Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Fest wie Baustahl, leicht wie Carbon und trotzdem aus der Natur

04.07.2017

Chemnitzer Wissenschaftler entwickeln am Bundesexzellenzcluster MERGE biobasierte Faserkunststoffverbunde als Vision für die nachhaltige Großserie

Werkstoffverbunde aus Kunststoffen und Fasern sind im Strukturleichtbau fest etabliert. Glas- und Carbonfasern werden am häufigsten verwendet und als Verstärkung beispielsweise in dünne Folien aus thermoplastischen Kunststoffen integriert.


Ein Demonstrator aus Naturfaserkunststoff-Verbund.

TU Chemnitz/Rico Welzel


Leichtbau-Forscher Ahmed Amine Ouali entwickelt biobasierte Faserkunststoff-Verbunde.

TU Chemnitz/Rico Welzel

Die meisten dieser Kunststoffe basieren allerdings auf Erdöl – einem raren Rohstoff, dessen Gewinnung und Einsatz wenig ökologisch sind. Ökologischer und nachhaltiger ist da ein Ansatz der Forscherinnen und Forscher im Bundesexzellenzcluster MERGE. Ahmed-Amine Ouali, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau, erklärt ihn so:

„Wir ersetzen die Glas- oder Carbonfasern durch Naturfasern, zum Beispiel Flachsfasern. Die Kunststoffmatrix ist bei uns ein Biopolymer aus nachwachsenden Rohstoffen. Damit ist die CO2-Bilanz der Bauteile im gesamten Produktlebenszyklus um einiges besser.“

Auch die auf das Strukturgewicht bezogenen Materialeigenschaften des Faserkunststoffverbunds sind technisch interessant: Durch den Einsatz von Endlosfasern wird der Verbund in Faserrichtung enorm fest und hochsteif. Zudem ist Flachs leichter als Glas- und kostengünstiger als Carbonfaser.

Ziel der Forscher war es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem diese sogenannten Halbzeuge aus Kunststoff und Naturfasern in Großserie hergestellt werden können. Bisher wird in der Praxis hauptsächlich die Film-Stacking-Technologie eingesetzt, ein diskontinuierliches Verfahren. 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 Ouali.

„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.“ Der nach seiner Form benannte Omega-Kalander ist 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.

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 kann die Maschinenreihe so je nach Anforderung ergänzt oder kombiniert werden.

„Wir haben hier zukunftsträchtige, nachhaltige, langlebige Materialien entwickelt, deren Herstellung wesentlich energieeffizienter ist und sich durch einen besseren CO2-Fußabdruck auszeichnet, als bei konventionellen Faserkunststoffverbunden“, sagt Ouali. Mit Blick auf die Zukunft erklärt er: „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 werden die positiven Materialeigenschaften, die ökologischen Faktoren und der großserientaugliche Herstellungsprozess der Faserkunststoffverbunde in MERGE weiterentwickelt und optimiert.

Weitere Informationen erteilt Ahmed Amine Ouali, Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz, Telefon 0371-531 34332, E-Mail ahmed-amine.ouali@mb.tu-chemnitz.de

Veröffentlichungen:

Ouali, A.-A.; Rinberg, R.; Nendel, W.; Kroll, L.; Richter, A.; Spange, S.; Siegel, C.; Buchelt, B.; Wagenführ, A:
New Biocomposites for lightweight structures and their processes. Materials Science Forum, Vols. 825-826, Wien, 2015, pp. 1055-1062. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.1055
Ouali, A.-A-; Rinberg, R.; Kroll, L.; Cebulla, H.: Fibre Reinforced Bioplastics – from Prototype to series production. 2nd International MERGE Technologies Conference, Chemnitz, 2015, pp. 377-380 ISSN: 978-3-95735-025-1

Baldige Veröffentlichung:
Ouali, A.-A.; Rinberg, R.; Kroll, L.; Nendel, W.; Todorov A.; Cebulla H.: Natural Fibre Reinforced Bioplastics - Innovative semi-finished products for series production. Materials Science Forum, Bremen, 2017

Weitere Informationen:

http://mytuc.org/sgdl

Matthias Fejes | Technische Universität Chemnitz
Weitere Informationen:
http://www.tu-chemnitz.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen
16.11.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Emulsionen masschneidern
15.11.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics