Köpfe der Leichtbauwelt: Markus Milwich

In der Serie „Köpfe der Leichtbauwelt“ geben wir dem Leichtbau ein Gesicht und stellen auf Leichtbauwelt in loser Folge Menschen vor, die an Schlüsselpositionen in unterschiedlichen Branchen und Funktionen im Leichtbau tätig sind.

Prof. Dr.-Ing. Markus Milwich ist stellvertretender Leiter des Kompetenzzentrums Polymere und Faserverbunde bei den DITF und dort Teamleiter Verfahrenstechnik. Seit über 30 Jahren forscht er zu den Themen Faserverbund – und bionischer Leichtbau. Denn kennenlernen durfte ich Prof. Milwich ursprünglich nicht im Kontext faserverstärkter Werkstoffe, sondern auf einem Bionik-Kongress in Mannheim, dessen 5. Ausgabe für den 08. und 09. Mai 2023 geplant ist.

Bild oben: Markus Milwich (Quelle: DITF)

Leichtbauwelt: Leichtbau ist eine Denkweise, die unstrittig zu einer verbesserten Nachhaltigkeit der Produkte führt. Aber Leichtbau hat auch den Ruf, zusätzliche Kosten zu verursachen. Stimmt das?

Markus Milwich: Das Energieeinsparungspotential der Leichtbauweise in der Produktentstehung, der Nutzung und beim Recycling ist längst nachgewiesen. Es bringt aber zumeist keinen sofortigen finanziellen Vorteil für die Hersteller, sondern kann vor allem erst durch mittel- bis langfristige Verfolgung des Produktzyklus nachgewiesen werden.

Leichtbauwelt: Wie könnte man hier Anreize setzen?

Markus Milwich: Die produzierenden Firmen sollten in irgendeiner Form auch an den „späteren“ Kostenvorteilen teilhaben können. Die wirtschaftlichen Aspekte der Lebenszyklusanalyse (LCA) müssen dazu noch stärker in den Blick genommen werden und es müssen belastbare Daten gesammelt und zur Verfügung gestellt werden. Das ist allerdings ein komplexes Feld, denn Leichtbau liefert zumeist Speziallösungen, die nicht ohne Weiteres auf andere Probleme übertragen werden können.

Leichtbauwelt: Welche Rahmenbedingungen müsste die Politik verbessern?

Markus Milwich: Dr. Loscheider hat mit dem Technologie Transfer Programm des BMWK die genau richtigen Impulse gesetzt, um den Leichtbau mit der LCA zu verbinden und noch bessere Argumente für den Leichtbau zu erzeugen.
Aber auch langfristige Energieeinsparungen im Lebenszyklus eines Bauteils sollten stärker belohnt werden. In diesem Sinne geht der Spritpreis derzeit in die richtige Richtung.

Leichtbauwelt: Nehmen auch Sie wahr, dass gemessen an den Herausforderungen zu wenige Unternehmen den Einstieg in Leichtbau-Technologien oder die Entwicklung von Leichtbau-Produkten wagen?

Markus Milwich: Ja, das ist so. Langfristige Strategien treten noch zu oft hinter kurzfristigen Gewinnen zurück. Leichtbau macht sich derzeit zwar teilweise auch schon bei der Herstellung kostendämpfend, oft aber erst bei der Nutzung wirklich positiv bemerkbar. Das muss eine LCA zeigen, die jeder verstehen kann. Im Bauwesen zeigen sich erste Hoffnungsschimmer, nur leider kennen noch zu wenig Ingenieure und Architekten die neuen leichten und umweltschonenden Werkstoffe, die eine Nachverdichtung erst ermöglichen werden. Außerdem sind gerade im Bauwesen die aktuellen Konstruktionsweisen noch nicht in technischen Regelwerken abgebildert und noch weniger von rechtlichen Rahmenbedingungen erfasst. Hier gibt es viel Potenzial für Faserverbundkonstruktionen für Tragwerksstrukturen durch Baunormen zu regulieren, so dass aufwendige und daher teure individuelle Zulassungen unnötig werden.

„Die wirtschaftlichen Aspekte der Lebenszyklusanalyen müssen stärker in den Blick genommen werden.“

Leichtbauwelt: Haben Sie Vorschläge, wie man diese Hindernisse beseitigen könnte?

Markus Milwich: In unserem BMWK-Verbundprojekt haben wir im Team mit AMC, CSI, BMW-M und weiteren Partnern eine nachhaltige Leichtbau-Mittelkonsole (Namiko-Smart) für den BMW M4 aus biobasierten Cellulose-Fasern entwickelt, welche in einen Nachhaltigkeitsträgerfahrzeug eingebaut werden soll. Solche Beispiele braucht es aber immer zusammen mit einer belastbaren LCA. Die LCA wurde im Projekt von der Firma AMC entwickelt. Auch andere Auto-Bauteile aus Naturfasern am BMW oder auch am Porsche Cayman GT4 Clubsport sehen richtig Klasse aus.

Leichtbauwelt: In welcher Branche entfaltet Ihrer Ansicht nach Leichtbau den größten Nutzen hinsichtlich Klimaschutz und Ressourceneffizienz?

Markus Milwich: Das Transportwesen hat den größten Nutzen, allerdings ist die Bauindustrie derzeit ebenfalls im Fokus. Dort geht es vor allen Dingen um den Energieverbrauch und das Reduzieren des CO₂-Ausstoss in der Zementwirtschaft, aber auch um faktisch zwingenden Leichtbau in der städtischen Nachverdichtung bei der Aufstockung von Gebäuden.

Hintergrundinfo
Diese Themen werden gegenwärtig in dem DFG-geförderten Cluster of Excellence Integrative Computational Design and Construction for Architecture (intCDC) an der Universität Stuttgart untersucht. Hier sind die DITF als Forschungspartner assoziiert. Der Ansatz ist, durch eine durchgehende Digitalisierung von Prozessen und Materialien die Art und Weise, wie wir heute bauen, von Grund auf neu zu denken.

So kommen sehr leichte kernlos gewickelte Faserverbundtragwerke zum Einsatz oder hochpräziere automatisiert gefertigte Holz-Kassetten. Zudem wird in einem Teilprojekt die innere Struktur von Betonbauteilen durch neue Verfahren masseoptimiert. Aber Leichtbau ist nicht nur die Optimierung von Geometire, Material und Funktion zum Zwecke des Klimaschutz; durch Leichtbau ergebenen sich auch technische Möglichkeiten, die vorher nicht zugänglich waren.

Leichtbauwelt: Sie befassen sich in vielen Projekten mit dem bionischen Leichtbau. Welches dieser Projekte hat aktuell die größte Praxisrelevanz für eine industrielle Umsetzung?

Markus Milwich:  Derzeit laufen bei uns verschiedene Projekte im Bereich Bionik. Ich denke, dass die Verbindung von lastpfadgerechtem Verlauf von – biobasierten – Towpregs oder Rovings in Verbindung mit Endlosfaser-3D-gedruckten Verbindern und Roving-Umlenkpunkten die schnellste Umsetzung erfahren wird. Bisher war das Verwenden biobasierter Materialien in der Bionik von eher untergeordneter Bedeutung. Bionik ist nicht per se nachhaltig oder umweltfreundlich. Aber die Diskussion über den vermehrten Einsatz biobasierter Materialien in der gesamten Bandbreite des Leichtbaus wird auch die Bionik erreichen und damit zu „doppelter“ Nachhaltigkeit führen.

Leichtbauwelt: Seit über 30 Jahren forschen Sie bereits in diesen Themenfeldern. Gab es in dieser langen Zeit Erkenntnisse, die Sie besonders erstaunten, Momente mit denen Sie nicht rechneten?

Markus Milwich: Der Aufbau der Schachtelhalme als eine vielfach optimierte Sandwich-Leichtbaustruktur war mein Schlüsselerlebnis und Beginn meiner Bionik-Forschungsarbeiten. Auch der Hart-Weich-Aufbau von Perlmutt mit seinen davor nicht „denkbaren“ Eigenschaften und die Topologieoptimierung des Planktons mit einem Fachwerkbau auf drei hierarchischen Ebenen sind meine persönlichen Aha-Erlebnisse.

Leichtbauwelt: Lassen sich die Erkenntnisse aus der bionischen Produktentwicklung in jeder Branche in konkrete Produkte umsetzen? Zum Beispiel im Bauwesen oder im Maschinenbau?

Markus Milwich: Ja, die Topologieoptimierung ist in jeder Branche nutzbar. Die Gestaltfindungsregeln von Claus Mattheck sind universell. Allerdings ist Topologieoptimierung nur der Anfang des bionischen Gestaltens. Für mich ist noch zu wenig bekannt, dass sich erst mit den richtigen Fasern am richtigen Ort in der richtigen Menge mit der richtigen Faser-Matrix-Haftung und eingelegt in der richtigen Richtung in einer genau dazu passenden Matrix bionische Bauteile erzeugen lassen. Nur 3D-Druck genügt also nicht. Wir arbeiten daher seit Jahren mit endlosfaserverstärktem 3D-Druck, auch mit biobasierten Materialien mit Lösungsprozessen in der Matrixhärtung. Die stetig wachsende Maschinengröße und Austragsleistung von Endlosfaser-3D-Drucker wird Konstruktion ermöglichen, an die man bisher nicht zu denken wagte, beispielsweise für die Automobilindustrie.

Leichtbauwelt: Bionik und Leichtbau gehen häufig Hand in Hand. Steht bei der bionischen Produktentwicklung immer eine Gewichtsreduktion im Vordergrund? Oder „entsteht“ Leichtbau einfach durch den bionischen Ansatz?

Markus Milwich: Die Gewichtsreduktion, das heißt auch die Material- und Energiereduktion durch Topologieoptimierung ist immer gut, andererseits muss heutzutage auch immer die Lebenszyklusanalyse begleitend komplett durchgerechnet werden. Da können sich schon mal andere Schwerpunkte ergeben. Bionik ist für mich vor allem auch unter dem Stichpunkt  „Funktionsintegration“ zu sehen. Derzeit arbeiten wir beispielsweise in einem Baden-Württemberg Projekt Elektrolysemembran mit, wo genau diese Funktionsintegration sichtbar wird.

Leichtbauwelt: Was nützt die bionische Produktentwicklung im Leichtbau der Industrie konkret?

Markus Milwich: Durch Topologieoptimierung kann im Herstellprozess an zwei wichtigen Stellschrauben gespart werden: Es werden Material und Energie eingespart. Beides sorgt dafür, dass in vielerlei Hinsicht Geld gespart werden kann.

„Bionik ist für mich vor allem Funktionsintegration – und damit nicht immer per se Leichtbau oder nachhaltig.“

Leichtbauwelt: Können Sie diesen Nutzen auch in Daten oder Zahlen fassen?

Markus Milwich: Bezogen auf die Topologieoptimerung ist das möglich, denn inzwischen gibt es über ein Dutzend Berechnungsprogramme, mit denen sich die Topologie eines Bauteils optimieren lässt. In jedem Auto sind heute topologieoptimierte Bauteile zu finden. Lotus-Effekt und auch Nanostrukturierung sind weitere kommerzielle Beispiele für bionische Produktentwicklungen mit direktem Nutzen.

Leichtbauwelt: Welche Bedeutung hat für Sie die Nachhaltigkeit der eingesetzten Materialien?

Markus Milwich: Bionik und Bioökonomie gehören für mich zusammen. Das Erzeugen der Materialien durch lösungsbasierte Prozesse bei Umgebungstemperatur in der Natur und vollständiger Abbau der Werkstoffe – selbst von natürlichen Glasfasern – sind Kreislaufwirtschaft par excellence.

„Die Bioökonomie ist unser Ziel und größte Herausforderung.“

Leichtbauwelt: Sie sprechen von „natürlichen Glasfasern“. Industriell hergestellte Carbonfasern oder Glasfasern haben nun nicht gerade den besten Ruf in Bezug auf Nachhaltigkeit und ihren CO₂-Footprint. Welche Alternativen wird es in den nächsten Jahren geben – und werden diese flächendeckend verfügbar sein?

Markus Milwich: Dabei gibt es allerdings schon einen großen Unterschied zwischen Carbonfasern und Glasfasern. Das LCA von Glas und vor allem Basalt ist deutlich niedriger als von Carbon.

Die DITF können den LCA-Wert von Carbon aber wesentlich senken, indem wir neue Prozesstechniken entwickelt haben (Stichwort Teil-Vakuum-Ofen) und die Carbonfasern aus Cellulose, Lignin und sogar aus Chitin herstellen.
Andererseits können wir nicht alle Werkstoffe im Kreislauf halten, auch wenn es Schätzungen gibt, dass noch 80 Prozent des bisher erzeugten Stahls in Umlauf sind. Bei nachwachsenden Rohstoffen müssen wir die Nutzung der Jahrespflanzen stärken, bei welchen neben der Verwendung der Samen oder Dolden (Flachs: Leinöl; Hanf: CBD, THC; Hopfen: Bier) auch die Stängel genutzt werden, die nicht in der Nahrungsmittelkonkurrenz stehen. Wir haben beispielsweise einen Faser-Verbundwerkstoff aus den fasrigen Gärresten der Biogasanlage entwickelt.
Aber es gibt auch Anwendungen, für die es keine nachhaltige, biobasierte Alternative gibt: beispielsweise zählen dazu die bei uns zusammen mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik entwickelten Kühlleitungen aus Wolframdraht-verstärktem Kupfer für den Fusionsreaktor „ITER“.

Leichtbauwelt: Auf welchem Entwicklungsstand sind die Anwendungen mit nachwachsenden Fasern konkret?

Markus Milwich: Es gibt wunderbare Bauteile aus diesen Werkstoffen, die biobasierten Matrixsysteme ziehen grad stark nach….los geht es! Mittlerweile beansprucht die Weltbevölkerung Ressourcen von 1,75 Erden, 2022 fällt der Erdüberlastungstag auf den 28. Juli. Je mehr Menschen das bewusst wird, desto schneller werden nachwachsende Fasern genutzt. Klar ist aber auch, dass es bei fliegenden oder schnell bewegten Massen mit der Hauptanforderung „hohe Steifigkeit“ zu Carbon wenig Alternativen gibt.

Aber es gibt auch neue Entwicklungen. An den DITF zuammen mit Saint Gobain wird zu keramikfaserverstärkten Keramiken geforscht, die gerade im Hochtemperaturbereich – beispielsweise bei Gas-Turbinen – ein hohes Energiesparpotential-Potential zeigen.
Darüber hinaus ist nicht nur die Verwendung von umweltfreundlicherem Fasermaterial essentiell, sondern auch das Matrix-System hat einen erheblichen Einfluss auf die Performance des Faserverbundbauteils, je nach Materialkombination (z.B. Flachs, Hanf, Jute,…) sogar einen deutlich Größeren als die Faser selbst.

Leichtbauwelt: Wenn es in einigen Anwendungen aus nachvollziehbaren Gründen keine bis kaum Alterantiven zu Carbon gibt, ist Kreislaufwirtschaft aber auch eine Anforderung für solche Anwendungen. Können Sie uns einen kurzen Überblick geben, wie es um die Recyclingmöglichkeiten bei Carbonfasern bestellt ist?

Markus Milwich: Wir sind hier auf einem guten Weg. Auf der JEC 2022 haben wir zusammen mit V-Carbon Autobauteile aus recyceltem Carbon gezeigt. Letztendlich wäre es schön, wenn  nach allen End-of-Life‘s das Carbon zur Stahlreduktion genutzt werden kann. Dies steht allerdings in Konkurrenz zur Direktreduktion des Stahls mit (grünem) Wasserstoff.

Leichtbauwelt: In Bezug auf die Sustainable Development Goals: Welchen Weg für faserverstärkte Verbundwerkstoffe favorisieren sie?

Markus Milwich: Nachhaltiges Wirtschaften, Umweltschutz und soziale Gerechtigkeit, kurz gesagt Bioökonomie ist unser Ziel und größte Herausforderung.  So viele Naturfasern und pflanzliche Reststoffe wie nur irgendwie möglich zu verwenden. Wenn man sich allerdings die Größe der Anbauflächen für Flachs, Hanf oder Sylphie in Deutschland anschaut, fangen wir ziemlich weit unten an. Hier gilt es das Potential der Jahrespflanzen wesentlich besser auszunutzen.

In einem Projekt verarbeiten wir sprichwörtlich Unkraut zu Fasern. Die Wasserhyazinthe wächst unglaublich schnell und erstickt in vielen Gewässern der südlichen Regionen das sonstige Leben.

Leichtbauwelt: Warum funktioniert Leichtbau am besten im Netzwerk oder in Kooperations-Projekten?

Markus Milwich: Leichtbau mit Funktionsintegration vermeidet „Black Metall“  und erzeugt die meisten Synergien. Dazu bedarf es Beispiele, wo auch der Weg zum Produkt aufgezeigt wird, auch in die Bionik. Dieser erschließt sich durch beispielhaftes An- und Durchschauen, und vor allem auch durch das Erklären des Zusammenspiels von Mechanik, Physik und der Chemie, welches auf allen Hierarchieebenen in der Natur optimiert ist.

Leichtbauwelt: Welche Netzwerke nutzen Sie?

Markus Milwich: Wir waren dazu an der Ausgestaltung der Aufgaben der Leichtbau BW beteiligt und haben die AFBW und das Leichtbauzentrum BW mitgegründet, um eben Kongresse und Workshops zu allen relevanten Themen des Faserverbund-Leichtbaus, vor allem in einer engen Verzahnung mit der Textil- und Fasertechnik  durchzuführen. Seit 2016 führen wir gemeinsame Workshops mit der ProHolz BW durch, um Synergien zwischen Holz und Faserverbunden nachzugehen.

Wir waren ein sehr frühes Mitglied im Carbon Composites e.V.  (Anm. der Redaktion – heute Composites United) und sind Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Hybride Leichtbau Technologien des VDMA. Außerdem sind wir Mitglied in spannenden Sport-Netzwerken „International Sports-Innovation-Network (SINN-i)“ und im WISS „Wir-Innovation im Spitzensport“  wo unter der Leitung der Innovationsmanufaktur in München auch spannende Themen wie „LastMile“ (Leicht-Microfahrzeuge) oder Gesundheit der Bevölkerung durch Freude an der Bewegung (Sensorik-Aktorik u.a. in Faserverbunden) bearbeitet werden.

Und natürlich sind da die beiden Bionik-Netzwerke Biomimetik Netzwerk Baden-Württemberg und Biokon, wo wir ebenfalls Gründungsmitglieder sind. Mein Kollege Thomas Stegmaier ist Präsident der “International Society of Bionic Engineering”.

Leichtbauwelt: Welchen Herausforderungen begegnen Sie in Ihrem Alltag bei Gesprächen rund um den Leichtbau?

Markus Milwich: Faserverbund-Leichtbau in Verbindung mit Funktionsintegration ist an sich schon ein komplexes Thema. Jetzt kommt nun auch noch das Recycling/LCA als wesentlich neue Herausforderung dazu. Daher  gibt es tatsächlich noch sehr viel Lern- und Gesprächsstoff. Der alle zwei Jahre stattfindende Carbonfaser-Recyclingkongress in Stuttgart – das nächste Mal am 22. und 23. Februar 2023 – vermittelt viel Wissen und fördert den Austausch untereinander.

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