Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSUD-Tapes mit hohem Bio-Anteil als nachhaltige Leichtbau-Lösung
Biobasierte, endlosfaserverstärkte UD-Tapes für den Leichtbau wollen fünf Partner aus Mitteldeutschland gemeinsam entwickeln und zugleich Lösungen für die Herstellung bis zum Pilotmaßstab schaffen. Dazu arbeiten das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen MWS, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, die Hochschule Merseburg, die DOMO Engineering Plastics GmbH und die DBF GmbH zusammen. Sie setzen auf eine Kombination aus biobasiertem Polyamid als Matrix und Basaltfasern als Verstärkungskomponente.
Thermoplastische UD-Tapes bieten große Potenziale für den Leichtbau in Strukturanwendungen.
Endlosfaserverstärkte Halbzeuge (UD-Tapes) sind zunehmend gefragt für Anwendungen mit hohen mechanischen Bauteilanforderungen. Ihr Vorteil: Sie ermöglichen hohe Festigkeit und Steifigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien – all das bei sehr geringem Gewicht. Erreicht wird dieser Effekt, weil die kontinuierlichen Verstärkungsfasern in den Tapes in einer einzigen Richtung angeordnet sind. Die Fasern werden mit einer Matrix aus Harz oder thermoplastischen Polymeren imprägniert und zu einem sehr dünnen Band mit hohem Faseranteil (Tape) geformt. Durch die gezielte Überlagerung mehrerer Tapes, die in verschiedenste Richtungen möglich ist, können anforderungsspezifisch und lokal die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils optimiert werden, insbesondere in Strukturanwendungen.
Neben duroplastbasierten Systemen (sogenannte Prepregs) sind in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luftfahrt, dem Behälterbau oder der Sportindustrie zunehmend auch thermoplastbasierte UD-Tapes gefragt. Sie bieten im Vergleich zu Duroplasten viele Vorteile wie Recyclierbarkeit oder effiziente Verarbeitungsverfahren. Wenn sich diese endlosfaserverstärkten Halbzeuge als biobasierte Materialansätze realisieren lassen, steigt ihr Mehrwert weiter.
»Biobasierte, thermoplastische UD-Tapes sind angesichts des Interesses der Industrie an nachhaltigen Lösungen der nächste logische Schritt in der Wertschöpfung. In unserem Projekt wollen wir deshalb den Weg für solche Tapes mit einem möglichst hohen biobasierten Anteil und attraktiven mechanischen Eigenschaften bahnen«, sagt Ivonne Jahn, die am Fraunhofer IMWS das Projekt »Biobasierte Polyamid-Tapes für den Struktur-Leichtbau (Bio-PA-Tape)« leitet.
Im Projekt, das vom Leistungszentrum Chemie- und Biosystemtechnik gefördert wird, sollen biobasierte Matrices aus Polyamid (PA) mit optimierten Material- und Verarbeitungseigenschaften entwickelt werden. Als Verstärkungsfasern werden nachhaltige Basalt- und Celluloseregeneratfasern erprobt. Zu den Projektzielen gehört auch der Nachweis, dass die entwickelten Materialien und Verarbeitungsprozesse für die Fertigung von Mustermengen im Pilotmaßstab geeignet sind. Deshalb erfolgen die Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau, wo entsprechende Anlagen betrieben werden.
Am Fraunhofer IAP sollen zunächst im Labormaßstab geeignete Bio-PA-Typen für den verarbeitungstechnischen Einsatz in UD-Tapes entwickelt werden. Relevant sind hier insbesondere gute Fließeigenschaften für eine optimale Benetzung der Fasern im UD-Tape-Prozess. In einem zweiten Schritt wird der Syntheseprozess in den Pilotmaßstab transferiert. Das Fraunhofer IMWS entwickelt aus diesen hergestellten Materialien das Tape und die Prozesstechnik zu dessen Herstellung. Im Fokus steht hier der Schmelzeimprägnierprozess für verschiedene Bio-PA-Tapes unterschiedlicher Rezepturen, ebenfalls im Pilotmaßstab. An der Hochschule Merseburg werden die Halbzeuge anschließend materialtechnisch charakterisiert. Die Partner Domo und DBF stellen Rohstoffe (Bio-PA und Basaltfasern) für die Tape-Entwicklung sowie Referenzmaterialien zur Verfügung.
»Wir wollen sowohl den Weg zu neuen Werkstofflösungen eröffnen als auch lokalen Industriepartnern attraktive Verwertungswege ihrer Materialien durch Proof of concepts aufzeigen. Ergebnis sollen neben den hergestellten Demonstrator-Materialien auch deutlich weiterentwickelte Herstellungsverfahren sein. Wir streben einen Reifegrad an, der direkt in industrielle Prozesse transferiert werden kann«, sagt Jahn.