Beitragsbild: mit KI erstellt (Symbolbild)
Composite-Materialien – im technischen Fachdeutsch korrekt als Verbundwerkstoffe oder Kompositwerkstoffe bezeichnet – sind Werkstoffe aus mindestens zwei fest miteinander verbundenen, chemisch aber nicht ineinander gelösten Grundstoffen. Mindestens eine Komponente bildet dabei eine durchgehende Matrix, in die eine zweite Komponente eingebettet ist. In der Verpackungsbranche wird der Begriff oft für die mehrschichtigen Materialverbunde aus Karton, Kunststoff und Aluminium verwendet, wie sie bei Faltschachteln, Beuteln oder Getränkekartons zum Einsatz kommen – dieser packungsspezifische Materialverbund ist Thema des separaten Beitrags Verbundmaterial in der Verpackung. Dieser Beitrag befasst sich dagegen mit Composite-Materialien im engeren werkstoffkundlichen Sinn: technischen Faser-, Teilchen-, Schicht- und Durchdringungsverbundwerkstoffen, wie sie als Konstruktionswerkstoff in Verpackungsanlagen, Ladungsträgern und Schutzverpackungen eingesetzt werden.
Was ist ein Verbundwerkstoff?
Nach werkstoffkundlicher Definition ist ein Verbundwerkstoff ein Gemisch aus zwei oder mehr sortenreinen Grundstoffen, von denen mindestens einer eine kontinuierliche Phase bildet. Die Komponenten sind fest miteinander verbunden, aber nicht ineinander gelöst – im Unterschied etwa zu einer Legierung. Eine ausführliche werkstoffkundliche Einordnung mit den gängigen Klassifikationskriterien liefert der Wikipedia-Beitrag zu Verbundwerkstoffen. International und zunehmend auch im deutschen Sprachgebrauch hat sich daneben der englische Begriff Composite etabliert; er wird in diesem Beitrag synonym zu Verbundwerkstoff verwendet, der deutsche Fachbegriff bleibt jedoch die korrekte Bezeichnung.
Die vier Grundtypen von Verbundwerkstoffen
Nach Aufbau und Anordnung der Phasen unterscheidet die Werkstoffkunde vier Grundtypen, die sich auch in der Verpackungs- und Anlagentechnik wiederfinden.
Teilchenverbundwerkstoffe
Bei Teilchenverbundwerkstoffen sind feste Partikel in eine Matrix eingebettet. Ein bekanntes technisches Beispiel ist Hartmetall: Harte Wolframcarbid-Körner werden von einer weicheren Kobalt-Bindephase zusammengehalten. Der Kobaltanteil liegt je nach Sorte zwischen 4 und 30 Prozent der Gesamtmasse, bei den für die Zerspanung gebräuchlichen Sorten meist bis 12 Prozent; den Rest bilden die harten Wolframcarbid-Partikel. Hartmetall kommt unter anderem in Schneid- und Stanzwerkzeugen zum Einsatz, etwa an Stanzstationen von Verpackungsmaschinen, sowie als Verschleißschutz an mechanisch stark beanspruchten Bauteilen.
Faserverbundwerkstoffe
Faserverbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix mit eingebetteten Verstärkungsfasern. Zwischen Faser und Matrix bildet sich eine dritte, verbindende Grenzschicht. Je nach Faserlänge unterscheidet man Kurz-, Lang- und Endlosfasern; als Fasermaterial kommen vor allem Glas-, Kohlenstoff- (Carbon) und Aramidfasern zum Einsatz. Die Fasern selbst sind nur wenige Mikrometer dünn und entfalten ihre hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit vor allem in Faserrichtung – die Matrix übernimmt Formgebung und Lastverteilung zwischen den Fasern.
Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) unterscheiden sich in ihren Kennwerten deutlich, wie die folgende Übersicht für quasiisotrope Laminate – also Laminate mit annähernd gleicher Festigkeit in alle Richtungen – zeigt:
| Kennwert | GFK-Laminat | CFK-Laminat |
|---|---|---|
| Dichte | 2,1 g/cm³ | 1,5 g/cm³ |
| Zugfestigkeit | 720 MPa | 900 MPa |
| E-Modul | 30.000 MPa | 88.000 MPa |
CFK-Laminate sind damit bei gleicher Bauteildicke deutlich leichter und steifer als GFK-Laminate, dafür in der Herstellung spürbar teurer – GFK bleibt daher für viele technische Bauteile in der Verpackungs- und Anlagentechnik die wirtschaftlichere Wahl. Für die Entwicklung solcher Faserverbund-Halbzeuge – von Prepregs über Organobleche bis zu Verbundwerkstoff-Platten – bieten spezialisierte Hersteller wie Ensinger individuelle Composite-Entwicklung und Prototyping an, bei denen Matrixmaterial, Fasertyp und Lagenaufbau auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden.
Schichtverbundwerkstoffe
Schichtverbundwerkstoffe – auch Laminate genannt – bestehen aus klar unterscheidbaren, übereinanderliegenden Schichten, von denen jede eine eigene Funktion übernimmt. Klassische Beispiele sind Sperrholz aus verleimten Furnierlagen sowie die Sandwichplatte mit Wabenkern: zwei tragende Deckschichten – aus Pappe, Kunststoff, Faserverbund oder Metallblech – umschließen einen leichten, wabenförmigen Stützkern aus Papier, Polypropylen, Polycarbonat, Aramidpapier oder Aluminium. Nach dem Prinzip des Doppel-T-Trägers übernehmen die Deckschichten die Biegesteifigkeit, der Kern die Schubsteifigkeit. Papierbasierte Wabenplatten lassen sich dabei mit mehr als 50 Tonnen pro Quadratmeter belasten – bei einem Bruchteil des Gewichts einer vergleichbaren Massivholzplatte. In der Verpackungs- und Logistiktechnik dienen solche Sandwichkonstruktionen als Palettenzwischenlagen, als Wände von Mehrwegkisten und Palettenboxen sowie als leichte, formstabile Regalböden.
Durchdringungsverbundwerkstoffe
Bei Durchdringungsverbundwerkstoffen bilden zwei Komponenten einen gefügeähnlichen, ineinander verschlungenen Verbund: Ein offenporiges Trägergerüst aus einem höher schmelzenden Metall wird mit einem niedriger schmelzenden Metall getränkt beziehungsweise durchsetzt. Der klassische technische Anwendungsfall ist ein poröses Wolframgerüst, das mit Kupfer oder Silber infiltriert wird – solche Werkstoffe dienen als Kontaktmaterial in elektrischen Schaltgeräten, weil sie hohe elektrische Leitfähigkeit mit Abbrandfestigkeit verbinden. Verwandte poröse Verbundstrukturen kommen außerdem in der Filtrationstechnik zum Einsatz.
Composite-Materialien in Verpackungstechnik und Logistik
Anders als die mehrschichtigen Packstoffverbunde aus Karton, Folie und Aluminium tauchen technische Composites vor allem als Konstruktionswerkstoff rund um die Verpackung auf. Faserverstärkte Kunststoffbauteile finden sich als leichte, korrosionsbeständige Gehäuse- und Verkleidungsteile an Verpackungs- und Abfüllanlagen, Hartmetallschneiden sitzen in Stanz- und Schneidwerkzeugen von Verpackungsmaschinen, und Sandwichplatten mit Wabenkern dienen als Palettenzwischenlagen, Kistenwände oder Trennstege in Mehrwegbehältern. Ein zusammenfassender Überblick über Aufbau, Vorteile und Herausforderungen von Composites findet sich auch bei kem.industrie.de. Gemeinsamer Vorteil dieser Bauteile ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Wo Metall zu schwer oder Kunststoff allein zu weich wäre, liefert der Composite-Werkstoff die passende Kombination.
Recyclingfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen
Während für Packstoffverbunde inzwischen etablierte Recyclingcodes und Sortierverfahren existieren – Details dazu im Beitrag Verbundmaterial in der Verpackung –, steckt das Recycling technischer Faserverbundwerkstoffe noch in einer frühen Phase. Glasfaserverstärkte Bauteile landen bislang überwiegend in der thermischen Verwertung, etwa als Ersatzbrennstoff in Zementwerken, oder auf der Deponie, statt in einen echten Stoffkreislauf zurückzufließen. Mechanisches Schreddern zerkleinert die Fasern dabei so stark, dass sie sich anschließend nicht mehr in hochwertigen Bauteilen weiterverwenden lassen; chemische Verfahren wie Pyrolyse oder Hydrolyse können die Fasern zwar schonender freilegen, sind aber energieintensiv. Allein aus mittlerweile ausgemusterten Windenergieanlagen fallen in Deutschland Schätzungen zufolge jährlich rund 25.000 bis 60.000 Tonnen GFK-Abfall an.
Gleichzeitig wächst der Bedarf an frischer Kohlenstofffaser weiter: 2024 lag die weltweite Nachfrage bei rund 126.500 Tonnen, mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von etwa 10 Prozent seit 2010. Der Druck, tragfähige Recyclingverfahren für Faserverbundwerkstoffe zu etablieren, dürfte damit weiter zunehmen – auch für technische Composite-Bauteile in der Verpackungs- und Logistikbranche selbst. Sortenreine Kunststoffe lassen sich beim Recycling demgegenüber deutlich einfacher in den Stoffkreislauf zurückführen als faserverstärkte Verbundbauteile.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Composite-Materialien und woraus bestehen sie?
Composite-Materialien, korrekt Verbundwerkstoffe, bestehen aus mindestens zwei fest miteinander verbundenen, aber chemisch nicht ineinander gelösten Grundstoffen. Mindestens eine Komponente bildet eine durchgehende Matrix, in die eine zweite Komponente – Partikel, Fasern, Schichten oder ein poröses Gerüst – eingebettet ist.
Was unterscheidet Composite-Materialien von Verbundmaterial in der Verpackung?
Verbundmaterial im engeren Sinn der Verpackungsbranche bezeichnet mehrschichtige Packstoffverbunde aus Karton, Kunststoff und Aluminium, etwa bei Getränkekartons oder Beuteln. Composite-Materialien im hier behandelten Sinn sind dagegen technische Faser-, Teilchen-, Schicht- oder Durchdringungsverbundwerkstoffe, die als Konstruktionswerkstoff in Anlagen, Werkzeugen und Ladungsträgern eingesetzt werden.
Welche Verbundwerkstofftypen gibt es?
Die Werkstoffkunde unterscheidet vier Grundtypen: Teilchenverbund (z. B. Hartmetall), Faserverbund (z. B. GFK, CFK), Schichtverbund (z. B. Sandwichplatte mit Wabenkern) und Durchdringungsverbund (z. B. metallinfiltrierte poröse Gerüste für Schaltkontakte).
Wo werden Composite-Materialien in der Verpackungstechnik eingesetzt?
Vor allem als Konstruktionswerkstoff rund um die Verpackung: faserverstärkte Gehäuse- und Verkleidungsteile an Verpackungsmaschinen, Hartmetallschneiden in Stanzwerkzeugen sowie Sandwichplatten mit Wabenkern als Palettenzwischenlagen und Kistenwände in Mehrwegsystemen.
Warum ist das Recycling von Verbundwerkstoffen schwierig?
Weil die verstärkenden Fasern und die umgebende Matrix fest miteinander verbunden sind, lassen sie sich nur mit hohem Aufwand wieder trennen. Mechanisches Schreddern schädigt die Fasern, chemische Trennverfahren sind energieintensiv – etablierte Kreislaufverfahren fehlen bislang weitgehend, weshalb ein Großteil der Altteile heute thermisch verwertet oder deponiert wird.