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Direktablage von Natur-Langfasern im 3D-Presswerkzeug

Projektleiter:                      Dr.-Ing. Thomas Reußmann
Projektnummer:                BMWi / INNO-KOM, MF 150130
Laufzeit:                             01.02.2016 – 30.06.2018

Aufgabenstellung

Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) sind interessante Leichtbaumaterialien aus nachwachsenden Rohstoffen und klassischen Kunststoffen. Für die Herstellung dieser Verbundwerkstoffe werden bevorzugt Bastfasern wie Flachs, Hanf, Sisal, Jute oder Kenaf eingesetzt. Die Bauteilherstellung erfolgt im mehrstufigen Formpressverfahren bestehend aus Halbzeug- und Bauteilfertigung. Dabei können nur konstante Flächenmassen eingestellt werden, was eine belastungsgerechte Auslegung der Bauteile erschwert. Weiterhin fallen herstellungsbedingt Stanzabfälle bei der Bauteilfertigung an.

Ziel des Forschungsprojektes war die Qualifizierung des Faserblasverfahrens für die Herstellung von hoch verdichteten Verbundbauteilen aus Natur-Langfasern. Im Faserblasverfahren, eine neuartige Technologie aus dem Bereich der Textiltechnik, werden derzeit vor allem voluminöse sowie niedrig-verdichtete Formteile für den Bereich Schall- und Wärmedämmung hergestellt. Die Weiterentwicklung und Nutzbarmachung der Faserblastechnologie zur Herstellung hoch verpresster 3D-Bauteile ermöglicht einen verschnitt- und abfallarmen Prozess. Weiterhin kann durch den Wegfall der Halbzeugherstellung eine kurze Prozesskette realisiert werden.

Ergebnisse

Ein erster Meilenstein in der Projektbearbeitung bestand in der Bebinderung des Fasermaterials. Dazu wurden die eingesetzten Flachsfasern in Form von Faserbändern mit Hilfe eines Foulards mit einem thermisch, vernetzenden wässrigen Acrylatharz behandelt. Hierbei konnte der Fasergehalt exakt eingestellt werden.

Weiterhin gelang der Nachweis, dass die marktverfügbare Faserblastechnik zur Erzeugung von dreidimensional, endkonturnah geformten Bauteilen auf Basis endlicher Verstärkungsfasern geeignet ist. Da das Einblasen und die Bauteilherstellung ohne Zwischenschritte erfolgen, war die Entwicklung eines geeigneten Werkzeuges notwendig. Dieses Werkzeug besteht im Wesentlichen aus drei Teilen – einem zweiteiligen Presswerkzeug mit oberer und unterer Werkzeughälfte sowie einem Einblaswerkzeug, welches während des Einblasvorgangs der Formgebung dient. Durch die Werkzeugentwicklung sowie Optimierung der gesamten Prozesskette konnte ein funktionsfähiger Prozess qualifiziert werden.

Das Eigenschaftsniveau der im Einblasvorgang hergestellten Faserblasverbunde erreicht bezüglich Biege- und Schlagbiegebeanspruchung das Potenzial von Referenzmaterialen aus Mattenhalbzeugen.

Anwendung

Aktuell werden Bauteile, wie z. B. Türverkleidungen, Instrumententafeln oder Sitzschalen für den automobilen Interieurbereich im Formpressverfahren hergestellt. Die Erwartung an den Faserblasprozess war, dass Bauteilträger direkt durch Einblasen der Naturfaser-/Matrixmischung in einer 3D-Bauteilkontur hergestellt werden können. Gegenüber dem klassischen Fertigungsprozess entfällt dabei die Herstellung der Fasermatte. Durch die Qualifizierung der Faserblastechnologie kann der Werkstoff auch für andere Branchen interessant werden. Durch die gezielte Einstellung unterschiedlicher Dichten im Bauteil ist eine lastpfadgerechte Dimensionierung möglich, was wiederum Gewichtseinsparungen mit sich bringt.