Hybride Leichtbaustoffe aus nachwachsenden Rohstoffen19. März 2023

Umweltfreundliche hybride Leichtbauwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen am Markt zunehmend an Bedeutung. Mit ihnen lassen sich ressourcen- und klimaschonende Produkte herstellen, die mehrere Funktionen erfüllen – zum Beispiel tragfähige Bauprodukte mit integriertem Wärme- und Schallschutz sowie strapazierfähige (Polster-)Möbel und Verpackungen.

Effiziente Bauteilgeometrien ermöglichen hohe Gewichtseinsparungen bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität. Gemeinsam mit Forschungs- und Industriepartnern entwickeln wir ein Verfahren für die Fertigung von komplex geformten Produkten aus Holz bzw. Agrarstoffen und Biokunststoffen mittels Formteilautomaten. Wichtiger Bestandteil der Material- und Technologieentwicklung ist zudem eine möglichst hochwertige, stoffliche Recyclingfähigkeit der Produkte nach Ende der ersten Nutzungszeit.

Holz eignet sich als hervorragender Leichtbaustoff

Holz ist ein guter Leichtbauwerkstoff. Es verfügt von Natur aus über eine geringe Rohdichte und eine hohe Stabilität. Die Zugfestigkeit in Faserrichtung (bezogen auf die Rohdichte) ist größer als die von Stahl. Im Vergleich zu modernen Leichtbauwerkstoffen wie faserverstärkten PU-Schäumen oder Kunststoffen (CfK / GfK) sind holzbasierte Werkstoffe bei Erfüllung der mechanischen Anforderungen jedoch oft noch relativ schwer. Oder sie sind zwar leicht und haben gute wärmedämmende Eigenschaften, sind jedoch mechanisch wenig belastbar.

Forschungsziele des Fraunhofer Instituts mit hybriden Leichtbaustoffen

Hier setzt die Projektidee an: Es sollen biobasierte Polymerfasern (»Biokunststoff«) bzw. Partikelschäume mit Holz (zzgl. Agrarreststoffe wie Stroh, Spelzen etc. oder Paludi-Biomasse) kombiniert und per Formteilautomat zu extrem leichten, stabilen Bauteilen verarbeitet werden.

Dabei werden zwei Wege verfolgt:

1. Entwicklung von Hybridwerkstoffen aus partikelförmigen Grundstoffen wie Holzfasern oder -spänen und Polymerfasern oder -schaumperlen (Beads)
2. Entwicklung von verstärkten Hybridwerkstoffen: Partikelschaum bzw. Partikel/Partikel-Hybride mit eingelegter Verstärkungskomponente (z. B. Furniere, Kanthölzer, Holzwerkstoff) und/oder mit Deckschichten (z. B. geformtes Furnier, Gewebe, Folien)

Formteilautomaten werden bislang ausschließlich für die Partikelschaumverarbeitung eingesetzt. Genauer gesagt: Vorgeschäumte thermoplastische Polymerperlen werden mit einem kurzen heißen Dampfstoß oder mittels Energie durch elektro-magnetische Wellen (HF-Technologie) innerhalb kürzester Zeit (wenige Sekunden) zum fertigen Formteil verklebt. Im Rahmen des Vorhabens soll diese Technik genutzt werden, um eine neue Verarbeitungstechnologie (Verklebung und Verpressung) für neuartige Bio-Hybridwerkstoffe zu entwickeln.

Die Polymerpartikel fungieren dabei als Klebstoff. Biokunststoffe mit niedrigen Schmelzpunkten (< 130 °C) sind für das Vorhaben besonders gut geeignet. Im

Formteilautomaten entsteht unter der Einwirkung eines sehr kurzen, heißen Dampfstoßes oder Energie in Form von elektrisch-magnetischen Wellen eine erstaunlich gute Haftung zwischen dem oberflächlich geschmolzenen Polymer und dem Holz bzw. Agrarreststoff. Der Fokus in diesem Projekt liegt insbesondere auf kommerziell erhältlichen, biobasierten Polylactiden (PLA) und Polyamiden (PA).

Geplante Technologiedemonstratoren

1. Anwendungsbereich Wärmedämmung von Gebäuden: Formteilmaschine und Dämmstoffelement im handelsüblichen Format
2. Anwendungsbereich Möbelbau: Formteilmaschine und Möbelteil

Recycling

Wiederverwertungsmöglichkeiten bzw. Recyclingpotenziale sollen von vorneherein in die Entwicklung mit einbezogen werden (Design for Recycling). Das Recycling von PLA beispielsweise ist bislang nicht wirtschaftlich und steht noch am Anfang der Entwicklung. Daher sollen mögliche Recyclingkonzepte und -vorteile untersucht werden.

Quelle: https://www.wki.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/2022/HyLight_naturfaser-hybrid-leichtbauteile-formteilautomaten.html