Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer High-Performance Naturfaser-Verbundwerkstoffes für Strukturbauteile

Als Verstärkungsstruktur für mechanisch hochbelastete Faserverbundstrukturen finden im industriellen Leichtbau häufig Multiaxialgelege aus Glas-, Kohlenstoff- oder Aramid-Filamenten Einsatz. Bei der Faserherstellung ist ein hoher Energieeinsatz notwendig und führt zu einem hohen CO2-Ausstoß bei der Produktion von FVK. Im Vergleich zu glasfaserverstärken Kunststoffen wird bei naturfaserbasierten Verbundbauteilen ca. 30 % weniger CO2 ausgestoßen und 40 % Energie eingespart. Daher werden für ausgewählte, nicht-strukturelle Bauteile mit geringen mechanischen Eigenschaften bereits Naturfaserverbundkunststoffe (NFK) eingesetzt. Durch den zusätzlich notwendigen Prozessschritt der Garnherstellung sind Naturfasergelege für NFK jedoch sehr teuer und die maximal erreichbaren mechanischen Bauteileigenschaften werden durch Faserondulation reduziert.

Ziel des Projektes ist die Reduzierung der Herstellungskosten für Naturfaser-Gelege um 25 % und die Erhöhung der mechanischen Eigenschaften der Verbundbauteile um mind. 15 %. Dadurch wird der Einsatz von NFK in tragenden Strukturen möglich und attraktiver.

Der Ansatz zur Zielerreichung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Verarbeitung von drehungsfreien Naturfaserbändern auf Multiaxialgelegemaschinen und Einsparung der teuren Garnherstellung. Vom ITA werden Verfestigungs- und Transportmechanismen bei der Verarbeitung der Flachsfaserbänder untersucht und eine neuartige Zuführungseinrichtung für Naturfaserbänder entwickelt. Auf Grundlage dieser Technologie werden Gelege hergestellt und auf ihre Drapierfähigkeit und Permeabilität qualifiziert sowie mit duromerer Matrix imprägniert und die resultierenden mechanischen Eigenschaften geprüft. Als Demonstratorbauteil wird ein Instrumententräger hergestellt. Eine Rückkopplung auf die KMUs der Flachswirtschaft, Textil- und Faserverbundwerkstoffe schlägt sich im Bereich des Umsatzes nieder, der ein Steigerungspotenzial von mindestens 4 % bzw. ca. 13,92 Mio. € in 2 Jahren hat.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Vorhabens konnte erstmalig die technische Machbarkeit für die Nutzung der Falschdraht-Technologie zur effizienten Förderung von Stapelfaserbändern in der Halbzeugherstellung für Faserverbundbauteile nachgewiesen werden. Die durchgeführten Untersuchungen liefern Erkenntnisse hinsichtlich der erzielbaren Produktivität des Prinzips. Darüber hinaus konnte die verbesserte Leistung von NFK aus drehungsfreien Faserbändern im Vergleich zu Gelegen aus konventionellen Garnen nachgewiesen werden. Ferner wurden erste Erkenntnisse hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der neuen Halbzeuge generiert.

Neben diesen zentralen Ergebnissen wurde den am Projekt beteiligten KMU ein tiefergehender Einblick in die neue Technologie und den neuen Werkstoff ermöglicht. Die grundsätzlich mit der Technologie gesammelten Erkenntnisse können auch zur Umsetzung des Förderprinzips für andere textile Prozesse eingesetzt werden.

Durch die Bereitstellung von Materialkennwerten zur Simulation und der Herstellung von Prototypenmaterial auf der Projektmaschine am ITA wurde im Rahmen dieses Projektes ein Beitrag zur Reduzierung von Markteintrittshürden geleistet. Prinzipiell ist eine industrielle Anwendung der Projektergebnisse unmittelbar möglich. Die technische Umsetzung der Fertigungstechnologie wird durch die einfache Nachrüstbarkeit der entwickelten Schussleger in bestehende industrielle Kettenwirkmaschinen begünstigt. Zur Maschinenintegration ist eine Hochskalierung bzw. Anpassungskonstruktion durch Maschinenhersteller oder Sondermaschinenbauer notwendig. Diese ist innerhalb von 6 Monaten umsetzbar. Nach der Fertigung und Inbetriebnahme des neuen Schusslegers auf einer Industriemaschine können nach ca. 1-1,5 Jahren HyPer-NF-MAG kommerziell angeboten werden. Der mittelfristige Einsatz des HyPer-NFK kann somit bereits ca. 1,5-2 Jahre nach Projektende in Prototypenbauteilen in der Industrie eingesetzt und nach erfolgreicher Prototypenphase in Serienbauteile überführt werden.