Hochwertige Sportschuhe sind meist aufwendig aus mehreren Materialien zusammengesetzt – mit Folgen für Produktion und Recycling. Fraunhofer-Forschende zeigen im Projekt ZiProMat, dass es anders geht: Eine Sohle aus programmierbarem Monomaterial übernimmt unterschiedliche Funktionen und ist zudem aus dem gleichen Material wie der Schaft. Das Konzept verbindet Hightech, Nachhaltigkeit und Kreislauffähigkeit.
Bei hochwertigen Sportschuhen besitzt die Sohle in verschiedenen Zonen auch unterschiedliche Eigenschaften. So ist beispielsweise der hintere Bereich für den Aufprall der Ferse auf den Boden besonders gut gedämpft, der Mittelteil für gutes Abrollen eher weich, der Vorderfuß wieder etwas fester. Dafür müssen mehrere unterschiedliche Materialeigenschaften kombiniert und zusammengefügt werden.
Fraunhofer-Forschende haben jetzt eine Technologie entwickelt, bei der die Sohle aus einem einzigen Material besteht, das unterschiedliche Funktionszonen miteinander verbindet. Indem die Fraunhofer-Forschenden die Materialstruktur durch eine bestimmte Anordnung von Rippen oder Zacken gestalten, wird das Verhalten des Materials unter Belastung sozusagen programmierbar.
Ein Team des Fraunhofer Clusters of Excellence Programmierbare Materialien CPM hat gemeinsam mit dem Sportartikelhersteller Puma die Machbarkeit und die Vorteile der Technologie bereits demonstriert. Dr. Christof Hübner, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, sagt: »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.«
Im aktuellen Nachfolgeprojekt ZiProMat (Zirkuläre Programmierbare Materialien) haben sich die Institute des Fraunhofer CPM Verstärkung geholt. Sie arbeiten mit den Expertinnen und Experten aus dem Fraunhofer Cluster of Excellence Circular Plastics Economy CCPE zusammen. Ziel ist es, Wege zu finden, die Sohle zusammen mit dem Schaft zu recyceln, indem beide aus Polyester-basierten Materialien hergestellt werden. Ferner sollen neue Anwendungen erschlossen und insbesondere das Recycling weiter optimiert werden.
Als Monomaterial-Basis nutzen die Forschenden für die Sohle ein thermoplastisches Co-Polyester-Elastomer. In der Regel sind Schaft und textiles Obermaterial von Sportschuhen ebenfalls aus Polyester. »Das eröffnet die Möglichkeit, einen viel größeren Teil des Schuhs in einem nachhaltigen Stoffkreislauf zu führen«, sagt Maximilian Wende, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV.
Ausgangspunkt für die Herstellung der Sohlen sind Folien aus Co-Polyester. Diese werden im Tiefziehverfahren in erhitztem Zustand mit Hilfe von Vakuum in eine Form gezogen, die der Folie die vordefinierte Struktur mit Zacken oder Rippen gibt. Anschließend werden die Folien gestapelt und miteinander verbunden. So hat nicht nur die Außenseite der Sohle, sondern auch das Innere die spezielle Struktur, die für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich ist.
Für die Entwicklung innovativer Recycling-Methoden nutzt das Forschenden-Team zwei Verfahren. Im lösemittelbasierten Verfahren werden die Materialien gezielt und selektiv aufgelöst und Fremdkörper abgetrennt. Das Produkt ist hochreines Polyester. Das Pyrolyseverfahren dagegen spaltet Polymere in kleinere Moleküle auf, aus denen mit geeigneten Trennmethoden und chemischen Prozessen wieder hochwertige Grundchemikalien für die chemische Industrie gewonnen werden, z.B. Terephthalsäure. »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«, freut sich Wende.
Ein wichtiger Baustein für den Erfolg des Projekts ist die Zusammenarbeit der Fraunhofer Cluster CPM und CCPE. »Die Zusammenarbeit mehrerer Institute mit jeweils spezialisierter Expertise ermöglicht es, Technologien und Verfahren so miteinander zu kombinieren, dass die gesamte Wertschöpfungskette abgedeckt wird«, erklärt Hübner. Diese reicht von der Herstellung des intelligenten Monomaterials über innovative Recycling-Techniken bis hin zur Herstellung einer neuen Produktgeneration mit weiterentwickelten Funktionen.
Die Forschenden arbeiten daran, das Spektrum der programmierbaren Eigenschaften für hochfunktionelle Sportschuhe zu erweitern. Zudem ist vorgesehen, die Technologie für andere Produkte wie etwa Arbeitsschuhe nutzbar zu machen.
Ziel von Projekt ZiProMat ist letztlich, eine Technologie-Plattform für den Einsatz programmierbarer Materialien und die Entwicklung zukunftsweisender Recyclingverfahren zu etablieren. Diese soll für viele Produkte nutzbar sein und alle verwendeten Materialien so weit als möglich in geschlossene Wertstoffkreisläufe überführen.
Fraunhofer-Gesellschaft