Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET®

Forschungsschwerpunkt

Hybride (Bio-)Verbundwerkstoffe

Angesichts stark wachsender Ansprüche an die Umweltfreundlichkeit von Produkten rücken Leichtbaulösungen verstärkt in den Fokus – insbesondere auch im Flugzeug- und Automobilbau. Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen die Fertigung von leichten, stabilen Bauteilen und nutzen zudem die spezifischen Vorteile der eingesetzten Fasern. Am HOFZET verarbeiten wir sowohl Naturfasern wie Flachs, Hanf, Jute, als auch technische Fasern z. B. Glas, Carbon und Aramid sowie Polyamid- oder Viskosefasern. Als Matrixsysteme dienen neben den Duroplasten insbesondere auch Thermoplaste. 

© Foto Fraunhofer WKI | Sebastian Kalka

Schematische Darstellung der Organoblechherstellung und zwei Alternativen zur Weiterverarbeitung

© Foto Fraunhofer WKI | Sebastian Kalka

Verschiedene, hybride thermoplastische Verbundwerkstoffe bestehend aus Carbon- und Flachsfasern sowie biogenem Polyamid (Organobleche)

© Foto Fraunhofer WKI | Kathrin Morawietz

Teilimprägniertes Organoblech; Die Polsterfunktion wird realisiert durch Hinterfüttern und Aussparen von Polymerbenetzung der textilen Komponente.

Aktuell liegt der Schwerpunkt am HOFZET auf Kompositen mit thermoplastischer Matrix, welche auch als Organobleche bezeichnet werden. Diese bieten gegenüber konventionellen, duroplastischen Verbundmaterialien oder Prepregs den Vorteil reversibler Verformung und nahezu unbegrenzter Lagerung. Hieraus ergeben sich neue, gestalterische Freiheiten, die das Bauteilspektrum faserverstärkter Verbundwerkstoffe vergrößern. So kann die Formgebung beispielweise einfach und schnell durch Thermoformen in einer Matrize oder in der Schließeinheit einer Spritzgießanlage erfolgen. Für die Neu- und Weiterentwicklung dieser Verbundwerkstoffe steht uns eine moderne Anlagentechnik zur Verfügung. Ähnliche Anlagen werden bereits in einigen Bereichen der industriellen Großserienfertigung eingesetzt.

Auch die gezielte Kombination von verschiedenen Materialien zu Hybridwerkstoffen stellt einen wichtigen Forschungsbereich dar. Im Rahmen der Organoblechherstellung betrachten wir unterschiedlichste Lagenaufbauten aus z. B. Carbon mit Naturfasern, Wabenkernen, Glasfasern sowie verschiedenen Geweben. Hierdurch lassen sich vorteilhafte Eigenschaften von Naturfasern wie geringes Gewicht, hervorragende Dämmwirkung und gute CO2-Bilanz mit den hervorragenden mechanischen Eigenschaften von beispielsweise Carbon- oder Aramidfasern verbinden. Ein weiterer Vorteil der Substitution von hochpreisigen Carbon- oder Aramidfasern mit Naturfasern ist die Kostenersparnis.

Für faserverstärkte Kunststoffe stellen duromere Matrixsysteme nach wie vor den Stand der Technik dar, weshalb wir auch in diesem Bereich am HOFZET anwendungsnahe Forschung betreiben. Hier stehen die Oberflächenmodifzierung von Naturfasern sowie die Vakuuminfusion verschiedenster textiler Halbzeuge im Vordergrund, um die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien weiter zu verbessern.

Als Forschungspartner im Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg sind wir an der Entwicklung von Zukunftstechnologien für die Automobilindustrie beteiligt. Aktuell stehen die Themen Hybridisierung von Metallen, Schäumen und faserverstärkten Kunststoffen im Fokus. Hier betrachten wir insbesondere die Aspekte der faserverstärkten Thermoplaste sowie des Materialrecyclings. Darüber hinaus untersuchen wir die Potentiale biogener technischer Textilien sowie biogener Polymere.

Unser Ziel ist die Maximierung des Anteils biobasierter Werkstoffe in Komponenten für die Großserienproduktion von PKW und Nutzfahrzeugen. Innovative Verfahren, beispielsweise durch die direkte Kombination der Organoblechtechnik mit dem Spritzgießen, ermöglichen es uns zudem, komplexe Teile mit integrierten Spritzgeometrien wie z. B. Verstärkungsrippen in einem Fertigungsschritt herzustellen. Durch eine teilweise Imprägnierung von textilen Halbzeugen mit Matrix erschließen wir neue Anwendungsfelder und Funktionsintegration.

 

 

© Foto Fraunhofer WKI | Carsten Aßhoff, CAD-Rohdaten von Fa. Schmidt & Heinzmann

3D-Modell eines Faserspritzkopfes mit austretenden geschnittenen Fasern und Harz- und Härtergemisch

Tailored Composites

Wir entwickeln und realisieren mithilfe einer robotergesteuerten Faserspritzanlage neuartige hybride (Bio‑)Faserverbundwerkstoffe (FVW) und entsprechende Prozessketten gemeinsam mit Projektpartnern aus Industrie und Forschung.

Beim Faserspritzen werden Endlosfasern sowie Garne von einer Schneideinheit auf eine bestimmte Länge geschnitten, simultan im Luftstrom mit einem Harz- und Härterge­misch aus dem Sprühkopf benetzt und auf ein formgebendes Werkzeug aufgesprüht.

Das Verfahren ermöglicht eine automatisierte Herstellung von Bauteilen aus (Bio-/Hybrid-)Faserverbundwerkstoffen sowie eine Verstärkung von technischen Textilien oder auch fertigen Bauteilen. Neben den herkömmlichen Hochleistungsfasern wie Carbon, Glas oder Aramid können mit der Faserspritzanlage auch cellulosebasierte Fasern wie Viskose, Flachs, Hanf geschnitten und aufgesprüht werden. Gleichzeitig bietet die Technologie eine große Materialauswahl bezüglich der zu bearbeitenden Polymermatrices an.

Weitere Informationen entnehmen Sie bitte unserem Themenblatt Tailored Composites.