Verbundprojekt "HempTape - Neuartige stapelfaserverstärkte Flächenhalbzeuge mit unidirektionaler Faserausrichtung (UD-Tapes) auf Basis von anwendungsoptimierten Hanffasern und Biopolymeren als ressourceneffiziente Alternative für GFK- Bauteile"

Abstract

Vor dem Hintergrund verschärfter regulatorischer Vorgaben zur Klimaneutralität, des zunehmenden gesellschaftlichen Drucks zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse sowie der wachsenden Notwendigkeit ressourcenschonender Lösungen rückt die Entwicklung nachhaltiger Materialsysteme für technische Anwendungen immer stärker in den Fokus. Das Verbundprojekt HempTape verfolgte daher das Ziel, ein neuartiges, vollständig biobasiertes und in hohem Maße recyclingfähiges Werkstoffsystem zu entwickeln. Dieses soll CO₂-intensive, glasfaserverstärkte Kunststoffe in strukturellen Leichtbaubauteilen durch den Einsatz von Hanffasern in Kombination mit biobasierten Thermoplasten substituieren und damit einen wesentlichen Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen leisten. Für die Bewertung der entwickelten PP- und PLA-basierten Hanffasertapes wurden aus UD-Lagen mehrlagige Testlaminate gefertigt und umfassend untersucht. Die Untersuchungen umfassten die Konsolidierungsversuche zur Herstellung von Organoblechen. Dabei wurden sowohl vollständig als auch teilimprägnierte Hanffaser-UD-Tapes berücksichtigt. Ziel war die Ermittlung optimaler Prozessparameter um eine bestmögliche Konsolidierung der Laminate zu erreichen. Die hergestellten Laminate wurden anschließend mechanisch, physikalisch und optisch charakterisiert. Ergänzend erfolgten optische Analysen zur Imprägnierqualität. Parallel dazu wurden die rheologischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften der Compound- und Tape-Materialien ermittelt. Diese Daten bilden die Grundlage für die Entwicklung und Validierung von Materialmodellen, die in simulationsgestützten Auslegungs- und Fertigungsprozessen eingesetzt werden können. Die offenen Fragestellungen hinsichtlich der Auswirkung des nichtlinearen, irreversiblen Materialverhalten von UD-Hanffaserlaminaten unter Zug-/Druck-/Schubbelastung auf das Bruchverhalten konnten im Rahmen des Projektes weitestgehend geklärt werden. Dazu wurde ein neuartiges Testverfahren zur Erzeugung eines überlagerten Normal-/Schubspannungszustandes in Flachprobekörpern als Ersatz zum Zug-/Druck-Torsionsversuch mit Rohrprobekörpern entwickelt. Mit dessen Hilfe konnten Bruchkurven ermittelt und Versagenshypothesen nach PUCK und LaRC verifiziert und kalibriert werden. Ferner wurde als ein weiterer wichtiger Meilenstein zur nummerischen Abbildung des orthotropen nichtlinearen Materialverhaltens von Hanffasertapes eine auf Basis der CDM-Theorie (Kontinuumsschädigungsmechanik) basierende Berechnungsabfolge, bestehend aus einem vorgeschalteten Phython-Skript und einer USDFLD-Subroutine für ABAQUS/Standard, entwickelt. Für die Auslegung und Simulation des Referenzbauteils – der Sitzbank eines E-Rollers – wurde die CAD-Geometrie aufbereitet und für die weiteren Entwicklungsschritte optimiert. Darauf aufbauend entstand ein Fertigungskonzept für ein hybrides Bauteil, bestehend aus einem mehrlagigen Hanffaserlaminat als Deckschicht und einer angespritzten Rippenstruktur, die zugleich Versteifung und Befestigungselemente integriert. Die finale Geometrie der Decksicht resultierte aus strukturmechanischen und umformtechnischen Bewertungen, wobei die Formbarkeit des Halbzeugs durch das Fraunhofer IMWS bestätigt wurde. Die Rippengeometrie wurde mittels FE-basierter Spritzgießsimulation validiert. Dabei kam ein Zentralanguss zum Einsatz, dessen Position und Kanalführung auf eine gleichmäßige Fließfront und minimale Bindenähte ausgelegt wurden. Im Anschluss entstand ein konzeptuelles Spritzgießwerkzeug. Zur Überprüfung von CAD-Konstruktion und Maßhaltigkeit wurde die Sitzbank im 3D-Druck aus PLA realisiert, wodurch ein schneller und kosteneffizienter Prototyp zur Verfügung stand. Die im Projekt entwickelten, auf PP- und PLA-Matrix basierenden Hanffasertapes wurden anhand eines hybriden Demonstrators – dem Seitenaufprallträger – hinsichtlich ihrer industriellen Einsatzfähigkeit erprobt. Grundlage bildete ein zweistufiger Fertigungsprozess, bestehend aus Umformung und anschließender Spritzgießkonsolidierung. Die Untersuchungen zeigen, dass durch einen gezielt abgestimmten Laminataufbau in Kombination mit einer prozessoptimierten Herstellung mechanische Kennwerte erreicht werden können, die mit jenen glasfaserverstärkter PP-Systeme vergleichbar sind. Gleichzeitig konnte durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe der CO₂-Fußabdruck des Bauteils signifikant reduziert werden. Darüber hinaus verdeutlichen die Ergebnisse, dass die entwickelten Hanf-Tapes hervorragende Umformeigenschaften besitzen. Besonders bei engen Biegeradien und mehrachsigen Verformungszuständen zeigen sie eine deutliche Überlegenheit gegenüber konventionellen, endlosfaserverstärkten Glasmaterialien. Ergänzend zu den werkstoff- und prozessbezogenen Untersuchungen wurden End-of-Life-Szenarien betrachtet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die entwickelten PP- und PLA-basierte Hanffasertapes sowohl einer werkstofflichen Wiederverwertung zugeführt werden können – beispielsweise in Form von Regranulat für Spritzgießanwendungen – als auch, falls erforderlich, einer energetischen Verwertung. Aufgrund des Einsatzes nachwachsender Rohstoffe lässt sich dabei eine weitgehend CO₂-neutrale Bilanz erzielen. Darüber hinaus eröffnen sowohl prozesstechnische Optimierungen als auch die gezielte Steuerung der Faserorientierung ein erhebliches Potenzial zur Material- und Gewichtseinsparung in unterschiedlichen Bauteilanwendungen. Diese Effekte konnten bereits an einem generischen Demonstrator nachgewiesen und damit die industrielle Relevanz der entwickelten Ansätze bestätigt werden.