Das Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien CPM hat gemeinsam mit dem Sportartikelhersteller Puma eine Sohlentechnologie auf Basis programmierbaren Monomaterials entwickelt, bei der ein einziges Material unterschiedliche Funktionszonen übernimmt. Grundlage ist ein thermoplastisches Co-Polyester-Elastomer, dessen mechanisches Verhalten durch eine gezielte Anordnung von Rippen und Zacken in der Materialstruktur steuerbar wird.
Im laufenden Nachfolgeprojekt ZiProMat (Zirkuläre Programmierbare Materialien) wird das Konzept um Kreislauffähigkeit erweitert. Da Schaft und textiles Obermaterial von Sportschuhen ebenfalls häufig aus Polyester bestehen, sollen Sohle und Schaft künftig gemeinsam in einem Recyclingprozess verwertet werden.
Programmierbares Monomaterial ersetzt Mehrkomponentensohle
Hochwertige Sportschuhe erfordern eine Sohle mit zonenspezifisch abgestimmten Eigenschaften: Der Fersenbereich muss Aufprallenergie dämpfen, der Mittelteil ein weiches Abrollen ermöglichen, der Vorderfußbereich mehr Stabilität bieten. Bislang werden dafür mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert und zusammengefügt. Das Fraunhofer CPM hat ein Verfahren entwickelt, das diese Zonenteilung mit einem einzigen Material realisiert.
Das Prinzip beruht auf der geometrischen Gestaltung des Materials. Durch eine bestimmte Anordnung von Rippen oder Zacken wird das Verhalten des Co-Polyester-Elastomers unter Belastung gezielt beeinflusst – das Monomaterial wird damit funktional programmierbar. Ausgangspunkt für die Sohlenherstellung sind Folien aus Co-Polyester, die im Tiefziehverfahren in erhitztem Zustand per Vakuum in eine Form gezogen werden. Diese Form gibt der Folie die vordefinierte Rippen- oder Zackenstruktur. Anschließend werden die Folien gestapelt und miteinander verbunden, sodass nicht nur die Außenseite, sondern auch das Innere der Sohle die mechanisch wirksame Struktur aufweist.
Dr. Christof Hübner, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, beschreibt den Ansatz so: „Wir haben unsere materialwissenschaftliche Expertise und das marktnahe Produkt-Know-how von Puma zusammengeführt. So konnten wir zeigen, dass die Grundidee des programmierbaren Monomaterials auch in hochwertigen Alltagsprodukten wie etwa Sportschuhen sinnvoll realisierbar ist.“
Recyclingverfahren für Co-Polyester-basierte Schuhkomponenten
Das Projekt ZiProMat kombiniert die Arbeit des Fraunhofer CPM mit der Expertise des Fraunhofer Clusters of Excellence Circular Plastics Economy CCPE. Da Sohle, Schaft und textiles Obermaterial bei diesem Ansatz aus Polyester-basierten Materialien bestehen, entsteht die Grundlage für einen gemeinsamen Stoffkreislauf. Maximilian Wende, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, erklärt: „Das eröffnet die Möglichkeit, einen viel größeren Teil des Schuhs in einem nachhaltigen Stoffkreislauf zu führen.“
Für das Recycling werden im Projekt zwei Verfahren entwickelt. Das lösemittelbasierte Verfahren löst die Materialien selektiv auf und trennt Fremdstoffe ab – das Produkt ist hochreines Polyester. Das Pyrolyseverfahren spaltet Polymere in kleinere Moleküle auf, aus denen mit geeigneten Trennmethoden und chemischen Prozessen Grundchemikalien wie Terephthalsäure zurückgewonnen werden. Wende zur bisherigen Bilanz: „Es ist uns gelungen, aus alten Sportschuhen, in denen ganz unterschiedliche Materialien verbaut sind, sauberes Polyester zu gewinnen. Recycling und hochwertige Qualität sind kein Widerspruch mehr.“
Von der Schuhsohle zur Technologieplattform für programmierbare Materialien
Die Zusammenarbeit von Fraunhofer CPM und CCPE soll sicherstellen, dass die gesamte Wertschöpfungskette abgedeckt wird – von der Herstellung des Monomaterials über die Recyclingtechniken bis zur Entwicklung einer neuen Produktgeneration. An ZiProMat sind insgesamt fünf Fraunhofer-Institute beteiligt: das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP sowie das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC. Hübner dazu: „Die Zusammenarbeit mehrerer Institute mit jeweils spezialisierter Expertise ermöglicht es, Technologien und Verfahren so miteinander zu kombinieren, dass die gesamte Wertschöpfungskette abgedeckt wird.“
Das Spektrum der programmierbaren Eigenschaften soll für hochfunktionelle Sportschuhe weiter ausgebaut werden. Zudem ist vorgesehen, die Technologie auf weitere Produktkategorien wie Arbeitsschuhe auszudehnen. Das übergeordnete Ziel des Projekts ZiProMat ist die Etablierung einer Technologieplattform für programmierbare Materialien und zukunftsfähige Recyclingverfahren, die für viele Produkte einsetzbar ist und möglichst alle verwendeten Materialien in geschlossene Wertstoffkreisläufe überführt.
