze des PEEK-Verarbeitungsfensters – noch maßhaltig sein.
• Kristallisation und Eigenspannungen: Abkühlrate und Werkzeugtemperatur bestimmen Kristallisationsgrad, Verzug und Restspannungen – bei dicken Laminaten eine eigene Auslegungsaufgabe.
• Feuchte bei Polyamid: PA6 nimmt im Normklima etwa 2,7 bis 3,1 Prozent Wasser auf, im Sättigungszustand rund 9 bis 10 Prozent; im Laminat entsprechend weniger, da nur die Matrix betroffen ist. Wasser wirkt als Weichmacher – die Schlagzähigkeit steigt, Steifigkeit und Maßhaltigkeit sinken.
• Einsatztemperatur: Maßgeblich ist nicht der Schmelzpunkt, sondern der Glasübergang. PPS schmilzt erst bei 280 °C, seine Glasübergangstemperatur liegt aber bei 90 °C – oberhalb davon fällt alles ab, was die Matrix trägt: Schub- und Quersteifigkeit.
• Tieftemperatur: Weit unterhalb des Glasübergangs versprödet die Matrix, und weil Faser und Matrix unterschiedlich stark schrumpfen, wächst mit jedem Abkühlzyklus die Eigenspannung. Grogan und Kollegen wiesen 2014 in Composites Part A an kryogen gezykelten CF/PEEK-Laminaten Mikrorisse und Delaminationen nach, die mit der Laminatdicke deutlich zunahmen; das niederländische Luft- und Raumfahrtzentrum NLR legt seinen Tank für flüssigen Wasserstoff bei 20 Kelvin deshalb ausdrücklich auf mikrorissbeständige Werkstoffe mit ausreichend geringer Wasserstoffdurchlässigkeit aus.
• Bauteilgröße: Der Zuschnitt muss ins Presswerkzeug passen und darf beim Transfer nicht auskühlen. Für sehr große Strukturen bleiben Tape-Legen mit Nachkonsolidierung oder reaktive Systeme.
• Reparatur: Schweißbar heißt nicht überall reparierbar. Nötig sind Zugang von mindestens einer Seite und eine kontrollierte Temperaturführung; eine Handlaminat-Reparatur wie beim Duroplast gibt es nicht.