Nachhaltigkeit beginnt beim Faserlayout
Tailored Fiber Placement (TFP) senkt den Materialverschnitt in der Composite-Fertigung von üblicherweise rund 30 Prozent auf unter 2 Prozent. Das entspricht einer Reduktion von rund 95 Prozent gegenüber konventionellen Verfahren. Weniger Verschnitt bedeutet weniger Rohstoffverbrauch, weniger Abfall und tiefere Kosten, ohne Abstriche bei der Bauteilperformance.
Nachhaltigkeit gewinnt in der Composite-Industrie stetig an Bedeutung, und Materialkosten sind ein wesentlicher Kostenfaktor. Bei BIONTEC entscheidet sich beides bereits bei der Frage, wie die Fasern abgelegt werden. Genau hier setzt das Engineering an und macht Materialeffizienz zum Ausgangspunkt jedes Bauteils.
Das Problem klassischer Composite-Verfahren
Konventionelle Verfahren erzeugen Verschnitt bereits durch ihr Grundprinzip. Faserhalbzeuge werden aus Geweben zugeschnitten, und genau dabei entsteht Abfall. Je komplexer die Kontur, desto mehr Material bleibt am Ende ungenutzt.
Besonders schwer wiegt das bei carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), denn Carbonfasern sind teuer. Jedes ungenutzte Gramm belastet die Wirtschaftlichkeit und die Ökobilanz eines Bauteils gleichermassen. Der Verschnitt lässt sich zudem meist nicht wiederverwenden und muss aufwendig entsorgt werden.
Die zentralen Nachteile konventioneller Composite-Verfahren:
- Zuschnitt aus Geweben: Fasern werden entlang der Schnittkanten durchtrennt
- Hoher Verschnitt bei komplexen Konturen: Geometrisch anspruchsvolle Bauteile erzeugen viel Rest
- Kaum wiederverwendbar: Der Verschnitt lässt sich in der Regel nicht erneut einsetzen
- Hohe Materialkosten: Gerade bei Carbonfasern landet wertvolles Material im Abfall
- Zusätzlicher Aufwand: Abfall verursacht Entsorgungskosten und zusätzliche Emissionen
Wie TFP den Verschnitt auf unter 2 Prozent senkt
TFP dreht das Prinzip um. Statt Fasern aus einem Gewebe herauszuschneiden, legt das Verfahren sie gezielt dort ab, wo sie gebraucht werden. Tailored Fiber Placement ist ein automatisierter Stickprozess, bei dem technische Fasern wie Carbon oder Glasfasern mit einer industriellen Stickmaschine präzise auf ein Trägermaterial gestickt werden, und zwar computergesteuert entlang der berechneten Lastpfade.
Diese lastpfadoptimierte Faserablage sorgt dafür, dass Material nur dort liegt, wo es strukturell wirkt. Gerade bei komplexen Geometrien zahlt sich das aus. Wo konventionelle Verfahren viel Rest erzeugen, arbeitet TFP nahezu verlustfrei. Der Materialverschnitt sinkt von üblicherweise rund 30 Prozent auf unter 2 Prozent, was einer Reduktion von rund 95 Prozent entspricht.
Grundlage dafür ist eine präzise Vorarbeit. Die Lastpfade werden per FEM-Analyse berechnet und nach bionischen Prinzipien in Faserverläufe übersetzt, bevor die Stickmaschine sie computergesteuert umsetzt. Da sich dabei mehrere Ablagen parallel fertigen lassen, bleibt die hohe Materialeffizienz auch in der Serie erhalten und wird reproduzierbar.
Der Unterschied zwischen beiden Ansätzen zeigt sich in mehreren Dimensionen:
Weniger Verschnitt, stärkere Bauteile
Die Materialeffizienz von TFP hat eine zweite, oft unterschätzte Seite. Weil die Fasern nicht zugeschnitten, sondern als Endlosfasern abgelegt werden, bleibt ihre Tragfähigkeit vollständig erhalten. Bei konventionellen Verfahren durchtrennt jeder Schnitt die Fasern, und genau an diesen Stellen verliert das Laminat an Festigkeit. Besonders kritisch ist das an Löchern und Ausschnitten, wo klassisch gefertigte Bauteile geschwächt werden.
Mit Tailored Fiber Placement wird gezielt um Löcher und Krafteinleitungen herumgestickt, sodass die Faserarchitektur dem tatsächlichen Kraftverlauf folgt. So entstehen Bauteile, die gerade an den höchstbelasteten Stellen stärker sind als vergleichbare Laminate aus zugeschnittenem Gewebe. Materialeinsparung und Bauteilfestigkeit sind bei TFP kein Widerspruch, sondern zwei Seiten desselben Prinzips.
Hinzu kommt ein weiterer Effekt der durchgehenden Faserführung. Endlosfasern übertragen Lasten über die gesamte Bauteillänge ohne Unterbrechung, während bei zugeschnittenen oder kurzen Fasern an jedem Faserende ein Kraftabbruch entsteht. Weniger Schnitte bedeuten deshalb nicht nur weniger Abfall, sondern auch eine gleichmässigere Kraftübertragung im Bauteil.
Nachhaltigkeitsvorteile
Weniger Verschnitt wirkt sich direkt auf die Ökobilanz aus. Wenn deutlich weniger Material im Abfall landet, sinkt der Ressourcenverbrauch über die gesamte Produktion. Nachhaltigkeit entsteht so nicht am Ende der Fertigung, sondern bereits im Faserlayout. Die zentralen Vorteile sind:
- Weniger Rohstoffverbrauch: Geringerer Materialeinsatz und weniger Ausschuss
- Weniger CO2: Reduzierter Materialeinsatz senkt die Emissionen
- Weniger Produktionsabfälle: Nahezu verlustfreie Fertigung
- Ressourceneffizienz: Schonung wertvoller Carbonfasern
- Beitrag zu ESG-Zielen: Messbare Nachhaltigkeit direkt in der Fertigung
Dabei gilt ein einfacher Grundsatz: Die nachhaltigste Faser ist die, die gar nicht erst verschwendet wird. Deshalb setzen wir Material gezielt dort ein, wo es Lasten trägt, statt dort, wo es später als Verschnitt endet.
Der Effizienzgedanke setzt sich über den gesamten Lebenszyklus fort. In Kombination mit thermoplastischen Matrixsystemen und der Konsolidierung im Hot Compression Molding (HCM) lassen sich recycelbare Composite-Strukturen realisieren. Thermoplaste können aufgeschmolzen und wiederverwendet werden. Bei duroplastischen Systemen ist das Recycling hingegen anspruchsvoller, da Matrix und Fasern dauerhaft und eng miteinander verbunden sind.
Wirtschaftliche Vorteile
Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit gehen bei TFP Hand in Hand. Da Materialkosten einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, senkt jede eingesparte Faser die Bauteilkosten direkt. Der ökologische Vorteil ist damit zugleich ein betriebswirtschaftlicher. Die zentralen Vorteile sind:
- Niedrigere Materialkosten: Weniger Einsatz von teurem Fasermaterial
- Weniger Entsorgungskosten: Kaum Abfall, der entsorgt werden muss
- Höhere Materialausnutzung: Nahezu das gesamte Material fliesst ins Bauteil
- Design-to-Cost: Materialeffizienz wird bereits in der Auslegung mitgedacht
- Besonders relevant bei Carbonfasern: Hier wirkt sich jede Einsparung am stärksten aus
Die gewonnene Effizienz bleibt über die gesamte Prozesskette erhalten. Die lastpfadgerechten TFP-Preforms werden anschliessend im Resin Transfer Molding (RTM) konsolidiert, einem geschlossenen Verfahren mit reproduzierbarer Qualität und minimalem Hilfsmaterialeinsatz.
Technische Vorteile ohne Kompromisse
Der wichtigste Punkt betrifft die Performance. Materialeffizienz geht bei TFP nicht auf deren Kosten. Weil die Fasern exakt entlang der Lastpfade liegen, wird Material nur dort eingesetzt, wo es strukturell notwendig ist. Das erhöht die Bauteileffizienz und senkt gleichzeitig das Gewicht. Die technischen Vorteile sind:
- Gezielter Materialeinsatz: Fasern nur dort, wo sie Last aufnehmen
- Höhere Bauteileffizienz: Optimiertes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
- Geringeres Bauteilgewicht: Kein überflüssiges Material im Laminat
- Kein Zielkonflikt: Nachhaltigkeit und Performance schliessen sich nicht aus
Materialeffizienz endet zudem nicht beim einzelnen Bauteil. Dank Funktionsintegration lassen sich mehrere Komponenten zu einem einzigen Bauteil zusammenfassen. Rippen, Verstärkungen und Anschlussbereiche werden direkt in die Faserarchitektur eingearbeitet, wodurch Fügestellen und Einzelteile entfallen. Das reduziert nicht nur den Montageaufwand, sondern auch den gesamten Materialeinsatz einer Baugruppe.
So entstehen faserverstärkte Kunststoffe (FVK), die leichter, effizienter und nachhaltiger sind, ohne dass mechanische Anforderungen zurückstehen müssen.
Wo Materialeffizienz den grössten Unterschied macht
Der Effekt von TFP fällt dort am stärksten ins Gewicht, wo teure Fasern, hohe Stückzahlen oder anspruchsvolle Geometrien zusammenkommen. In solchen Anwendungen summiert sich jede eingesparte Faser über die Serie zu einem spürbaren wirtschaftlichen und ökologischen Vorteil.
- Luft- und Raumfahrt: Gewichtskritische Strukturen, bei denen Materialwert und Effizienz gleichermassen zählen
- Medizintechnik: Präzisionsbauteile mit hohen Anforderungen bei kleinen bis mittleren Serien
- Maschinenbau und Robotik: Hochdynamische Komponenten, bei denen jedes Gramm die Performance beeinflusst
- Sport und Mobilität: Leichtbaustrukturen, bei denen Materialkosten direkt in die Kalkulation einfliessen
Je höher der Materialwert und je grösser die Serie, desto deutlicher wird der Vorteil einer nahezu verlustfreien Fertigung.
Fazit: Effizienz, die sich doppelt auszahlt
Der Verzicht auf Verschnitt ist kein Nebeneffekt, sondern das Ergebnis eines bewussten Fertigungsprinzips. Mit Tailored Fiber Placement senkt BIONTEC den Materialverschnitt auf unter 2 Prozent und verbindet ökologische mit wirtschaftlichen Vorteilen, bei voller Bauteilperformance. Nachhaltigkeit beginnt dabei bereits beim Faserlayout.
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