Naturstoffkomposite
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
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Im Bereich Naturstoffkomposite steht die Reduzierung des Anteils petrochemischer Komponenten bei gleichzeitiger Erhöhung des Gebrauchswertes im Vordergrund. Das Materialspektrum reicht dabei von duroplastischen bis hin zu thermoplastischen Matrizes mit Verstärkungskomponenten aus nachwachsenden Rohstoffen. Durch die systematische Untersuchung von Verarbeitungsparametern im Labormaßstab werden innovative Materialkombinationen entwickelt und mit Methoden der Polymeranalytik umfassend charakterisiert.
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- Themen
- Informationen
- Publikationen
Leistungen
- Entwicklung maßgeschneiderter Polymercompounds im Labormaßstab
- Material- und Verfahrensentwicklung für die Verschäumung pflanzenölbasierter Materialsysteme
- Ableitung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen für Naturfaser verstärkte Verbundwerkstoffe
- Umfassende rheologische, mechanische und thermomechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Bauteilen
- Qualitätssicherung bei Wood-Plastic-Compounds (Gütesiegel WPC)
Themen
- Verarbeitungsverhalten von Naturstoff-Kompositen
- Design und Bewertung von Polymerblends
- Optimierung von Trägerstrukturen zur Nutzung regenerativer Energien
- Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polymerschäumen
Verarbeitungsverhalten von Naturstoff-Kompositen
Die Aktivität in der Forschung und Entwicklung neuer Werkstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe intensiviert sich zunehmend. Durch die drohende Verknappung fossiler Rohstoffe ist man auf neue Entwicklungen auf Basis alternativer Materialien angewiesen. Mit Naturstoffen konnten schon sehr bemerkenswerte Eigenschaften erzielt werden. Für den Einsatz von naturfaserverstärkten Werkstoffen setzte sich in Form der Wood-Plastic Composites (WPC) deshalb eine interessante Kombination durch. Durch die Verbindung fossiler Rohstoffe, wie PP, HD-PE oder PVC mit Naturfasern realisiert man eine Teilsubstitution endlicher durch nachwachsende Ressourcen und erhält neuartige Produkte mit interessanten Eigenschaften. Eine ökonomische wie auch ökologische Nutzung in vielen Einsatzbereichen ist möglich.
Mit Hilfe von Mischknetern und Laborextrudern wird zunächst getestet ob und wie sich Naturfasern jeglicher Art (Holz, Hanf, Flachs, Jute,…) in einen Kunststoff einarbeiten lassen. Die Komposite werden anschließend zu Spritzgießkörpern verarbeitet und mit verschiedenen Prüfmethoden mechanisch, thermisch und rheologisch untersucht. Dabei zeigt sich, welche Eigenschaften positiv oder negativ beeinflusst werden. Ziel ist es die Eigenschaften an eine bestimmte Anwendung anzupassen.
Strukturen aus nachwachsenden Rohstoffen für das Bauwesen. (PDF)
Design und Bewertung von Polymerblends
Polymerblends sind Mischungen von mindestens zwei polymeren Werkstoffen mit dem Ziel, Eigenschaften des Blends zu modifizieren. Auf Grund der thermodynamischen Mischbarkeit der Blendkomponenten wird dabei in homogene und heterogene Blendsysteme unterschieden. Die Eigenschaften eines heterogenen Blends werden durch die sich während der Compoundierung einstellende Phasenmorphologie bestimmt. Dabei entscheidet neben dem Volumenanteil der heterogenen Phasen auch die Form und die Größe der dispersen Teilchen, deren Anbindung an die Matrix sowie die Stabilität der Morphologie während des Verarbeitungsprozesses über das Niveau anwendungsrelevanter Eigenschaften. Somit ergibt sich durch das Mischen vor allem thermoplastischer Kunststoffe eine kostengünstige und praktikable Methode zur Entwicklung neuer Werkstoffe mit verbesserten Eigenschaften.
Funktionsintegrierter Leichtbau
Grundlage für ein materialspezifisches Design ist die analytische Betrachtung der Materialeigenschaften. Über die Materialsubstitution hinaus können durch Funktionseintrag ökonomische als auch ökologische Vorteile erreicht werden. Dies kann zum einen die freie designorientierte Formgebung der Wood-Plastic-Compounds in Form von Hohlkammerprofilen mit Mediendurchführungen (zum Beispiel Licht & Strom) für den Einsatz in der Möbel- und Bauindustrie oder die Integration von elektrischen Komponenten in tragenden Kunststoffrahmen von Solarmodulen sein. Der Bereich Polymercompounds legt Leichtbaukomponenten anwendungsgerecht aus, entwirft belastungsgerechte Konstruktion, wählt die geeignete Fertigungstechnologie aus, und prüft die Komponenten nach einer prototypischen Herstellung.
Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Polymerschäumen
Durch die Verwendung geschäumter Polymere werden Bauteile konstruiert, die für eine Vielzahl von Leichtbauanwendungen die Basis bilden. Neben den geforderten mechanischen Eigenschaften erfüllt der Schaumwerkstoff dabei weitere Anforderungen wie Wärme- und Geräuschdämmung sowie den wirtschaftlichen Aspekt eines verringerten Materialeinsatzes. Durch Ausschäumen mit möglichst leichten und zugleich mechanisch belastbaren und wärmeformbeständigen Werkstoffen lassen sich so die Leistungsmerkmale von Leichtbau-Strukturen erheblich steigern. Als Materialien kommen dabei sowohl thermoplastische als auch duroplastische Polymere zum Einsatz. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen werden zum Beispiel mit Computertomographie und Rasterelektronenmikroskopie abgeleitet. Die Vorhersage des Verhaltens der Schaumwerkstoffe unter variierenden Einsatzbedingungen erfolgt durch die Simulation mittels der Finite-Elemente-Methode.
Informationen
Ausbildung:
Im Bereich Naturstoffkomposite besteht die Möglichkeit zur Ausbildung zur Werkstoffprüferin oder Werkstoffprüfer mit dem Schwerpunkt Kunststoffe. Diese Spezialisten untersuchen insbesondere polymere Werkstoffe und Bauteile auf ihre Eigenschaften, mögliche Schadensfälle und überwachen Fertigungsprozesse.
Beschäftigungsmöglichkeiten finden sich in Betrieben und Institutionen der Werkstoffentwicklung, -herstellung und -verarbeitung. Das sind zum Beispiel Materialprüfämter, Prüfanstalten, Betriebe des Fahrzeug- und Maschinenbaus und der Elektro- und Elektronikindustrie. In der Regel arbeiten Werkstoffprüferinnen und -prüfer in Laboren oder speziell eingerichteten Prüfwerkstätten sowie Werkshallen.
Lehre:
Vorlesung an der Hochschule für Kunst und Design (Burg): »Konstruktion und Werkstoffkunde«.
Publikationen
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Liste unserer Veröffentlichungen:
- Busch, M.; Jahn, I.; Krombholz, A.; Theumer, T., Modifizierung von Holz-Polymer-Werkstoffen im Hinblick auf den Außeneinsatz, NaroTec 2010
- Eckardt, J.; Busch, M.; Krombholz, A., Verarbeitungsverhalten von Celluloseregeneratfaserverstärkten Thermoplasten, Polymeric Materials 2010
- Krombholz, A., Materialeffizienz an der Schnittstelle zur Werkstoffmechanik, Deutsche Materialeffizienzagentur (DEMEA): Einführungsveranstaltung für Materialeffizienzberater Berlin, 2010
- Krombholz, A.; Theumer, T.; Wüstenhagen, S., Wissenstransfer durch innovative Designkonzepte - das Projekt TransDesign, Workshop des ISW-Instituts Halle: Aspekte der Produktentwicklung an der Schnittstelle zwischen Ultraschall- und Kunststofftechnik, 2010
- Krombholz, A., Einsatz von Ultraschall zur Material- und Bauteilcharakterisierung, Innovationsforum bei SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH »Neue Möglichkeiten beim Messen und Prüfen mit Ultraschall«, 2007
- Eckardt, J.; Busch, M.; Jahn, I., Untersuchung des Verarbeitungsverhaltens von Celluloseregeneratfasern (CRF) verstärkten Thermoplasten, Proceedings of the10th International AVK-Conference for reinforced Plastics and Thermosets AVK, 2007
- Busch, M.; Eckardt, J., Einfluss der Verarbeitungsbedingungen auf die Eigenschaften von Naturfaserverbunden, Polymerwerkstoffe, 2006
- Eckardt, J.. Untersuchung zum reologischen Verhalten faserverstärkter Thermoplaste, Innovationsforum: »Kunststoffverarbeitung – Neue Anwendungsgebiete – Innovative Produkte und Technologien«, 2006
- Eckardt, J.; Busch, M.; Jahn, I., Untersuchung des Verarbeitungsverhaltens von Celluloseregeneratfasern (CRF) verstärkten Thermoplasten, 10. Internationale AVK-Tagung, 2006
- Holstein, P.; Maschke, H.-G.; Krombholz, A., Busch, M., Lebensdauer von Bauteilen – Langzeitverhalten und bruchmechanische Aspekte, 7. Tagung »Technische Diagnostik«, 2006
- Holstein, P.; Maschke, H.-G.; Krombholz, A., Verbesserte Lebensdauerabschätzung von Kunststoffbauteilen, Konstruktion: IW8, 10-2006
- Holstein, P.; Krombholz, A.; Maschke, H.; Busch, M., Bewertung des Einsatzverhaltens von Kunststoff-Bauteilen mit einer erweiterten bruchmechanischen Methodik, Polymerwerkstoffe, 2006
- Krombholz, A., Moderne optische Messmethoden zur Charakterisierung von Langfaserverstärkten Bauteilen, Innovationsforum: »Kunststoffverarbeitung – Neue Anwendungsgebiete – Innovative Produkte und Technologien«, 2006
- J. Eckardt, O. Borth, M. Busch, A. Krombholz, P. Lühe, An improved characterisation of long-fibre thermoplastics for numerical simulation of components, 21st Annual Meeting of the Polymer Processing Society PPS, 2005
- Krombholz, A.; Schäuble, R.; Kyrkach, O.; Bewertung und Auslegung von Faserverbundkunststoff-Metall-Fügeverbindungen, Proc. on 2. Landshuter Leichtbau-Colloquium, 2005
- Krombholz, A.; Busch, M.; Maschke, H., Verbesserte Bewertung des Einsatzverhaltens von Kunststoff-Bauteilen mit einer erweiterten bruchmechanischen Methodik, Proc. on Werkstoffprüfung 2005, Herausforderungen neuer Werkstoffe an die Forschung und Werkstoffprüfung, 2005
- Krombholz. A.; Goldstein, A.; Eckardt, J., Charakterisierung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, Konstruktion, Zeitschrift für Produktentwicklung und Ingenieur-Werkstoffe, 2005
- Meinicke, S.; Eckardt, J.; Krombholz, A., Leichtbauprofile aus Cellulosefaserverstärktem Polypropylen, TECHNOMER 2005, 19. Fachtagung über Verarbeitung und Anwendung von Polymeren, 2005
- Borth, O.; Eckardt, J.; Lühe, P., Berechnung von Bauteilen aus Langfaser-Thermoplasten, Konstruktion: IW15, 10-2004
- Borth, O.; Drexler, D.; Dehn, F., Beläge aus Wood-Polymer-Compounds - Alternative Konzepte für Fußgänger- und Radwegbrücken, Holz- und Kunststoffverarbeitung, 11-2004
- Borth, O., Eckardt, J., Lühe, P., Berechnung von Bauteilen aus Langfaser-Thermoplasten, Konstruktion, 10-2004
- Radtke, A.; Borth, o.; Eckardt, J.; Henning, J.; Eyerer, P., Rheology, Mold Filling and Structural FE-Simulation of LFT-D and Tailored LFT-Structures in Proceedings of the 25th Jubilee Int. SAMPE, 2004
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