Rückschau

Aachen, Nordrhein-Westfalen - 2018

Bio-Hybridtapes: Natürliche Fasern in geordneten Bahnen

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Innovationsprojekt Klimaschutz

Im Rahmen des Kooperationsprojekts „Bio-Hybridtapes“ hat das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) gemeinsam mit nationalen und internationalen Partnern ein innovatives Herstellungsverfahren für vollständig biobasierte Tapes zur Verstärkung von Leichtmetall-Strukturbauteilen entwickelt. Das Projekt liefert wichtige Erkenntnisse zum Einsatz dieser Tapes als klimafreundliche Alternative zu konventionellen glasfaserverstärkten Tapes.

Leichtbaukomponenten aus faserverstärkten Kunststoffen ermöglichen im Automobilbau Gewichtsersparnisse von bis zu 30 Prozent. Damit sie gleichzeitig dieselben mechanischen Anforderungen erfüllen wie konventionelle Bauteile aus Stahl- oder Aluminiumwerkstoffen, werden Tapes eingesetzt, die besonders belastete Bereiche gezielt verstärken. Während bislang in der Herstellung sehr energieintensive glasfaserverstärkte Tapes zum Einsatz kommen, ermöglicht das im Projekt entwickelte Verfahren erstmals die Herstellung von vollständig biobasierten Tapes mit annähernd denselben Festigkeitseigenschaften.

Neues Verfahren für einen neuen Werkstoff

Die Grundprodukte des neu entwickelten Werkstoffes - industrietaugliche Flachsfasern sowie ein rizinusölbasierter Biokunststoff - erhält das ITA von französischen Partnern. Wie alle Naturfasern haben auch Flachsfasern im Gegensatz zu Glas- oder Carbonfasern eine begrenzte Länge und müssen zur Verarbeitung verdreht in ein Garn versponnen werden, um die benötigte Festigkeit zu erhalten. Bereits hier geht das ITA andere Wege als bisher üblich: Da es für die später zu verstärkenden Bauteile essenziell ist, dass die Fasern des Verbundwerkstoffes in Lastrichtung ausgerichtet sind, werden die Flachsfasern nicht verdreht, sondern gemischt mit dem biobasierten Kunststoff in Form eines Stranges (Faserbands) weiterverarbeitet. In einer anschließenden Prozesskette werden die Kunsttofffasern mittels Ultraschall aufgeschmolzen und das Faserband zu einem Tape verfestigt. Hierbei kommt eine innovative Ultraschalleinheit des Projektpartners EM-Systeme GmbH aus Oberhausen zum Einsatz. Eine mittels Ultraschallwellen schwingende Profilwalze erwärmt den Kunststoff in einem kontinuierlichen Prozess ortsgenau auf. Der schmelzflüssige Kunststoff umschließt dabei die Naturfasern und dient dem Tape als Matrix. Nach dem abschließenden Abkühlvorgang können die Tapes auf Spulen gewickelt werden.

Die Tapes können in einem weiteren Schritt produktspezifisch zugeschnitten, verlegt und zu einem Kompositbauteil verpresst werden. Durch die unidirektionale Ausrichtung der Naturfasern, das innovative Ultraschweißverfahren und eine spezielle Anordnung der Fasern kann der Faseranteil bis auf 70 Prozent erhöht und somit auch die Stabilität verbessert werden. Belastete Komponenten, wie beispielsweise die Verschalung von Rückenlehnen oder Sitzschalen in Automobilanwendungen, können auf diese Weise lastgerecht verstärkt werden und so Gewichts- und Volumeneinsparungen von bis zu 20 Prozent, bezogen auf das verstärkte Bauteil, erreichen.

Verbesserte Klimabilanz inklusive

Das entwickelte Bio-Hybridtape weist annähernd so gute Festigkeitseigenschaften wie glasfaserverstärkte Tapes auf, bei deutlich besserer CO₂-Bilanz. Im Vergleich zur Herstellung glasfaserverstärkter Kunststoffe verbraucht die Produktion von naturfaserverstärkten Kunststoffen circa 40 Prozent weniger Energie und verursacht 33 Prozent weniger CO₂-Emissionen. Beim Aufwachsen der Naturfasern wird zudem CO₂ aus der Luft gebunden, in Biomasse überführt und somit über den gesamten Produktlebenszyklus gespeichert. Das gesamte Einsparungspotenzial des Projekts ergibt sich durch den Einsatz des Bioverbundwerkstoffs sowie durch den Austausch der üblicherweise erdölbasierten Kunststoffmatrix durch rizinusölbasierten Biokunststoff. Rechnerisch sind durch den entwickelten Werkstoff europaweit Einsparungen von 11.400 Tonnen CO₂ pro Jahr möglich.