Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen

Naturfasern können, aufgrund ihrer neutralen CO₂-Bilanz und den geringen Energie-aufwendungen, bei der Verarbeitung zu naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) einen wichtigen Beitrag für die Einhaltung von Emissionsgrenzen leisten. Dank ihrer geringen Dichte sind pflanzliche Naturfasern eine ideale Verstärkungsstruktur für den Einsatz in Faser-Kunststoff-Verbunden.

Im direkten Vergleich mit Glasfasern wird für die Herstellung von technischen Naturfasern, wie z.B. Hanf, nur ein Siebtel der Primärenergie benötigt. Bei der Glasfaserherstellung kommt es zu einem Ausstoß von ca. 3,5 kg CO₂ pro hergestelltem Kilogramm Faser. Die Naturfaser hingegen nimmt beim Wachstum CO₂ aus ihrer Umwelt auf, sodass die Bilanz der Herstellung - bezogen auf den Ausstoß von Treibhausgas - potentiell negativ bleibt. Somit sind Naturfasern für die Dauer der Nutzung bis hin zur Verwertung klimaneutral. [1, 2]

Die mechanischen Eigenschaften der beiden konkurrierenden Verstärkungsfasern liegen spezifisch betrachtet auf einem vergleichbaren Niveau [3]. Naturfasern verfügen zudem, neben einem guten Crashverhalten mit geringer Splitterneigung, über gute Dämpfungseigenschaften. Im Bereich automobiler Anwendungen werden diese Potentiale bereits seit mehreren Jahren genutzt. Aufgrund des attraktiven Materialpreises haben sich gerade Naturfasern in Form von Hybridvliesen für die Herstellung von semi-strukturellen Innenraumbauteilen wie Dachversteifungen und Türverkleidungen etabliert. Im BMW i3 wurden NFK-Bauteile erstmals im Sichtbereich verwendet.

Trotz der guten Eigenschaften und des hohen Leichtbaupotentials spielen NFK - bezogen auf den Gesamtmarkt der faserverstärkten Polymere [4] - mit einem EU-Marktanteil von weniger als 5 % eine geringe Rolle. Das liegt hauptsächlich an den Eigenschaftsschwankungen der Fasern, die wiederum die Einhaltung geforderter Qualitätsanforderungen erschweren. Als Naturrohstoff unterliegen die Fasern den Einflüssen ihrer Umgebung. Abhängig von zahlreichen Faktoren wie der Anbauregion, der Bodenbeschaffenheit und der klimatischen Bedingungen ergeben sich variierende Eigenschaftsprofile, auch zwischen direkt aufeinanderfolgenden Chargen. Aus diesem Grund ist die Erstellung von Fasermischungen aus verschiedenen Materialchargen unerlässlich für ein konstantes und reproduzierbares Eigenschaftsprofil.

Zur Herstellung von Vliesmaterialien wird die Naturfasermischung mit thermoplastischen Fasern (z.B. Polypropylen) gemischt, zu einem Faserflor zusammengefügt und anschließend mittels Vernadelung zu einem Hybridvlies verfestigt. Die mechanischen Eigenschaften der Vliese und der daraus hergestellten Bauteile werden aktuell mithilfe von aufwendigen zerstörenden Bauteilprüfungen ermittelt. Für jede Charge wird anhand von Erfahrungswerten eine initiale Mischung erstellt, die bis zum Erreichen des gewünschten Anforderungsprofils iterativ angepasst wird. Dieses kostenintensive und oft auf jahrelanger Erfahrung beruhende Vorgehen stellt insbesondere für potentiell neue Marktteilnehmer eine problematische Hürde dar.

Modellierung der mechanischen Eigenschaften von NFK

Mit dem Ziel die weitere Etablierung von NFK voranzutreiben, muss folglich der Aufwand zur Materialauslegung reduziert werden. Im Projekt NaturePerformance entwickelt die Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH (IVW) - gemeinsam mit dem Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) - ein Modell zur Berechnung der realisierbaren Eigenschaften von NFK- Bauteilen anhand von schnell und günstig zu bestimmenden Fasereigenschaften. Hierzu werden die Einflüsse der einzelnen Prozessschritte und deren Prozessgrößen, ausgehend von der Einzelfaser über die Vliesherstellung bis hin zur Bauteilherstellung, detailliert analysiert und mathematische Korrelationen abgeleitet, die es ermöglichen, die Kennwerte des Bauteils vorab zu bestimmen. Somit sollen die derzeit übliche iterative Anpassung der Fasermischungen sowie die mehrfache, kostenintensive Bauteilprüfung in Zukunft entfallen können. Das Ziel dieses Ansatzes ist die Senkung von Einstiegshürden und die Ermöglichung einer größeren Markterschließung für NFK.

Danksagung

Das Projekt „NaturePerformance – Modellierung der mechanischen Eigenschaften von Bauteilen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK)“ wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert (Vorhaben Nr.: 21240 N/2).