Entwicklung einer neuartigen Prozesskette zur Direktherstellung von NFPP-Tapes

Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) finden seit Jahrzehnten Anwendung in der europäischen Automobilindustrie und werden hauptsächlich zu semi-strukturellen Bauteilen wie Türverkleidungen (siehe Abbildung 1), Dachversteifungen und Rückenlehnen verarbeitet. Hierbei liegen die Fasern meist als vernadelte Vliese vor und werden mit thermoplastischen, teilweise aber auch durplastischen Matrixsystemen kombiniert. Die spezifischen mechanischen Eigenschaften von NFK reichen teilweise bis an die von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) heran, erreichen ihr Niveau jedoch nicht immer vollständig. Dennoch besitzen sie ein großes Substitutionspotenzial und können bereits heute konventionelle, teure Kunststoffe sowie GFK-Strukturen  teilweise ersetzen. Zur Herstellung von NFK-Halbzeugen werden meist Flachs, Hanf und Kenaf genutzt. Gegenüber konventionellen Verstärkungsfasern wie E-Glas haben Naturfasern den Vorteil, dass sie eine deutlich geringere Dichte (ρ_NF ≈ 1,5 g/cm³; ρ_GF ≈ 2,5 g/cm³) und somit herausragende Leichtbaueigenschaften besitzen. Darüber hinaus werden NFK aufgrund guter mechanischer Eigenschaften, Umweltverträglichkeit, CO₂-neutraler Energiebilanz, gutem Crash- und Dämpfungsverhalten und hoher Formstabilität eingesetzt.

Als thermoplastische Matrix wird meist Polypropylen (PP) eingesetzt. Neben seinen monetären Vorteilen besitzt PP eine sehr geringe Dichte (~ 0,9 g/cm³), exzellente Verarbeitungseigenschaften, eine gute mechanische Performance sowie hohe Schlagzähigkeit.

In einem gemeinsamen Projekt erforschen das Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW) und die Hochschule Kaiserslautern, Standort Pirmasens (HS), die Direktherstellung von Naturfasertapes in Kombination mit thermoplastischer Matrix. Ziel der Forschungsarbeiten ist die Entwicklung eines alternativen direkten, kostengünstigen und effizienten Prozesses zur Herstellung von unidirektional gerichteten NFK-Halbzeugen, um teure und aufwändige Prozessschritte einzusparen. Zu Beginn des Prozesses werden Naturfasern und PP-Spinnfasern geöffnet, gemischt, mittels Krempel homogenisiert und zu einem Faserflor verarbeitet. Dieser wird anschließend zu einem schmalen Band zusammengeführt und mittels Prüfstand zu einem Tape verarbeitet. In diesem Tape sind die Fasern in Tapelängsrichtung ausgerichtet und können anschließend mittels Hand-Tapeleger (siehe Abbildung 2) zu Probekörperplatten abgelegt werden. Im weiteren Projektverlauf werden der Imprägnier- und Ablegeprozess optimiert, mechanische Kennwerte ermittelt und Tapes zur lokalen Bauteilverstärkung eingesetzt.

Kontakt:

Dr.-Ing. Florian Gortner
Postdoc Press- & Fügetechnologien
E-Maill: florian.gortner@ivw.uni-kl.de
Telefon: +49 631 2017 439

Martin Detzel, M.Sc.
Wiss. Mitarbeiter Press- & Fügetechnologien
E-Mail: martin.detzel@ivw.uni-kl.de
Telefon: +49 631 2017 164