Die zunehmende Bedeutung von Windenergie und Elektromobilität führt zu einem höheren Bedarf an Leichtbaulösungen. Diese müssen hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit garantieren. Kopplungsmittel sorgen für eine starke Verbindung zwischen Harz und Verstärkung, wodurch haltbarere und langlebigere Materialien bei gleichzeitig erhöhter Gestaltungsfreiheit möglich sind.

Mit Kopplungsmitteln lassen sich u. a. die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen für Windkraftanlagen verbessern

Kopplungsmittel steigern die Leistungsfähigkeit von Verbundwerkstoffen

Elektromobilität

Mobilität

Verbundwerkstoffe / Werkstoffverbunde

Kunststoff Werkstoffe

Windkraft

Energieerzeugung

Erneuerbare Energie

Duroplastische Werkstoffe

Duroplaste

Faserverbundwerkstoffe

Andere Werkstoffe

Additive

Das schwächste Glied der Kette stärken

Backsteingebäude, 2850 km Rohre und Riesling

Schröder, Susanne

Streifinger, Florian

Vor Ort bei BASF

Die traditionellen Märkte für glasfaserverstärkte duroplastische Kunststoffe bleiben stabil. Thermoplastcomposites starten bei hybriden Verarbeitungsprozessen durch. Mit pragmatischen Ideen packt die Faserverbundindustrie die Recyclingfrage an.

Das Arevo-„ebike“ hat einen 3D-gedruckten CFK-Monocoque-Rahmen, in den u. a. der Drivematic-Getriebeaktuator von Oechsler integriert werden kann

16:9

20:7

Faserverbundkunststoffe (FVK)

Glasfasern / -matten

Verstärkungsstoffe

Reaktionsharze

Kohlenstofffasern / -matten

Sekundärfasern

Kunststoff-Rezyklat

Fasern

Halbzeuge und Zwischenprodukte

Kunststoff-Halbzeuge

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Aramidfasern

Harzsysteme für Composite-Herstellung

Phenolharze

Harze, Epoxid

Hochleistungskunststoffe

Thermoplaste

Große Vielfalt und pragmatische Ideen

Im Gegensatz zu Thermoplasten werden Duroplaste selten geschäumt. Das liegt unter anderem daran, dass bisher noch wenige serienreife Verfahren zur Herstellung von Duroplastschäumen existieren. Auch beim Schaumspritzgießen fehlt ein solches bisher. In einem Forschungsprojekt wurde nun ein derartiges Verfahren entwickelt und auch untersucht, wie sich die Struktur des Schaums gezielt einstellen lässt.

Teil 2 des Artikels beschäftigt sich mit Designparametern für das Schaumspritzgießen von Duroplasten

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Schaumspritzgießen

Schaumstoffe

Schaumstoffe und Vorprodukte

Duroplast-Spritzgießen

Duroplastschäume nach Maß

Um den hohen Flammschutzanforderungen im Elektronik- und Transportbereich gerecht zu werden, müssen Duromeren häufig Flammschutzmittel zugesetzt werden. Zwei von Clariant entwickelte Flammschutzmittel erfüllen die notwendigen Voraussetzungen.

Faserverbundbauteile aus Epoxidharzen durchgehend halogenfrei flammschützen

Füllstoffe für Kunststoffe

Flammschutzmittel

Filtereffekte bei Flammschutzmitteln vermeiden

Diese Zusammenarbeit hat zum Ziel, die Technologien im Bereich Duroplast-Spritzguss und anderer reaktiver Kunststoffe voranzutreiben und die kooperierenden Unternehmen im Bereich Duroplast zu stärken.

Freuen sich gemeinsam über die neue Kooperation (v.l.): Andreas Schramm (Geschäftsführer Wittmann Battenfeld Deutschland GmbH), Thomas März (Geschäftsführer Procupa GmbH), Ingo Schwarz (Geschäftsführer Schwarz Plastic Solutions GmbH), undGottfried Hausladen (Vertrieb Wittmann Battenfeld Deutschland)

Spritzgießmaschinen, allgemein

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Spritzgießmaschinen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Wittmann Battenfeld, Schwarz Plastic Solutions und Precupa Präzisionsformenbau kooperieren im Bereich reaktiver Kunststoffe

Nachhaltige Werkstoffe werden zunehmend auch in der Faserverbundindustrie nachfragt. Ein neu entwickeltes biobasiertes Polyesterharz ermöglicht nun den Ersatz von petrochemischen Harzen ohne deutlich höhere Kosten und ist dabei sowohl für Flüssigharz-Anwendungen wie auch für SMC-Formulierungen geeignet.

UD- und Gewebelaminate aus Flachsfaser lassen sich mit Polyvertec 3830 ebenfalls fertigen

Duromere aus nachhaltigen Rohstoffen für Faserverbundbauteile

Polyester

Biokunststoffe

Kunststoff

Bauwesen

Baustoffe

Biobasierte Alternative zu  petrochemischen Polyesterharzen

Duroplaste kommen vermehrt für Gehäuse von Elektronikbauteilen zum Einsatz und bieten dafür gute Eigenschaften. Besonders interessant ist die Direktumspritzung der Komponenten. Dabei muss allerdings der Spagat zwischen Verarbeitbarkeit, Wärmeleitfähigkeit und Reproduzierbarkeit gemeistert werden, um ein erfolgreiches Produkt zu realisieren.

Bei der Direktverpackung wird das elektronische Bauteil oder die Komponente direkt mit der Formmasse umspritzt

Fokusrahmen 1-1

Fokusrahmen 16-9

Fokusrahmen 4-3

Duroplastspritzgießen von Gehäusen für Elektronikbauteile

Elektronik

Bauteile direkt verpackt

Die Spritzgießsimulation ist ein wichtiger Bestandteil der Bauteilentwicklung. Während die Materialdatenbanken der Simulationsprogramme tausende Thermoplaste enthalten, sind vollständige Datensätze von duroplastischen Werkstoffen allerdings nur schwer zu finden. Wie problematisch das ist, zeigen Vergleiche von simulierten und gemessenen Daten von Bauteilen aus Duroplastformmassen.

Bild 2. Die Simulation zeigt einen ähnlichen Füllverlauf wie die Füllstudie

Simulation von Duroplastbauteilen

Simulation Produkt- / Formteildesign

Software

Simulation

Spritzgießsimulation

Vollständige Datensätze gesucht

Damit Epoxidharze schneller aushärten, ist die Kombination von Initiator, Sensibilisator und Bestrahlung entscheidend. Stimmt diese, sinkt etwa die Gelzeit.

UV-Messkammer zur Analyse von Reaktivsystemen: Anton Paar und das EZD haben untersucht, wie sich die Härtung von Epoxidharzen beschleunigen lässt. Das ist besonders interessant für die additive Fertigung.

Die Aushärtung von Epoxidharzen optimieren

Messtechnik

Photopolymere

Additive Fertigung

Hurtig Harze härten

Das DLR hat gemeinsam mit Premium Aerotec, Airbus und Aernnova ein Flugzeugrumpf-Bauteil aus carbonfaserverstärktem Thermoplast hergestellt und erfolgreich ausgeliefert.

MFFD – der thermoplastische Rumpf von morgen

Faserverarbeitung

Leichtbau

Luftfahrt

Technik Trend

Carbon ersetzt Aluminium beim Flugzeugbau

Was haben erfolgreiche Produkte gemeinsam? Nur eine gute Produktgestaltung? Und was macht dieses gute Design aus? Es muss sein: Der Autor räumt mit einigen überkommenen Leitbildern auf, die sich hartnäckig in der Industrie halten. 

Produkt- / Formteildesign

Produktentwicklung(sprozess)

Ein Leitfaden für Produktentwicklung: Erfolgsfaktoren im 21. Jahrhundert 

Knicken von stabförmigen Bauteilpartien unter Druckbeanspruchung ist ein mitentscheidendes Kriterium bei der Auslegung von Kunststoffkonstruktionen, da thermoplastische Kunststoffe wegen ihrer vergleichsweise geringen Steifigkeit schon bei relativ kleinen Schlankheitsgraden zu einem Eulerschen Knickverhalten führen [1, 2]. Axial wirkende Massenkräfte vermindern die Stabilitätsgrenze [3], weshalb es angezeigt ist, die Zusammenhänge genauer zu betrachten. 

Auslegung: Knicken unter der Wirkung 

Aktuell werden, nicht zuletzt durch die Rohstoffknappheit und die Energiewende, immer höhere Anforderungen an Kunststoffteile gestellt. Um Material und Energie zu sparen, müssen die Verarbeiter möglichst geringe Wanddicken erreichen. Am anderen Ende der Skala werden die Bauteile immer komplexer. Für eine fertigungsgerecht durchgeführte Konstruktion fehlen in vielen Betrieben jedoch Erfahrung und Personal. Doch es gibt Wege aus dieser Sackgasse. 

Rapid Prototyping

Plädoyer für externes Know-how: Mehraufwand bei der Entwicklung zahlt sich aus 

Hygienisch sauber, in der Anwendung sicher und, weil die meisten Einmalartikel sind, möglichst kostengünstig sollen sie sein: Medizinprodukte. Ein weiterentwickeltes arterielles Blutabnahmesystem, dessen Kern eine heparinisierte Kunststoffkapillare bildet, wird allen Ansprüchen gerecht und verbessert das Vorgängermodell. 

Arterielles Blutabnahmesystem mit heparinisierter Kunststoffkapillare 

Medizintechnik

Blutabnahme ohne Risiko 

Entwicklung eines Herstellungsprozesses für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus lastgerecht verstärkten Holz-Kunststoff-Verbunden

Dieser Beitrag beschreibt einen Herstellungsprozess für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus neuartigen Holz-Kunststoff-Verbunden (HKV).

Dieser Beitrag beschreibt einen Herstellungsprozess für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile aus neuartigen Holz-Kunststoff-Verbunden (HKV). Bei der Herstellung von HKV werden anisotrope mechanische Eigenschaften von langen, schlanken Holzspänen (Strands) durch deren lastgerechte Positionierung auf dreidimensionaler Werkzeugoberfläche anwendungsoptimiert ausgenutzt und umweltverträgliche duro- als auch thermoplastische Kunststoffe als Alternative zu den konventionellen formaldehyd- oder isocyanathaltigen Bindemitteln eingesetzt.

In dieser Arbeit wird ein Konzept für einen Prozess zur Herstellung von HKV Formteilen vorgestellt. Für die Prozessteilschritte Dosierung, Längsausrichtung und Preforming wurde ein labormaßstäblicher Prototyp entwickelt, mit dem zum einen die grundsätzliche anlagentechnische Machbarkeit nachgewiesen und zum anderen geeignete Prozessfenster ermittelt wurden. Das Imprägnierungsverhalten vorverdichteter, unidirektionaler Strand-Preforms wurde untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass die Preformpermeabilität in Strandlängsachse mit steigender Lagenanzahl, respektive Strandmasseanteil, und steigender Vorkompression verringert wird. Die gemessene Preform-Permeabilität orthogonal zur Strandlängsachse ist wesentlich geringer und hat eine geringere Schwankungsbreite als die parallel zur Strandlängsachse. Erreichbare mechanische Eigenschaften von unidirektional verstärkten, plattenförmigen und Duroplast-basierten HKV Probekörpern wurden im 3-Punkt-Biegeversuch nach der DIN EN 310 Norm für Holzwerkstoffe ermittelt. Bei einem Strandanteil von 90 Ma% und Verwendung eines teilweise biobasierten Polyurethanharzes konnte dabei eine Biegefestigkeit von bis zu 67,8 MPa und ein Biegeelastizitätsmodul von bis zu 12,2 GPa nachgewiesen werden.

Zur Bewältigung bestehender prozesstechnischer und werkstofflicher Herausforderungen sind eine Prozessskalierung auf Industriemaßstab, die Verbesserung des Dosierprozesses, eine weitere Erhöhung des Strandanteils sowie Simulationsmodelle für Prozess und Eigenschaften im weiteren Fokus.

Deutschland ist mit einer jährlichen Produktionsleistung von mehr als 12 Millionen Kubikmetern einer der bedeutendsten globalen Hersteller plattenförmiger Holzwerkstoffe [1],[2]. Diese Werkstoffe sind aufgrund ihrer CO2-Speicherwirkung (1 Kubikmeter Holz bindet ca. 1 Tonne CO2), ihrer Eignung zur Substitution nicht-nachwachsender Rohstoffe und ihrer geringen Herstellungskosten aktuell branchen- und länderübergreifend besonders nachgefragt [3–5]. Um den stetig wachsenden Anforderungen an effiziente Leichtbau-, Transport- Logistik-, Bau- und Möbelanwendungen gerecht zu werden wird daher weltweit an umweltfreundlichen Klebstoffsystemen, effizienzsteigernden Verarbeitungsprozessoptimierungen sowie innovativen neuen Verfahren geforscht, die zu einer Verbesserung der erreichbaren Werkstoffeigenschaften von Holzverbundwerkstoffen führen. In dieser Arbeit wird ein Herstellungsprozess für umweltfreundliche und ressourceneffiziente Formteile bestehend aus Holz-Kunststoff-Verbunden (HKV) beschrieben. Der Herstellungsprozess erlaubt es, lange und großflächige Holzspäne mit einem hohen Aspektverhältnis, sogenannte Strands, gezielt lastgerecht auszurichten, mit umweltverträglichen Thermo- als auch Duroplasten zu benetzen und in einem geschlossenen Werkzeug unter Temperatur und Druck zu dreidimensional komplex geformten und nacharbeitsarmen Hybridbauteilen zu verbinden. Als innovativer Strand-verstärkter Verbundwerkstoff weisen HKV im Vergleich zu konventionellen Holzspanwerkstoffen erhebliche Vorteile auf und eröffnen dadurch neue Nutzungs- und Recyclingmöglichkeiten [6–8].

Der in Bild 1 gezeigte Vergleich von HKV mit konventionellen Werkstoffen im doppellogarithmischen Ashby-Diagramm verdeutlicht, dass HKV die vorhandene Vakanz im Bereich der Dichte um 1 g/cm³ und einem Elastizitätsmodul über 10 GPa besetzen können. Die deutlich erkennbar hohe Materialeffizienz von HKV gekoppelt mit niedrigen gewichtsspezifischen Kosten und der kurzen Lieferkette aufgrund regionaler Verfügbarkeit von Nadelholz machen HKV-Formteile besonders attraktiv.

2.1.1 Vorkommen und Nutzung in Deutschland

Die dritte Bundeswaldinventur hat im Jahr 2012 [10] gezeigt, dass über die Hälfte der 10,9 Mio. Hektar Waldboden in Deutschland von Nadelbäumen, überwiegend Fichte und Kiefer, bewachsen ist. Nadelholz ist für viele Branchen nicht nur aufgrund des geringen Preises und der guten Bearbeitbarkeit attraktiv, sondern ist im Vergleich zu Laubholz widerstandsfähiger gegenüber Wettereinflüssen, Holzschädlingen und Chemikalien sowie aufgrund geringer Schwindung auch formstabiler [11]. In der Bauindustrie wird Nadelholz vor allem für den Innenausbau durch Herstellung von Balken, Sparren, Brettern und Spanplatten genutzt. Die Verpackungs- und Logistikbranche setzt Paletten und Ladungsträger bestehend aus Nadelhölzern ein. Die Papierbranche nutzt die Industrienadelhölzer zur Gewinnung von Zellstoff und das anfallende Kronen- und Restholz wird zur Energie- und Wärmeerzeugung verwendet [5],[12].

Nach Wagenführ und Scholz sind die nur wenige Nanometer langen Cellulosemoleküle (C12H20O10) mit ca. 50 Ma% der Hauptbestandteil des Nadelholzes. Sie sind unverzweigt und bestehen aus mehreren hunderten bis zehntausenden Glucose- (C6H12O6) bzw. Cellobiose-Einheiten (C12H22O11) [13]. Hasch verdeutlicht das hohe CO2-Einsparungspotential von Holz sehr anschaulich an der Reaktionsgleichung zur photosynthetischen Entstehung von Glucose (1) und der darauf aufbauenden Modellgleichung zur Berechnung der Masseströme beim Holzaufbau (2) [14].

 6 CO2 + 12 H2O →? C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O (1)

 8,4 CO2 + 12 H2O →? C8,4H12O5,4 + 8,7 O2 + 6 H2O (2)

 1851 kg Kohlenstoffdioxid + 1082 kg Wasser →?

1000 kg Holz + 1392 kg Sauerstoff + 541 kg Wasser (3)

Die Modellgleichung zeigt, dass in 1000 kg Holz über 1800 kg Kohlenstoffdioxid gebunden sind. Holz bietet daher bei Ausnutzung der anisotropen Werkstoffeigenschaften ein hohes Potential, konventionelle nicht-nachwachsende Materialien zu substituieren und gleichzeitig klimaschädliches Treibhausgas zu speichern.

Dunky und Niemz zeigen, dass Holzwerkstoffe überwiegend plattenförmig durch das Fügen von Holzpartikeln mittels Kleben hergestellt werden. Durch die Zerkleinerung des Rundholzes können anisotrope Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von Größe und Form der Holzpartikel anwendungs- und lastgerecht ausgenutzt werden. Weitere Vorteile sind variable Abmessungen durch Endlosfertigung und eine zum Teil höhere Festigkeit als Vollholz, bedingt durch Verminderung von Defekten und Wuchsfehlern [11].

Rundholz kann in Schnittholz, Furnier, Späne und Fasern zerkleinert werden [15]. Aus dem Schnittholz (meist Bretter) werden Massivholzplatten, Brettschichtholz oder Kreuzbalken hergestellt. Aus den nur wenige mm hohen Schälfurnieren werden mehrlagige Sperr- (Einzellagen mit jeweils 90° Winkelversatz) oder Schichtholzplatten (parallele Ausrichtung der Einzellagen) hergestellt. Späne werden je nach Größe zur Herstellung von Spanplatten (beinhalten Späne aus Koppelprodukten der Schnittholzproduktion wie z. B. Sägespäne, Hobelspäne, Kappstücke, Schwarten und Spreißel sowie Späne aus der Altholzaufbereitung) oder OSB, seltener auch als Grobspanplatten bezeichnet, (Strands mit über 75 mm Länge) genutzt. Fasern, die durch Dämpfen, Kochen und Aufschließen entrindeter Hackschnitzel gewonnen werden, werden im Naß- (Holzfaserdämmplatte – HFD, Holzfaserplatte hart – HFH) oder Trockenverfahren (mitteldichte Faserplatte – MDF, hochdichte Faserplatte – HDF) verarbeitet [16].

2.2.2 Prozessrelevante Werkstoffeigenschaften von Strands

Die in den experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit verwendeten Kiefernholzstrands bestehen im Wesentlichen aus den wasserunlöslichen Grundbausteinen Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Diese Grundbausteine reagieren sehr verschieden auf prozessbedingte Temperatur- und Feuchteänderung. Das Matrixpolymer Lignin ist hydrophob und zeigt einen Glasübergangstemperaturbereich von ca. 50 bis 100 °C. Die Hemicellulose- und Cellulosefasern sind hygroskopisch und weisen eine Glasübergangstemperatur von. ca. 40 bzw über 100 °C auf [17]. Dies führt dazu, dass die Elastizität der Zellwand abhängig von den vorherrschenden Verarbeitungsbedingungen von ca. 22 GPa (bei 8 % Feuchtegehalt und 30 °C) auf ca. 13,5 GPa (bei 8 % Feuchtegehalt und 100 °C) bzw. 8 GPa (bei Restfeuchte nahe 0 % und 225 °C) absinken kann [18]. Diese Elastizitätsänderung der Zellwand hat wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und das Verformungsverhalten der Strands. Die mechanische Festigkeit von Nadelholz steigt linear mit dessen wachstumsbedingt variierender Dichte, respektive dem Spätholzanteil, an. Mit zunehmendem Winkelunterschied zwischen Wachstums- und Belastungsrichtung (Faser-Last-Winkel), zunehmender Feuchte und Temperatur sinkt der Elastizitätsmodul deutlich ab. Bei Feuchteänderung unterhalb des Fasersättigungsbereiches (ab ca. 30 % bei Nadelholz) muss zudem das richtungsabhängige Quell- und Schwindungsverhalten der Strands beachtet werden. Bei Kiefernholz beträgt das Schwind- bzw. Quellmaß tangential 0,29 %, radial 0,17 % und longitudinal 0,01 % je 1 % Feuchteänderung [13].

Niemz und Sonderegger zeigen, dass neben den Prozessbedingungen auch die Geometrie der Strands signifikanten Einfluss auf die erreichbaren mechanischen Eigenschaften hat. Aus der Forschung ist bekannt, dass die höchstmögliche Biegefestigkeit mit Strands erreicht wird, die über 80 mm lang, zwischen 8 – 10 mm breit und ca. 1 mm stark sind [19].

Nach Dunky und Niemz müssen zwei weitere Effekte die bei der Verarbeitung von Strand-basierten Preforms zu Formteilen berücksichtigt werden. Zum einen der „spring-back“ Effekt als sofortige elastische Rückstellung der Verformung bei Abnahme der Last, die die Verformung verursacht hat und zum anderen der „set-recovery“ Effekt als langfristige feuchte- oder temperaturinduzierte Verformung des verdichteten Holzes zurück in den Ausgangszustand [11]. Der spring-back Effekt muss bei der Auslegung der Presszeit und -temperatur (Mindestfestigkeit des Klebstoffsystems) beachtet werden. Der set-recovery Effekt beeinflusst das Verhalten der Formteile beim Übergang von prozessbedingter Niedrigfeuchte zur umgebungsabhängigen Normalfeuchte.

Konventionelle Strand-basierte plattenförmige Holzwerkstoffe werden überwiegend dreilagig als OSB mit zweiachsiger Spanausrichtung hergestellt [20],[21]. OSB bestehen üblicherweise aus ca. 96 Ma% Holzstrands (Nadel- als auch Laubholz – bspw. Kiefer, Douglasie, Erle, Pappel), ca. 2,5 Ma% Klebstoff sowie ca. 1,5 Ma% Hydrophobierungsmittel (üblicherweise Emulsionen). Je nach Anwendungsbereich (Feuchte, Temperatur und mechanische Belastung) werden die Anteile entsprechend den Anforderungen angepasst [12]. Im OSB-Herstellungsprozess werden die Strands mit einer Breite von ca. 15–25 mm, Länge von ca. 75–150 mm und Stärke von ca. 0,6–1 mm in großvolumigen Einzugtrommeltrockern oder seltener in Bandtrocknern auf 2–3 % Feuchtigkeitsgehalt getrocknet, beleimt und mechanisch mittels Scheibenwalzen (Deckschichtstreuung zur Längsorientierung in Produktionsrichtung) sowie Fächerwalzen (Mittelschichtstreuung zur Querorientierung der Strands) in speziellen Streuköpfen endlos auf ein umlaufendes Textilband gestreut. Anschließend erfolgt die Übergabe auf ein Stahlband und die thermomechanische Verdichtung mittels kontinuierlicher Presse [16]. Randbereiche derartig hergestellter Rohplatten werden abschließend besäumt und die Deckschichten in seltenen Fällen geschliffen [11]. Geimer zeigt, dass Fallhöhe und Abstand der Scheibenwellen in den Streuköpfen bei der mechanischen Ausrichtung maßgebend für die erreichbare Genauigkeit der Spanorientierung und -verteilung sind [22].

Die Möglichkeiten zur prozessbedingten Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften von OSB sind in der Literatur bereits ausführlich beschrieben. [11], Wagenführ und Scholz verdeutlichen die Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften von OSB von der Strandorientierung zur Belastungsrichtung, der Strandgeometrie, der Stranddichte, dem Schichtaufbau der Matten, der „Strandverbindungsgüte“ und der Klebstoffart sowie dem Klebstoffvolumenanteil [13]. Durch entsprechende Variation dieser Parameter können Spanplatten anwendungsorientiert und ressourceneffizient ausgelegt werden. So kann nach Lungulease et. al. bspw. zur Verbesserung der Kraftübertragung die Klebfläche zwischen den Strands maximiert werden, indem die Anzahl an Überlappungen (Strandlänge und -breite) sowie die Lagenanzahl (Strandhöhe) vergrößert werden [23]. Narin et. al. untersuchen die Abhängigkeit mechanischer Eigenschaften von OSB von Spanondulation und Klebefuge. Sie verdeutlichen, dass Ondulation und adhäsive Verbindung verwendeter Strands voneinander abhängig sind – je größer die Spanondulation ist, desto größer ist der Einfluss der Klebstoffsteifigkeit auf die Biegesteifigkeit der hergestellten OSB [24].

Hamzaçebi führt mittels Taguchi-Methode eine Optimierung von Prozessparametern bei der Herstellung von OSB durch. Dabei werden die Auswirkungen der Parameter Bindemittelanteil (3 bis 6 Ma%), Pressdruck (3,5 bis 4,5 MPa) und Presszeit (3 bis 7 min.) auf die Wärmeleitfähigkeit von OSB untersucht, um deren Dämmwirkung bei Verwendung als Baumaterial zu verbessern. Die Ergebnisse zeigen, dass der Bindemittelanteil den größten Einfluss nimmt, gefolgt von Pressdruck und Presszeit [25].

Way et. al. stellen einen Herstellungsprozess für einen Strand-basierten Sandwichaufbau vor (molded- core sandwich panels „MCP“). Dieser wird durch adhäsive Verbindung von zwei OSB-Deckschichten mit einer domförmig versteiften Kernschicht mit niedriger Dichte bestehend aus bidirektional geformten Holzstrands hergestellt. Das erheblich größere Verhältnis von Biegesteifigkeit zur Gesamtmasse von MCP im Vergleich zu OSB zeigt die hohe Struktureffizienz bei Biegebelastung [26].

Die Dimensionsstabilität von OSB kann durch Verringerung von deren Quell- und Schwindungsneigung verbessert werden. Hornus et. al. stellen dazu Versuchsergebnisse zur Extraktion der hygroskopischen Hemicellulosen aus Kiefernholzstrands vor [27]. Diese Vorbehandlung ist immer dann sinnvoll, wenn der Einsatz von Hydrophobierungsmitteln nicht ausreichend ist, um OSB in feuchter Umgebung einsetzen zu können. Sie konnten zeigen, dass eine derartige Vorbehandlung der Kiefernholzstrands eine Entfernung von Hemicellulosen erlaubt, ohne dabei Cellulose oder Lignin abzubauen. Die mit diesen vorbehandelten Strands hergestellten OSB zeigten eine deutlich verbesserte Dimensionsstabilität unter feuchten Bedingungen als konventionelle OSB.

2.2.4 Verdichtungsabhängige Permeabilität Strand-basierter Preforms

Haas et. al. zeigen, dass der Verdichtungsgrad eines Strand-Preforms maßgeblich dessen Gas- und Flüssigkeitspermeabilität [28] beeinflusst. Die bei der OSB- Herstellung aufgrund von Wasserverdunstung entstehenden Gasdrücke führen zu einer Dampfströmung von den Deckschichten, die in direktem Kontakt mit den Werkzeugoberflächen stehen, in die Kernschicht. Diese Dampfströmung wird gezielt als Wärmeübertragungsmechanismus zur Plastifizierung der Strands und Polymerisierung der duroplastischen Klebstoffsysteme genutzt. Um Porosität und Permeabilität der mattenförmigen OSB Preforms mathematisch zu beschreiben, wird der Preform als System überlappender Strands modelliert und Längs- sowie Querpermeabilität von Deck- und Kernschicht in Abhängigkeit von deren Dichte charakterisiert [29],[30]. Das Hohlraumvolumen eines Preforms wird meist aus Hohlräumen innerhalb der Strands und Hohlräumen zwischen Strands abgeschätzt. Relevante Auslegungsgrößen sind das Verdichtungsverhältnis (Prefomdichte zu Stranddichte) und das Höhenverhältnis (Prefomhöhe zu Strandhöhe).

Gartner et. al. stellen einen Versuchsaufbau zur Bestimmung der Flüssigkeitspermeabilität von Strand-Preforms nach dem Darcy-Gesetz vor. Sie zeigen, dass die Permeabilität abhängig von Fließrate, Formfüllzeit, Porosität, Strandabmessungen und -orientierung sowie den Eigenschaften des Duroplastsystems (Härtungsgeschwindigkeit, Viskosität, Benetzungsverhalten) ist. In den durchgeführten Experimenten wurden die Strands mit Polyethylen zu einem Preform verbunden. Dieser Preform wurde anschließend in ein Versuchswerkzeug mit Glasdeckel eingelegt und ein Duroplastsystem injiziert. Über das Verhältnis von Injektionsvolumenstrom (Zeit, Injektionsvolumen), Harzviskosität und Fließweglänge zu Preformquerschnittsfläche und Druckgradienten wurde mittels des Darcy-Gesetzes die Permeabilitätsmessung durchgeführt. Erkenntnisse der Arbeit sind, dass 1 % Polypropylenanteil ausreichend für die Preformstabilität (Transportfähigkeit) sind und der Preform „ausreichende Permeabilität“ für die Verarbeitung im RTM Prozess aufweist [31].

Aktuelle Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Klebstoffsysteme zielen darauf ab, deren Hydrolysebeständigkeit zu verbessern sowie eventuelle umwelt- und gesundheitsschädliche Bestandteile zu minimieren. Es werden dazu alternative Systeme entwickelt (bspw. Additivierung von polymerem Diphenylmethandiisocyanat mit Nanocellulosefasern, Soja-substituiertes Phenol-Formaldehyd oder Beimischung von recyceltem Polypropylen), die hinsichtlich Verarbeitbarkeit, mechanischer Eigenschaften und Kosten vergleichbar zu konventionellen Systemen sind [11], [32–37]. Ein weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung von Haftvermittlern für Thermoplast-basierte Systeme mit Zielstellung höchstmöglicher Grenzflächenhaftfestigkeit. So untersuchen Shen et. al. unter anderem die Grenzflächenhaftfestigkeit von thermoplastgebundenen Holzstrandwerkstoffen (oriented strand–thermoplastic composites „OSPC“) bei Verwendung von unterschiedlichen Haftvermittlern (3-Aminopropyltriethoxysilan Typ KH550 oder Methylendiphenylisocyanat) und Thermoplasten (LDPE, HDPE, PP oder PVC) [38]. Die höchste mechanische Stabilität zeigten OSPC, die aus PVC-Folien und MDI als Haftvermittler hergestellt wurden (Bruchfestigkeit von 91,9 MPa, Elastizitätsmodul von 10,9 GPa und Dickenschwellung von 2,4 %).

2.3. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffe

Rajak et. al. geben einen aktuellen Überblick zu relevanten Herstellungsverfahren und erreichbaren mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen [39]. Tabelle 1 zeigt dazu einen Auszug für die Verarbeitung und Anwendung naturfaserverstärkter Kunststoffe.

Nach Hennig und Moeller ist für eine hohe Verstärkungswirkung neben den Werkstoffkennwerten von Faser und Matrix sowie dem Faseranteil auch die sich zwischen beiden ausprägende Grenzschicht relevant. Da die Faser-Matrix Haftung vom Anteil an mechanischer, chemischer sowie physikalischer Adhäsion abhängig ist wird prozessseitig immer eine vollständige Benetzung der Fasern angestrebt. Je nach Länge der Faserverstärkung wird in Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe mit gerichteter, kontinuierlicher bzw. endloser Faserverstärkung (Faserlänge > 50 mm, entspricht Bauteillänge) und in quasihomogene Faserverbunde mit diskontinuierlicher ungerichteter Lang- (5–50 mm) oder Kurzfaserverstärkung (0,1–5 mm) unterschieden. Als Matrix können dabei duroplastische als auch thermoplastische Kunststoffe verwendet werden [40].

Herstellungsverfahren für Duroplast-basierte Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe, die technologisch ähnlich zum HKV Prozess sind, sind das Resin Transfer Molding (hier werden trockene Fasermatten in ein Werkzeug drapiert und mit einem Harz-Härter-Gemisch unter Druck umgossen), die Vakuuminfusion (hier werden trockene Fasermatten in eine Form drapiert, diese mit einer Vakuumfolie verschlossen und das Harz-Härter-Gemisch mittels Vakuum injiziert), das Form-/ bzw. Nasspressen (hier werden trockene Fasermatten in ein Werkzeug drapiert, das Harz-Härter-Gemisch aufgegossen und durch den Schließvorgang des Werkzeugs im Formnest verteilt), das Prepreq-Verfahren (hier werden vorimprägnierte Verstärkungsmaterialien verarbeitet) und das Tape-bzw. Fiber Placement (hier werden faserverstärkte Kunststoffbänder robotergeführt unter Druck und Temperatur entlang eines vorgegebenen Pfades auf eine Form abgelegt). Mit derartig hergestellten Halbzeugen wird ein Faservolumengehalt zwischen 50% und 60% erreicht, und als Matrices können ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Epoxidharze und Phenolharze eingesetzt werden. Übliche Verstärkungsmaterialien sind Glas-, Kohlenstoff- Aramid- und Naturfasern (pflanzlich, tierisch, mineralisch). Bei den Verfahren zur Herstellung Thermoplast-basierter Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe sind neben dem Tape-bzw. Fiber Placement auch das Organoblechverfahren (hier werden mehrere Lagen Kunststofffolien und Endlosfaserhalbzeuge diskontinuierlich verpresst oder per Extrusion kontinuierlich hergestellt und anschließend konsolidiert) für die Entwicklung des HKV Prozesses von hohem Interesse. Mit derartig hergestellten Halbzeugen wird ein Faservolumengehalt zwischen 30 % und 60 % erreicht, und als Matrices können Standardkunststoffe als auch technische Kunststoffe wie Polypropylen, Polyethylenterephthalat und Polyamide als auch Hochleistungskunststoffe wie Polyphenylensulfid Polyetherimid oder Polyetheretherketon eingesetzt werden. Übliche Verstärkungsmaterialien sind Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfasern.

Zur effizienten Ausnutzung der mechanischen Eigenschaften von Holz in dessen Wachstumsrichtung müssen die Strands entsprechend der beim Einsatz des Formteils vorherrschenden Lastpfade ausgerichtet werden können. Ein erstes Konzept für einen derartigen Herstellungsprozess zeigt Bild 2.

Dieses Konzept gliedert den Gesamtprozesses in drei grundsätzliche Prozessschritte auf:

Im ersten Prozessschritt fallen die Strands dosiert aus einem Vorratsbehälter auf ein Förderband. Auf dem Förderband werden die Strands portioniert und in einen Vibrationsbeschicker gefördert, in dem sie in Längsrichtung ausgerichtet und mit einem pulverförmigen Klebstoffsystem beschichtet werden, Bild 3

Die Haftung, respektive Benetzbarkeit, ist dabei abhängig von der Oberflächenenergie (disperser/ polarer Anteil) des Kunststoffs im Vergleich zum Holzstrand (nach [41] bspw. Kiefernfrühholz 41,4 mN/m dispers und 2,1 mN/m polar, Kiefernspätholz 40 mN/m dispers und 4,7 mN/m polar) sowie der Partikelgeometrie (mechanische Verklammerung mit Strandoberfläche, Partikeleigengewicht). Im zweiten Prozessschritt werden die Späne mithilfe eines Roboters schichtweise in ein Preform-Werkzeug abgelegt und zur Lagefixierung lokal mit einem Dispersionsklebstoffsystem durch Sprühauftrag benetzt. Zur Vermeidung von Overspray ist eine Einhausung und Absaugung dieses Anlagenbereiches notwendig. Nach Fertigstellung des Preforms wird dieser mithilfe eines Roboters in eine Presse übergeben. Dort werden die Strands und das pulverförmige Klebstoffsystem unter Druck- und Temperatureinfluss zum Formteil verdichtet. Alternativ zum Pulverklebstoff können Kunststofffolien schichtweise alternierend mit den Strands im Preform-Werkzeug abgelegt oder duroplastische Kunststoffe in Anlehnung an das RTM Verfahren im Presswerkzeug injiziert werden.

An die Kunststoffe, die zur Herstellung der HKV geeignet sind, werden folgende Anforderungen gestellt:

· Geringe gesundheits- oder umweltschädigende Wirkung,

· hohe Oberflächenhaftung am verwendeten Holz (mechanische/spezifische Adhäsion),

· geringe Schwindung und Quellung (Formstabilität),

· gute Recyclingfähigkeit (bspw. durch Regranulierung der HKV Formteile zur Herstellung von Wood-Plastic-Composites).

Thermoplastische Kunststoffe sollten zudem eine möglichst niedrige Schmelzeviskosität und eine Verarbeitungstemperatur aufweisen, die unterhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Holzes liegt. Duroplastische Kunststoffe sollten eine Mischviskosität aufweisen, die eine vollständige Imprägnierung des Strandpreforms ermöglicht und einer vollständigen Tränkung der Strands entgegenwirkt.

Für die Versuche wurden Kiefernholzstrands mit parallel zur Längsachse verlaufenden Jahrringen und wenig Wachstumsfehlern verwendet. Die Strands weisen Längen von 80 bis 150 mm, Breiten von 10 bis 20 mm und eine Stärke von ca. 1 mm auf. Die gemessene Dichte beträgt 0,5 g/cm³ (Analysenwaage Sartorius Cubis MSU224S-000-DU) und die gemessene Feuchte bei Laborklima 7,8 % (thermogravimetrischer Feuchtebestimmer Sartorius MA 100). Der in Anlehnung an DIN 527–4 gemessene Zug-Elastizitätsmodul der Strands (rechteckige Prüfkörpergeometrie mit L150 mm x B10 mm x H1 mm) beträgt im Durchschnitt 7651 N/mm² (+1164/ –674 MPa). Dies deckt sich in guter Näherung mit den Werten aus der Literatur (2 bis 12,9 GPa und im Mittel 5 GPa) [42].

4.2 Parameterstudien zur HKV Prozessentwicklung

Zur Prozessentwicklung und Ermittlung erreichbarer mechanischer Formteileigenschaften in Abhängigkeit von Strandausrichtung, -verdichtung und -volumenanteil wurden Parameterstudien durchgeführt.

4.2.1 Dosierung, Längsausrichtung und Preforming von Strands

Für den Prozessteilschnitt der Dosierung und Längsausrichtung wurde ein labormaßstäblicher Prototyp entwickelt, mit dem zum einen die grundsätzliche anlagentechnische Machbarkeit nachgewiesen und zum anderen ein Prozessfenster ermittelt werden konnte, Bild 4.

Der Prototyp besteht aus einem Steilförderband mit PU-Querstollengurt (trio-technik Maschinenbau GmbH, Meinerzhagen, Sonderanfertigung – Stollenhöhe 30 mm, Stollenabstand 200 mm, Nutzbreite 210 mm, Gesamtlänge 1500 mm), einer schwingend gelagerten v-förmigen Blechrinne als Schwingförderer (Eigenkonstruktion mit ca. 25 kg Gewicht, mittels sechs beanspruchungsgerecht ausgelegten Zugfedern vom Typ RZ-126I am Rahmen befestigt), die mit einem Vibrationsmotor (Würges Vibrationsmotoren GmbH, Neusäß, Modell HV 2/4–9, bei 50 Hz Netzfrequenz Drehzahl 1500 U/min und Fliehkraft 1100 N) ausgestattet und zur Reibungsminimierung mit PTFE Folie beklebt wurde, sowie einem 6-Achs-Roboter (Universal Robots, Odense, Modell UR-6–85–5-A), an dem ein pyramidenförmiges Preform-Werkzeug aus Blech (Eigenkonstruktion mit spezifischen Radien- und Winkelgeometrien) angebracht wurde, Bild 5

Aufgabe dieses Dosiersystems ist es, die Strands in ihrer Längsachse auszurichten und mit einem konstanten, vorgegebenen Massenstrom in einem Preform-Werkzeug abzulegen, Bild 6

Dementsprechend wurden die Möglichkeiten zur Anpassung der Massenströme von Förderband und Vibrationsbeschicker untersucht. Der Massenstrom vom Vibrationsbeschicker hängt von dessen Schwingfrequenz (gesteuert über Netzfrequenz, respektive Drehzahl der Unwucht im Vibrationsmotor) und Neigungswinkel β ab, Bild 7.

Ab dem Grenzwinkel β=13° ist ein starker quasilinearer Anstieg des Massenstroms zu erkennen. Dieser Anstieg entsteht dadurch, dass die Strands nicht mehr gleichmäßig durch den Vibrationsbeschicker gefördert werden, sondern lawinenartig abrutschen. Die Schwingfrequenz hatte im untersuchten Prozessfenster (von 23 bis 26,5 Hz Umrichterausgangsfrequenz, respektive 690 bis 796 U/min Drehzahl des Vibrationsmotors) nur geringfügigen Einfluss auf den Massenstrom – hier gilt es bei einem späteren Prozess-Upscaling mögliche Resonanzfrequenzen zu vermeiden. Für die Versuche wurde ein Gesamt-Massenstrom von 8 g/s als Zielgröße definiert.

Der Massenstrom von Förderband hängt von dessen Bandgeschwindigkeit und Neigungswinkel α ab. Um den festgelegten Gesamt-Massenstrom von 8 g/s zu erreichen, wurden für die Preform-Versuche ein Neigungswinkel α von 45° und eine Bandgeschwindigkeit v von 8,6 cm/s gewählt.

Wie im Stand der Technik beschrieben, ist die Abweichung von Soll- und Ist-Position der Strands im Preform-Werkzeug stark von dem Abstand h (entspricht der Fallhöhe) und dem Winkel γ zwischen Preform-Werkzeug und Vibrationsbeschicker abhängig, Bild 9. Bild 10 zeigt den Grenzwinkel φ der zur qualitativen Bestimmung der Spanorientierungsgüte, als prozentualer Gewichtsanteil abweichend ausgerichteter Strands, in Abhängigkeit von Abstand h und Winkel γ eingeführt wurde. Die Versuchsergebnisse aus Bild 11 verdeutlichen, dass der Anteil abweichend ausgerichteter Strands (hier für φ ≥= 20°) ab ca. 3 cm Fallhöhe mit zunehmendem Abstand h linear zunimmt. Bei einem Abstand von 9 cm waren mehr als die Hälfte der Strands abweichend ausgerichtet. Die bestmöglichen Ergebnisse konnten mit der kleinstmöglichen Ablagedistanz zwischen Preform-Werkzeug und Vibrationsbeschicker erzielt werden. Mit steigendem Abstand steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein längs ausgerichteter Strand während der Freifallablage abweichend ausrichtet. Bild 12 zeigt, dass mit steigendem Winkel zwischen Preform-Werkzeug und Vibrationsbeschicker der prozentuale Anteil abweichend ausgerichteter Strands ansteigt. Es ist zu sehen, dass die Werte ab ca. 10° gegen einen Grenzwert von 20 % streben. In den Versuchen konnte die bestmögliche Strandorientierung erzielt werden, wenn der Neigungswinkel des Vibrationsbeschickers gleich mit dem Neigungswinkel der lokalen Spanablageebene im Preform-Werkzeug ist. Während der Versuche zeigte sich zudem, dass der automatisierte Ablageprozess im Preform-Werkzeug aufgrund der herstellungs- und wachstumsbedingten Geometrie- und Gewichtsvarianz der Strands erschwert wird.

4.2.2 Imprägnierungsverhalten vorverdichteter, unidirektionaler Strand-Preforms

Im letzten Prozessschritt des HKV Prozesses findet die Verdichtung des Strandpreforms statt. Bei der duroplastischen Herstellungsroute wird dabei zudem ein Reaktivsystem als Matrix in das Presswerkzeug injiziert. Dazu ist es notwendig, das Imprägnierungsverhalten vorverdichteter Strand-Preforms zu charakterisieren. Aufgrund dessen wurden Untersuchungen mit unidirektional ausgerichteten Strands in einem plattenförmigen Versuchswerkzeug (335 mm x 335 mm) mit einem Epoxidharzsystem (Harz EPIKOTE Resin MGS RIMR135, Härter EPIKURE Curing Agent MGS RIMH134, Mischviskosität 375 mPas) unter Variation von Injektions- und Vorkompressionsdruck sowie Strandmasse durchgeführt, Tabelle 2. Im Stempel des Versuchswerkzeuges ist eine Glasplatte eingelassen, sodass die Fließfrontausbreitung in sowie orthogonal zur Strandlängsrichtung optisch ausgewertet werden kann (Bild 13, Bild 14). Die Fließfront ist dabei blau umrandet. Grün umrandet ist der Racetrack-Effekt zu erkennen. Hier eilt die Fließfront in den werkzeugwandnahen Preform-Bereichen mit besonders hoher Permeabilität vor. Nach [43] kann die Permeabilität K unidirektionaler Verstärkungen über folgende Gleichung abgeschätzt werden: Dabei ist die Fließfrontposition gemessen vom Injektionspunkt, ist der Differenzdruck zwischen Injektionspunkt und Fließfrontposition, ist die Mischviskosität des verwendeten Reaktivsystems, der Faser-, respektive Strandvolumenanteil, und t die jeweilige Dauer bis zum Erreichen von .

Bild 15 zeigt exemplarisch die durchgeführte Auswertung des Fließfrontverlaufs. Dazu wurden für die x- und y-Achse die positiven und negativen Abstände der Fließfront vom Injektionspunkt quadriert und über die Zeit aufgetragen. Der gemittelte Anstieg der Trendgeraden entspricht dem gesuchten Wert von .

Zur Bestimmung des resultierenden Strandvolumenanteils wurden Schliffbilder von den hergestellten Proben aufgenommen und optisch entsprechend Bild 16 ausgewertet. Mithilfe dieser Ergebnisse wurde die Permeabilität in und orthogonal zur Strandlängsachse nach Gleichung 5 berechnet und über den Strandvolumenanteil aufgetragen, Bild 17.

Dabei ist zu erkennen, dass die Lagenanzahl, respektive der Strandmasseanteil erheblichen Einfluss auf die Permeabilität in Strandlängsachse nimmt. Wie zu erwarten ist, sinkt die Preform-Permeabilität bei Erhöhung der Vorkompression, respektive des Preformverdichtungsgrades. Die gemessene Preform-Permeabilität orthogonal zur Strandlängsachse ist wesentlich geringer und hat eine geringere Schwankungsbreite als die in Strandlängsachse.

4.3 Herstellung und Prüfung plattenförmiger unidirektional verstärkter HKV Probekörper mit duroplastischer Matrix

Zur Abschätzung erreichbarer mechanischer Eigenschaften wurden unidirektional verstärkte und plattenförmige HKV Probekörper mit duroplastischer Matrix in einem Versuchswerkzeug (Kavität 203 mm x 203 mm) hergestellt. Dazu wurden die Reaktivsysteme (10 Ma%, 22 g) in die mit Strands gefüllte (90 Ma%, 200 g) und auf 80 °C temperierte Werkzeugkavität händisch eingegossen. Anschließend wurde der Forminhalt durch druckgesteuertes Absenken des Werkzeugstempels mit 10 MPa (~40 t) verdichtet. In üblicher Reaktionszeit erfolgte die Vernetzung des Reaktivsystems (EP 40 min., UP 23 min. PU 39 min.) und die Entformung der Probekörper.

Die folgenden Reaktivsysteme wurden für die Versuche verwendet:

o A-Komponente: EPIKOTE Resin MGS RIMR135

o B-Komponente: EPIKURE Curing Agent MGS RIMH134

o A-Komponente: Enydyne I-69277-A (vorbeschleunigt, DCPD)

· Biobasiertes Polyurethanharz (Bio-PUR)

o A-Komponente: Silitech Biothan 2 MD 614

01042022_Kunststofftechnik.pdf

Der Vergleich von Holz-Kunststoff-Verbunden HKV mit konventionellen Werkstoffen verdeutlicht, dass HKV die vorhandene Vakanz im Bereich der Dichte um 1 g/cm³ und einem Elastizitätsmodul über 10 GPa besetzen können

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Autoren Robert Hartmann, M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Florian Puch Fachgebiet Kunststofftechnik, Technische Universität Ilmenau

Erschienen in Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology, 04/2022, Seite: 203–233 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217