Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS
Bio-UD-Tapes aus Zelluloseregeneratfasern und Polymilchsäuren-Polypropylen-Matrix.
Biobasierte UD-Tapes – neue Lösungen für den Leichtbau
Um das Klima zu schützen, soll der Schadstoffausstoß aus dem Autoverkehr bis zum Jahr 2020 deutlich gesenkt werden, hat die EU-Kommission beschlossen. Die Industrie ist deshalb auf der Suche nach kreativen Lösungen, etwa für Gewichtseinsparungen. Denn je leichter ein Auto ist, desto geringer ist sein Kraftstoffverbrauch. Ein wichtiger Trend dabei: Metallische Werkstoffe werden durch Kunststoffe ersetzt. Am Fraunhofer IMWS arbeiten Forscher an einer Technologie, die sogar den Einsatz nachwachsender Rohstoffe möglich macht.
Die UD-Tape-Anlage am Fraunhofer PAZ ermöglicht weltweit einmalige Verarbeitunsgrößen und -geschwindigkeiten.
Sie setzen dabei auf Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV). Diese sind ideal für den Leichtbau geeignet, dann sie weisen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte auf. Zudem verfügen Faser-Kunststoff-Verbunde über erhebliches Energieaufnahmevermögen, gute Dämpfungseigenschaften sowie eine hohe Korrosions- und Witterungsbeständigkeit. Als Materialklasse mit dem größten Potenzial sind hierbei endlosfaserverstärkte Thermoplast-Systeme anzusehen, so genannte UD-Tapes mit unidirektional ausgerichteten Fasern. Bei ihnen kann die Faserorientierung während der Herstellung direkt an den Lastverlauf im späteren Einsatzfall angepasst werden. Genau an den Stellen, die besonders hohe Belastungen aushalten müssen, ist das Material also besonders leistungsfähig.
So können sehr leichte Bauteile entstehen, die auch eine wichtige Rolle für Schlüsseltechnologien wie die Elektromobilität spielen. Denn je leichter ein Elektroauto ist, desto höher wird – bei gleicher Batterie – seine Reichweite. Besonders attraktiv sind die Faser-Kunststoff-Verbunde, weil sie auch aus biobasierten Materialien gefertigt werden können. So entstehen Kunststoffe, die nicht auf Erdöl basieren, sondern auf nachwachsenden Rohstoffen.
Für die biobasierten Verbundwerkstoffe am Fraunhofer IMWS werden Celluloseregeneratfasern als Verstärkungsfasern und Polymilchsäuren als Polymermatrix genutzt. Ein Strang aus Endlosfasern wird dabei zunächst zu einem UD-Tape verarbeitet, aus mehreren Schichten dieser Tapes entstehen dann Bio-Laminate, die zum Beispiel als Verstärkungselemente in Leichtbaustrukturen genutzt werden.
Am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau ist die Fertigung dieser Tapes bis zu einer Breite von 50 Zentimeter mit einer Produktionsgeschwindigkeit von bis zu 20 m/min möglich – das ist weltweit einzigartig.
Die Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, die Einsatzmöglichkeiten der Laminate zu erweitern, etwa durch spezielle Baugruppen für das Interieur von Autos, und zudem die Herstellung im Industriemaßstab wirtschaftlicher zu machen. Dazu werden innovative Verfahren, Werkzeuge und Materialkombinationen entwickelt sowie Spritzgusswerkzeuge optimiert und angepasst, um das Potenzial für Leichtbau und damit den Klimaschutz durch biobasierte Verbundwerkstoffe noch besser zu nutzen.
Schema der Anlage zur Herstellung von UD-Tapes.