Gewichtsreduktion ist eine der entscheidenden Herausforderungen, um nachhaltige Fahrzeuge zu entwickeln. Der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in Form von Naturfasern, wie Flachs, Kenaf oder Hanf, ist Stand der Technik und findet vor allem in der Automobilindustrie Anwendung. Die Gr\u00fcnde sind zahlreich. Naturfasern sind wesentlich kosteng\u00fcnstiger als Carbonfasern und leichter als Glasfasern. Dadurch ergeben sich Kosten- und Gewichtsvorteile. Es lassen sich zudem hervorragende mechanische Eigenschaften erzielen. Schlie\u00dflich bietet die Verwendung von Naturfasern einen deutlichen \u00f6kologischen Vorteil. [1, 2] H\u00e4ufig kommen dabei Hybridverbunde zum Einsatz. Durch Hybridverbunde lassen sich die Vorteile von Spritzguss und Pressverfahren kombinieren (Funktionalisierung bei hoher Eigensteifigkeit)<\/p>\n
T\u00fcrverkleidung im Automobilinterieur (Hybridverbund aus Naturfasern und Kunststoff) [3] (Bildquelle: TH Rosenheim)<\/p>\n
Holzfasern sind in diesem Bereich noch nicht umfassend untersucht und werden deshalb in der Automobilindustrie kaum eingesetzt. Die Hauptanwendungen in der Kunststoffindustrie sind Wood-Plastic-Composites (WPC) in denen Holzsp\u00e4ne als F\u00fcllstoff verwendet werden. [4] Holzfasern haben jedoch erhebliche Vorteile gegen\u00fcber klassischen Naturfasern wie Flachs oder Kenaf. Sie k\u00f6nnen auch in Westeuropa generiert und m\u00fcssen nicht aus Asien importiert werden. Somit ist die Qualit\u00e4t leichter sicherzustellen und die Abh\u00e4ngigkeit von Rohstoffrisiken (Preis-, Verf\u00fcgbarkeitsschwankungen) geringer. Des Weiteren k\u00f6nnen Holzfasern mit definierten und f\u00fcr die jeweilige Anwendung optimalen Eigenschaften hergestellt werden. [5]<\/p>\n
In-Mould-Compoundierung von Holzfasern<\/p>\n
Im Technikum der TH Rosenheim k\u00f6nnen Holzfasern hergestellt werden. Hackschnitzel aus Fichte werden thermisch-mechanisch auf einer 12\u201c Laborrefineranlage von Andritz, Grau, \u00d6sterreich, zu Fasern aufgeschlossen. Die Verarbeitbarkeit der Holzfasern \u00fcber einen In\u2011Mould\u2011Compounder (KraussMaffei 300 CX IMC) wurde \u00fcber ein Multipr\u00fcfk\u00f6rperwerkzeug untersucht. Als Benchmark wurde ein am Markt verf\u00fcgbares WPC verwendet.<\/p>\n
Zugpr\u00fcfung (ISO 527-1\/1B) und MFR-Messung von compoundierten Holzfasern mit unterschiedlichem F\u00fcllgrad im Vergleich zu einem WPC. (Bildquelle: TH Rosenheim)
\nDie Holzfasern wurden in verschiedenen F\u00fcllgraden mit Polypropylen (PP) und Haftvermittler compoundiert. Ein steigender F\u00fcllgrad resultiert in stetig besseren Eigenschaften bei der Zugpr\u00fcfung. Mit einem Holzfaseranteil von 30\u00a0Gew.-% k\u00f6nnen wesentlich h\u00f6here Festigkeiten wie bei dem am Markt verf\u00fcgbaren WPC erzielt werden. Die Pr\u00fcfk\u00f6rper wurden au\u00dferdem einer MFR (Melt-Flow-Rate) Messung unterzogen. Dabei wurde die Viskosit\u00e4t und die Dichte der Schmelze bei 170 \u00b0C und einem Pr\u00fcfgewicht von 10 kg ermittelt. Ein steigender Holzfaseranteil resultiert demnach in einer Verringerung der Melt-Flow-Rate und einer Erh\u00f6hung der Dichte. Die Dichte der Pr\u00fcfk\u00f6rper im erkalteten Zustand erh\u00f6ht sich von ca. 0,9 g\/cm\u00b3 bei reinem PP auf ca. 1,2 g\/cm\u00b3 bei einem Holzanteil von 30 Gew.-%.<\/p>\n
Vliese mit Holzfaser<\/p>\n
Wickelstation f\u00fcr das Holzfaservlies nach der Doppelbandheizung [6] (Bildquelle: TH Rosenheim)<\/p>\n
In Zusammenarbeit mit dem \u00f6sterreichischen Autefa Solutions Nonwovens Competence Center in Linz wurden Versuche zur Vlieslegung mit Holz- und PP-Fasern durchgef\u00fchrt. Die Fasern wurden \u00fcber eine Air-Lay-Anlage zu einem Vlies gelegt und \u00fcber eine Doppelbandheizung zu einem Halbzeug thermisch gebunden.<\/p>\n
Die Halbzeuge wurden in einem zweiten Schritt \u00fcber eine Hei\u00dfpresse und eine gek\u00fchlte Presse zu Platten auf die gew\u00fcnschte Dicke konsolidiert. Die mechanischen Eigenschaften des Holzfaservlieses wurden mit einem am Markt verf\u00fcgbaren vernadelten thermoplastischen Naturfaservlies als Benchmark verglichen.<\/p>\n
Zugpr\u00fcfung (ISO 527-4) von einem Naturfaservlies (Benchmark) und einem Holzfaservlies (Bildquelle: TH Rosenheim)<\/p>\n
Die Proben f\u00fcr die Zugpr\u00fcfung nach ISO 527-4 wurden in und quer zur Produktionsrichtung aus dem Vlies entnommen. Die Werte quer zur Produktionsrichtung f\u00fcr Steifigkeit und Festigkeit des Naturfaservlieses sind im Rahmen der Standardabweichung vergleichbar mit denen des Holzfaservlieses. Bei Proben, die in Produktionsrichtung entnommen wurden, zeigen sich starke Unterschiede.<\/p>\n
Die Werte bei dem Holzfaservlies weichen in Abh\u00e4ngigkeit von der Produktionsrichtung wesentlich h\u00f6her voneinander ab als bei dem Naturfaservlies. Diese Abweichung zu minimieren, ist Gegenstand zuk\u00fcnftiger Untersuchungen.<\/p>\n
Weiterverarbeitung zu Hybridverbunden
\nDas Naturfaservlies als Benchmark und das Holzfaservlies wurden zu Hybridverbunden weiterverarbeitet. Als Werkzeug wurde ein Hybridwerkzeug verwendet, welches zwei unterschiedliche Rippengeometrien aufweist. Die Verbundhaftung von Rippe zu Vlies wird \u00fcber eine Abzugsvorrichtung mittels eines Kopf-Zug-Versuchs gepr\u00fcft.<\/p>\n
Abzugswerte der Rippen mit Fu\u00df an dem Naturfaser- und Holzfaservlies bei zwei Einlegertemperaturen. (Bildquelle: TH Rosenheim)<\/p>\n
Von Rippen mit Fu\u00df wurden an Naturfaser- und Holzfaservlies bei zwei Einlegertemperaturen Abzugswerte ermittelt. Bei der ersten untersuchten Temperatur (Raumtemperatur, kurz: RT) wurden die Einleger ohne vorheriges Aufheizen in das Hybridwerkzeug eingelegt. Bei der zweiten Temperatur wurden die Einleger in einem Infrarotofen auf eine Kerntemperatur von 170 \u00b0C gebracht. Als Anspritzmaterial wurde PP mit 3 Gew.-% Haftvermittler und 20 Gew.-% Fichtefasern direkt compoundiert und angespritzt.<\/p>\n
Die Abzugswerte der Rippen, die bei Raumtemperatur angespritzt wurden, sind deutlich niedriger als die der aufgeheizten Vliese. Bei Raumtemperatur zeigt sich kaum ein Unterschied in der Verbundhaftung zwischen dem Holz- und Naturfaservlies. Die Abzugswerte nach dem Aufheizen sind bei dem Naturfaservlies um circa 26 Prozent h\u00f6her als bei dem Holzfaservlies. In allen vier gezeigten F\u00e4llen handelt es sich um einen Mischbruch. Die Rippe bleibt unbesch\u00e4digt. Der Bruch zeigt sich in der Grenzfl\u00e4che von Vlies zu Rippe (Adh\u00e4sionsbruch) und im Vlies (Koh\u00e4sionsbruch). Das Aufheizen des Vlieses erh\u00f6ht den koh\u00e4siven Bruchanteil. Bei Einlegertemperaturen von 170 \u00b0C bleiben deutlich mehr Natur- und Holzfasern an den Rippen, was auf einen erh\u00f6hten koh\u00e4siven Bruchanteil hindeutet.<\/p>\n
Durch das Aufheizen kann die Schmelze tiefer in das Naturfaservlies eindringen. Dies kann zu optischen Beeintr\u00e4chtigungen auf der Sichtseite des Vlieses f\u00fchren. Die Abzeichnungen der Rippen k\u00f6nnen selbst nach einen Kaschierprozess, zum Beispiel bei einer T\u00fcrverkleidung, sichtbar sein.<\/p>\n
Mikroskopische Aufnahmen von Mikrotomanschnitten der Rippen mit Fu\u00df an Naturfaser- und Holzfaservliesen bei zwei Einlegertemperaturen (Bildquelle: TH Rosenheim)<\/p>\n
Das kalt eingelegte Holzfaservlies wird durch das Werkzeug auf circa 2 mm nachverdichtet, da die urspr\u00fcngliche Dicke des Halbzeugs bei etwa 2,3 mm liegt. An der Stelle der Rippe bleibt das Vlies bei rund 2,3 mm. Wird das Holzfaservlies vor dem Einlegen aufgeheizt, wird es bei der Rippe durch den Spritzdruck ebenfalls auf circa 2 mm nachkomprimiert. Ein tiefes Eindringen der Schmelze in das Holzfaservlies konnte nicht beobachtet werden.<\/p>\n
Zusammenfassung und Ausblick
\nHolzfasern zeigen ein gro\u00dfes Potenzial f\u00fcr thermoplastische Hybridverbunde. Aufgrund ihrer technischen, \u00f6kologischen und \u00f6konomischen Eigenschaften sind Holzfasern f\u00fcr die Kunststofftechnik sehr interessant. Weitere Untersuchungen werden aktuell durchgef\u00fchrt, um mehr \u00fcber deren Eigenschaften zu erfahren.<\/p>\n
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Dank<\/p>\n
Wir danken allen industriellen Kooperationspartnern, welche dieses Projekt unterst\u00fctzen (in alphabetischer Reihenfolge): Brose Fahrzeugteile, Bamberg, Faurecia\u00a0Autositze, Stadthagen, Frimo, Sontra, Krauss Maffei Technologies, M\u00fcnchen, Krelus, Oberentfelden, Schweiz, Pfleiderer\u00a0Deutschland, Neumarkt, und P\u00f6ppelmann, Lohne.<\/p>\n
Au\u00dferdem geht ein herzliches Dankesch\u00f6n an Borealis Polyolefine, Linz, \u00d6sterreich, und die J.H. Ziegler Natural Nonwovens, Lambrecht, die uns Versuchsmaterialien bereitstellen. Des Weiteren bedanken wir uns bei Autefa Solutions, Linz, \u00d6sterreich, f\u00fcr die gemeinsamen Vlieslegeversuche.<\/p>\n
<\/p>\n
Quellen:<\/p>\n
[1] M\u00fcssig, J.: Industrial application of natural fibres, Structure, properties, and technical applications, Wiley series in renewable resources, Wiley, Chichester, West Sussex, U.K., 2010<\/p>\n
[2] Bledzki, A.; Faruk, O.; Sperber, V.: Cars from Bio\u2010Fibres, Macromolecular Materials and Engineering 291 (5), S. 449\u2013457, 2006<\/p>\n
[3] Yanfeng Automotive Interiors: Pressematerial IAA 2017, 2017<\/p>\n
[4] Stadlbauer,W.: Wood Plastic Composites \u2013 Neues Eigenschaftsprofil durch Refinerfasern, Berichte aus Energie- und Umweltforschung 63\/2010, BMVIT, Wien, 2010<\/p>\n
[5] Schemme, M.; Michanickl, A.; Karlinger, P.: Neue Naturfaser \u2013 Kunststoffverfahren und -werkstoffe f\u00fcr den Fahrzeug-, Holz- und M\u00f6belbau, 2. Kooperationsforum \u201eHolz als neuer Werkstoff\u201c, Regensburg, 2015<\/p>\n
[6] TH Rosenheim; Autefa Solutions Nonwovens Competence Center Linz: Versuchsprotokoll, Linz, 2019
\n\u00dcber die Autoren<\/p>\n
Prof. Dipl.-Ing. Peter Karlinger leitet das Fachgebiet Spritzguss und Werkzeugbau an der Technischen Hochschule Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n
Prof. Dr.-Ing. Michael Schemme leitet das Fachgebiet Faserverbundkunststoffe an der Technischen Hochschule Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n
Frederik Obermeier, M. Sc., ist Projektmitarbeiter F&E Kunststofftechnik an der Technischen Hochschule Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n
Mara Schumacher, B. Eng., ist Projektmitarbeiterin F&E Holztechnik an der TH Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n
Simon Barth, M. Sc., ist Projektmitarbeiter F&E Holztechnik an der TH Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n
Prof. Dr. Andreas Michanickl leitet das Fachgebiet Holzwerkstofftechnik an der TH Rosenheim in Rosenheim.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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