Ein Demonstrator aus Naturfaserkunststoff-Verbund.
TU Chemnitz / Rico Welzel
Chemnitzer Wissenschaftler entwickeln am Bundesexzellenzcluster Merge biobasierte Faserkunststoff-Verbunde für eine nachhaltige Großserie. Dabei ersetzen sie die Glas- oder Carbonfasern durch Naturfasern, zum Beispiel Flachsfasern. Die Kunststoffmatrix ist ein Biopolymer aus nachwachsenden Rohstoffen.
Anders als konventionelle Faserkunststoff-Verbunde seien die biobasierte Faserkunststoff-Verbunde in ihrer Herstellung wesentlich energieeffizienter und zeichneten sich durch einen besseren CO2-Fußabdruck aus, erklären die Forscher. Auch die auf das Strukturgewicht bezogenen Materialeigenschaften des Faserkunststoff-Verbunds seien technisch interessant: Durch den Einsatz von Endlosfasern werde der Verbund in Faserrichtung enorm fest und hochsteif. Zudem sei Flachs leichter als Glas- und kostengünstiger als Carbonfaser.
Ziel ist die Großserie
Ziel der Forscher war es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem diese sogenannten Halbzeuge aus Kunststoff und Naturfasern in Großserie hergestellt werden können. Bisher werde in der Praxis hauptsächlich die Film-Stacking-Technologie eingesetzt, ein diskontinuierliches Verfahren, erklären die Forscher. Dabei werden die einzelnen Schichten als Stapel (zum Beispiel Kunststofffolie-Fasergelege-Kunststofffolie) in eine Heizpresse eingelegt, unter Druck aufgeschmolzen, entnommen und an einer anderen Maschine zu Platten weiterverarbeitet. Für die kontinuierliche Produktion mussten die Forscher in Merge daher eine eigene Walzenanlage, einen sogenannten Kalander, konstruieren.
"Naturfasern haben im Unterschied zu Glas- oder Carbonfasern eine besondere Eigenschaft: sie nehmen sehr gut Feuchtigkeit auf. Deshalb müssen sie vor der Verarbeitung getrocknet werden", erklärt Ahmed-Amine Ouali, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau an der TU Chemnitz. "Wir haben am Lehrstuhl eine eigene Trockneranlage entwickelt, die fast lückenlos vor dem Kalander angebaut wird. So hat die Faser nach dem Trocknen und vor dem Weiterverarbeiten kaum Kontakt mit der feuchtehaltigen Umgebungsluft."
Omega-Kalander für eine kontinuierliche Herstellung
Der nach seiner Form benannte Omega-Kalander ist laut den Wissenschaftlern das Herzstück der kontinuierlichen Herstellungslinie. Er besteht aus mehreren Zylindern, zwischen denen die Flachsfaser-Kunststoff-Bahnen theoretisch endlos hindurchgeführt, erwärmt und zusammengepresst werden. Nach diesem Imprägnierungsvorgang und dem Abkühlen ist das sogenannte thermoplastische Prepreg (preimpregnated fibres), also das Faser-Matrix-Halbzeug, fertig. Es liegt dann als Rolle vor und kann verschieden weiterverarbeitet werden. Zugeschnitten und in mehreren Schichten als Stapel gepresst, ergibt sich eine feste Platte. "Wir können das Halbzeug aber auch ein weiteres Mal umformen und mit Spritzgussteilen verbinden. Beides in einem einzigen Prozess. So haben wir auch einen Technologie-Demonstrator, nämlich unseren Seitenaufprallträger für Pkw, hergestellt", erklärt Ouali.
Experimente mit diversen Faserstrukturen und Matrixvarianten
Der Bauteilfertigungsprozess ist momentan noch nach der kontinuierlichen Herstellung des Prepreg-Halbzeugs unterbrochen und wird je nach Bedarf der Forscher an diversen weiteren Anlagen fortgesetzt. Im Hinblick auf die Großserienherstellung lasse sich die Maschinenreihe so je nach Anforderung ergänzen oder kombinieren.
Mit Blick auf die Zukunft erklärt Quali: „Wir experimentieren auch weiterhin mit unterschiedlichen Faserstrukturen als Gewebe, als Gelege oder in anderer Form, sowie auch mit verschiedenen Matrixvarianten, zum Beispiel als Folie oder Spinnvlies.“ So sollen die positiven Materialeigenschaften, die ökologischen Faktoren und der großserientaugliche Herstellungsprozess der Faserkunststoffverbunde in Merge weiterentwickelt und optimiert werden.