Das Projekt

DuroBast – Dauerhafte und ressourcenschonende Composit-Strukturbauteile auf Basis neuartig vorbehandelter und verarbeiteter Bastfastern

Im Verbundvorhaben “DuroBast” werden innovative, biobasierte Materialien entwickelt, die als Werkstoff zur Herstellung von Strukturbauteilen für verschiedene Anwendungen im Großserienmaßstab dienen. Das Ziel ist die Herstellung thermoplastisch umformbarer naturfaserverstärkter Kunststoffe (NFK) mit geringer Feuchteaufnahme und verbesserten mechanischen Eigenschaften. Sie sollen dafür geeignet sein, in Bereichen eingesetzt werden zu können, die bislang auf Grund unzureichender Festigkeiten und hohem Feuchteaufnahmevermögen für Naturfasern nicht zugänglich waren.

Als Polymermatrix werden biobasierte Kunststoffe dienen, um zu 100 % biobasierten Materialien zu gelangen. Entlang der Wertschöpfungskette von der Faser bis zur Anwendung erarbeiten die Projektpartner gemeinsam Lösungswege zur Zielerreichung und übertragen die Projektergebnisse auf die konkreten Anwendungsfelder Automobilinterieur (Türverkleidung), Sportgeräte (Snowboards) und den öffentlichen Transport (Faltenbalg). Angepasste Charakterisierungsmethoden ermöglichen fundierte Aussagen über das Eigenschaftsprofil der Werkstoffe sowie realistische Lebensdauervorhersagen unter verschiedenen Einsatzbedingungen.

Eine parallel durchgeführte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung gewährleistet, dass frühzeitig nur aus ökonomischer Sicht umsetzbare Lösungswege weiterverfolgt werden. In diesem Teilvorhaben liegt der Schwerpunkt auf der Auswahl Konditionierung und Vorbehandlung der Naturfasern, mit dem Ziel die Fasern auf geeignete Weise hydrophob auszurüsten, um die Wasseraufnahmefähigkeit der Verbundwerkstoffe herabzusetzen.

Zur Zielerreichung werden einerseits innovative Faserkonditionierungen zum Einsatz kommen, andererseits werden die Faserkavitäten und –zwischenräume mit einem Polymer gefüllt, so dass auch an beschädigten Stellen und Schnittkanten die Wasseraufnahme verhindert wird.

Übersicht über die Teilvorhaben und Teilaufgaben

Teilaufgabe 1:
Projektmanagement – LBF

Gesamtkoordination des Projektes, Berichtserstattung, Öffentlichkeitsarbeit

Teilaufgabe 2:
Faserauswahl und -beschaffung – LBF / eta Resourcenmanagement

Von den heimischen Bastfasern Flachs und Hanf werden verschiedene Typen beschafft und hinsichtlich Verfügbarkeit, Preis und Verarbeitbarkeit bewertet. So kann zu einem frühen Zeitpunkt ein Fasertyp für alle Projektpartner für den weiteren Projektverlauf festgelegt werden. Zum Vergleich werden neben den einheimischen Fasern auch andere Fasern untersucht. Im Wesentlichen unterscheiden sich diese in ihrem Anteil an Zellulose, Hemizellulose, Ligninen, Pektinen sowie Fetten und Wachsen.

Die Pflanzenfasern werden bearbeitet und Beeinflussungsmöglichkeiten untersucht. Ausgewählte Fasertypen werden unter Zugabe von Additiven eingelagert und später den Projektpartnern zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. 

Teilaufgabe 3:
Faservorauswahl – LBF / Hübner / Rhenoflex

In dieser Teilaufgabe liegt der Schwerpunkt auf Vorbehandlung der Naturfasern, mit dem Ziel die Fasern auf geeignete Weise hydrophob auszurüsten, um die Wasseraufnahmefähigkeit der Verbundwerkstoffe herabzusetzen. Zur Zielerreichung werden einerseits innovative Faserkonditionierungen zum Einsatz kommen, andererseits werden die Faserkavitäten und –zwischenräume mit einem Polymer gefüllt, so dass auch an beschädigten Stellen und Schnittkanten die Wasseraufnahme verhindert wird. Weiterhin werden verschiedene Hydrophobierungsagenzien beschafft, die großtechnisch verfügbar sind. Diese werden zur Faserbehandlung eingesetzt, um Vergleichsmaterialien zu erzeugen, anhand derer die Vorteile der im Projekt weiterzuentwickelnden Kavitätenpolymerisation herausgearbeitet werden sollen. Ein weiter Schwerpunkt dieser Teilaufgabe ist die Evaluation, an welcher Stelle der Prozesskette die Faservorbehandlung am wirtschaftlichsten und effektivsten durchzuführen ist.

Teilaufgabe 4:
Garnherstellung – ITA / Wagenfelder Spinnereien

Diese Teilaufgabe umfasst die Prozessentwicklung zur Herstellung der innovativen drehungsarmen Garne. Diese Garne werden am ITA in enger Zusammenarbeit mit den Wagenfelder Spinnereien GmbH (WS) entwickelt. Das Potential der Garne wird an vereinfachten Faserverbundproben getestet. Das Ergebnis sind die Parameter zur Herstellung der Garne, die das Hochskalieren beim Projektpartner WS ermöglichen.

Teilaufgabe 5:
Herstellung textiler Flächen – ITA / Gerster

Diese Teilaufgabe beinhaltet die Entwicklung der textilen Flächen. Basierend auf den am ITA im Labormaßstab gewonnenen Erkenntnissen wird die Firma Gustav Gerster GmbH & Co. KG im Unterauftrag das Hochskalieren übernehmen. Das ITA unterstützt durch die Charakterisierung der entwickelten Textilen.

Teilaufgabe 6:
Herstellung von Compositmaterialien – IVW / Rhenoflex

Das Ziel dieses Projektteils ist die Ermittlung von Prozessparametern zur Herstellung von Organoblechen im Labormaßstab, mit anschließender Übertragung auf den industriellen Maßstab.

Zunächst soll die Imprägnierbarkeit der NF-Stapelfasergarn-Textilien und -Vliese untersucht werden. Durch Variation der Verarbeitungsparameter soll ein Optimum sowohl an Imprägnierqualität als auch an erreichbaren mechanischen Eigenschaften erreicht werden.

Die Ergebnisse werden an die Partner weitergegeben, die an der Optimierung der NF-Stapelfasergarn-Textilien und -Vliese arbeiten.

Das Ergebnis werden vollständig imprägnierte Naturfaser-Organobleche als Grundlage für verschiedene Versuche sowie zur Demonstratorherstellung und Charakterisierung im weiteren Projektverlauf sein.

Teilaufgabe 7:
Umformung – Simulationen – Demonstrationen – Hübner / Silabaerg / DST

Das Ziel der Teilaufgabe 7 ist die Ermittlung von Modellierungsrichtlinien zur Simulation von Naturfaser-Textilien und -organoblechen und Herstellung von Demonstratorbauteilen.

Zunächst soll ein Grundverständnis für das Umform- und Tiefziehverhalten der hergestellten Organobleche aufgebaut werden. Hierzu werden Umformversuche durchgeführt, wobei das Hauptaugenmerk auf die Prozesstemperaturen gelegt wird. 

Basierend auf dem Materialverhalten in den Umformversuchen werden die Eingangsparameter zum Aufbau eines Simulationsmodells definiert. Nach Implementierung der spezifischen Materialmodelle werden diese kalibriert und verifiziert.

Auch eine temperaturabhängige Definition des Deformationsverhaltens soll die Modellierungstechnik ermöglichen.

Teilaufgabe 8:
Mechanismenbasierte Charakterisierung und Modellierung des Ermüdungs- und Schädigungsverhaltens Bastfaser-basierter NFKWPT

In dieser Teilaufgabe liegt der Schwerpunkt auf der Charakterisierung von Prozess-Struktur-Eigenschaft-Beziehungen der NFK-Composite, in dem der Einfluss einzelner Faservorbehandlungs- und Konsolidierungsparameter sowie mikrostruktureller Gegebenheiten auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften mittels effizienter Kurzzeit-Prüfmethoden untersucht wird. Ein Schwerpunkt liegt weiterhin auf der anwendungsnahen Prüfung, um die Performance der NFK-Composite im Einsatz abschätzen und berechnen zu können. Prüfungen bei erhöhter relativer Luftfeuchte zielen dabei auf die Validierung eines der Gesamtziele des Verbundvorhabens “Verringerung der Feuchteaufnahme” ab.

Teilaufgabe 9:
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nova-Institut

Das Ziel dieser Teilaufgabe liegt in der Erstellung einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einer Anzahl von Szenarien von Faserrohstoffherstellung bis zur Herstellung der Strukturbauteile. 

Das nova-Institut erfasst parallel zu den technischen Arbeitspaketen alle ökonomischen und energetischen Parameter von Anbau und Ernte der Hanf- und Flachsfasern über die Faservorbehandlung bis zur Herstellung der Strukturbauteile. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beginnt bereits bei der Rohstoffbereitstellung.

Die Kosten für jeden Projektschritt entlang der Prozesskette werden berechnet und frühzeitig zu Optimierungszwecken genutzt.

Das Ergebnis wird ein Bericht über Wirtschaftlichkeitsbewertung der im Projekt definierten Szenarien von Faserrohstoffherstellung bis zur Herstellung der Strukturbauteile sein.