Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

NATUREPERFORMANCE – Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK)

Im Rahmen des Projektes NATUREPERFORMANCE wird ein Modell entwickelt, das die Berechnung der realisierbaren Eigenschaften von Bauteilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff anhand schnell und günstig zu bestimmender Eigenschaften der verwendeten Naturfasern ermöglicht. Ziel ist es, dass Fasern bei der Anlieferung schnell durchführbaren Standard-Wareneingangskontrollen unterzogen werden. Die Ergebnisse werden anschließend in das Modell eingegeben. Das Modell berechnet anhand der Fasereigenschaften die realisierbaren Bauteileigenschaften.

NFK stellen in vielen Fällen eine potentielle Alternative gegenüber glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) dar. In Europa haben GFK mit einem Produktionsvolumen von 2,8 Mio. Tonnen pro Jahr einen Marktanteil an Faserverbundwerkstoffen von rund 95 % (Stand: 2018) [WSK18]. Der Marktanteil Naturfaserverstärkter Kunststoffe (NFK) ist mit prognostizierten 120.000 Tonnen pro Jahr für das Jahr 2020 (Stand 2012: 92.000 Tonnen) vergleichsweise gering [Car15]. Aufgrund der Nachhaltigkeit von Naturfasern wird mit steigendem Einsatz von Naturfasern in Verbundbauteilen ein wichtiger Beitrag zur Erfüllung der Klimaziele geleistet [CP17]. Naturfasern nehmen während des Wachstums CO2 aus der Atmosphäre auf und es wird bei vergleichbaren Eigenschaften der Fasern bis zu 77 % weniger Primärenergie gegenüber Glasfasern für die Faserherstellung benötigt [HC11]. Bei einer Substitution von 5 % des weltweiten GFK-Einsatzes, mit Vliesstoffen, durch NFK, entsteht ein zusätzlicher Umsatz von über 390 Mio. € (Abschätzung mit einem NFK Kilopreis von 1,65 €, konservative Abschätzung zum unteren Rand) [GTM13, Nov11, FNR14]. Zusätzlich wird bei einer Substitution von 5 % des weltweiten GFK-Bedarfs durch NFK werden pro Jahr mehr als 2,2 Mio. Tonnen CO2 eingespart.

Insbesondere KMU`s der Automobilzulieferer profitieren von den Ergebnissen aufgrund genauerer Prognose für die Verarbeitung und Verwendung der Fasern und Bauteile.

Ergebniszusammenfassung:

Der Nutzen der erzielten Projektergebnisse liegt im Zugewinn an Know-How im Hinblick auf die Prozesseinflüsse bei der Verarbeitung von Naturfaser-Hybridvliesen. Zwar verhindern die hohen gemessenen Standardabweichungen eine eindeutige Aussage bezüglich des Einflusses der Prozessparameter auf die mechanischen Eigenschaften der NFK-Bauteile, dennoch sind in den durchgeführten Parameterstudien Trends erkennbar, die zu einer Optimierung des Verarbeitungsprozesses genutzt werden können.

An dieser Stelle muss stets beachtet werden, dass es sich bei den verwendeten Fasern um ein Naturprodukt handelt und nicht um ein im idealen Prozessumfeld hergestelltes synthetisches Produkt, wie es bei Glas- und Kohlenstofffasern der Fall ist. Somit sind die Schwankungen naturgemäß Faserinhärent und lassen sich nicht ohne weiteres vermeiden. Dem gegenüber stehen allerdings auch die zahlreichen Vorteile von Naturfasern bzw. NFK wie eine neutrale CO2 Bilanz aus ökologischer Sicht sowie eine geringe Dichte, gutes Dämpfungsverhalten und spezifische mechanische Kennwerte auf Niveau von glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen.

In diesem Zusammenhang leisten die erzielten Projektergebnisse einen Beitrag dazu, die unvermeidlichen Schwankungen im NFK Eigenschaftsprofil aufzuzeigen und das Material dennoch zielgerichtet für passende Einsatzfälle, in denen diese Schwankungen tolerierbar sind, einsetzen zu können. Als eindeutigsten Einflussfaktor zeigt sich die Temperatur, die teilweise als signifikanter Faktor herausgestellt werden konnte. Weiterhin zeigen sich Einflüsse durch die Wahl der Aufheizmethode. Hier werden tendenziell geringere mechanische Kennwerte bei einer Aufheizung der Vliese durch ein Infrarot-Strahlerfeld erreicht. Ebenfalls relevant für die Herstellung von NFK-Bauteilen ist der Einfluss der Bauteilgeometrie auf die späteren Eigenschaften. Hier kann durch Optimierung der Hybridvlies-Halbzeuge eine gleichmäßigere Qualität in geometrisch komplexen Bauteilen erzielt werden.