leicht – modern – nachhaltig

Ausbau der Windenergie, Umstieg auf Elektromobilität, Modernisierung der Flugzeug-Flotten - all diese Vorhaben lassen sich nur mit leichten, aber leistungsfähigen Verbundwerkstoffen realisieren.

Und so verwundert es nicht, dass der Markt für Verbundwerkstoffe in den letzten Jahren kontinuierlich gewachsen ist und diese in ihren Schlüsselmärkten, der Windenergie-, Automobil-, Luftfahrt- und Bauindustrie eine immer wichtigere Rolle spielen.

Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Materialien bestehen. Meistens geht es um Faserverbundwerkstoffe, die aus einer Kunststoff-Komponente (Matrix) und den darin eingebetteten Fasern hergestellt werden.

Die wichtigste Gruppe der Faserverbundwerkstoffe sind die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK). Das gute Verhältnis von Gewicht, Tragfähigkeit und Wirtschaftlichkeit macht GFK für viele Anwendungen interessant. Bei technisch höchsten Anforderungen kommen carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) zum Einsatz. Ihr großer Nachteil ist allerdings der hohe Preis der Fasern.

Die dritte Gruppe sind die Bioverbundwerkstoffe. Bei diesen ist mindestens eine Komponente (Kunststoff und/oder Faser) biobasiert. Werden Naturfasern wie Flachs, Hanf, Jute, Kenaf oder Sisal eingesetzt, spricht man von naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK). Kommen dagegen Holzfasern oder Holzmehle zum Einsatz, handelt es sich um Holzpolymerwerkstoffe oder Wood Plastic Composites (WPC).

Der Einsatz von Naturfasern bringt für die Verbundwerkstoffe eine ganze Reihe von Vorteilen mit sich:

• niedrige Dichte,
• geringes Splitterverhalten bei Crash-Belastung,
• gute akustische Dämpfungseigenschaften,
• niedrige Rohstoffkosten,
• geringer herstellungsbezogener Energieverbrauch und folglich eine gute CO₂-Bilanz
• sowie letztendlich eine erneuerbare Rohstoffbasis.

In Europa lag der Marktanteil von Bioverbundwerkstoffen im Jahr 2012 bei 15 % aller Verbundwerkstoffe. WPC stellten mit 260.000 t die größte Gruppe, auf NFK entfielen 92.000 t. Während WPC vor allem im Baubereich (Terrassendielen) eingesetzt werden, gehen NFK fast ausschließlich in den Automobilbereich.

Weitere Informationen zu Bioverbundwerkstoffen finden Sie unter "Bioverbundwerkstoffe" und in der Broschüre Bioverbundwerkstoffe.

Die Weiterentwicklung von Bioverbundwerkstoffen wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) im Rahmen des Förderprogramms Nachwachsende Rohstoffe unterstützt. Die Bandbreite der Forschungsprojekte ist groß. Hier eine kleine Auswahl:

Bioverbundwerkstoffe werden als moderne und nachhaltige Baustoffe eingesetzt. Mit ihrer Weiterentwicklung beschäftigen sich viele der vom BMEL geförderten Projekte:

• Entwicklung von flammgeschützten WPC
  Insbesondere für öffentliche Bauten gibt es hohe Brandschutzanforderungen an die eingesetzten Baustoffe. Bisher führen bei WPC eingesetzte Flammschutzmittel oft zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften. Zudem ist ein hoher Massenanteil notwendig, um die gewünschte Flammschutzwirkung zu erreichen. Das Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung eines Flammschutzmittels für WPC, das diese Nachteile umgeht.
  Förderkennzeichen 22010212
• Platten aus umweltfreundlichen Sandwichelementen aus pflanzlichen Reststoffen mit integrierter Schall- und Wärmeschutzfunktion (PLUS)
  Neue umweltfreundliche Baustoffe steht im Fokus des Verbundprojekts, in dem es um die Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung von alternativen Halbfabrikaten (Platten), die bis zu 100 % aus erneuerbaren Materialien bestehen, geht. Diese Sandwichplatten sind die Grundlage für innovative architektonische Entwürfe für den Einsatz in Innenräumen als optimale thermische Dämmung und zur akustischen Absorption.
  Förderkennzeichen 22008413, 22016414, 22016514
• Extrudierte und Co-extrudierte Profile aus pflanzenreststoffverstärkten Biokunststoffen für Fenster und weitere architektonische Anwendungen
  Biobasierte Faserverbundwerkstoffe konnten bisher die überwiegend erdölbasierten Kunststoffe in Fassaden- und Fensteranwendungen noch nicht ersetzen. Daher werden in diesem Verbundvorhaben erstmalig biobasierte Lösung für extrudierte und Co-extrudierter Profile aus pflanzenreststoffverstärkten Biokunststoffen für Fenster- und Fassadenprofile gesucht. Diese biobasierten Profile sollen die in der Außenanwendung im Baubereich notwendigen Funktionalitäten, wie Bewitterungsstabilität und Flammschutz, bereits innerlich durch die eingesetzten Materialien und Additive beinhalten.
  Förderkennzeichen 22021516, 22004817
• Biobasierte Polyurethan Verstärkungslamelle mit Cellulosefasern für Holzkonstruktionen
  Der moderne Holzkonstruktionsbau erobert zunehmend auch den städtischen Raum. Das stärkt die Nachfrage nach Vollholzwerkstoffen wie Brettsperr- und Brettschichtholz. Bei diesen Baustoffen befinden sich zwischen den einzelnen Holzlagen dünne Schichten aus Polyurethanharz, die mit Aramid-, Glas- oder Carbonfasern verstärkt sind, um die Holzbaustoffe noch tragfähiger machen. Im Verbundprojekt wollen die Forscher nun biobasierte Alternativen für die bisher verwendeten fossilen Harze und Fasern entwickeln. Diese müssen die für die Außenanwendungen notwendigen Funktionalitäten wie Bewitterungsstabilität und Flammschutz beinhalten und zudem in der Lage sein, die auftretenden Zugkräfte aufzunehmen. Dazu werden die Eigenschaften eines neuen biobasierten Polyurethan-Harzes mit hochfesten Celluloseregeneratfasern kombiniert.
  Förderkennzeichen 22022616, 22003517, 22003617, 22003717, 22003817

Stellvertretend für den Schlüsselmarkt Automobilindustrie steht das folgende Projekt:

• Nachhaltiger Biohybrid-Leichtbau für eine zukunftweisende Mobilität
  Durch eine Kombination von biobasierten Fasern mit synthetischen Hochleistungsfasern soll ein Hybridgewebe entwickelt werden, das höchsten technischen Anforderungen der Automobil- und Nutzfahrzeugbranche, der Luftfahrt sowie dem Schienen- und Schiffsverkehrs gerecht wird. Projektziel ist eine Automobilkleinserie, bei der Teile der Karosserie aus dem neuen Biohybrid-Werkstoff hergestellt werden.
  Förderkennzeichen 22007717

Mit Hilfe der folgenden Projekte sollen neue Einsatzbereiche und Märkte für Bioverbundwerkstoffe erschlossen werden:

• Medizintechnik: Prothesen- und Orthesenherstellung aus naturfaserverstärkten Biokunststoffen (Bio-Ortho)
  Das Ziel des Verbundprojektes ist die Werkstoffentwicklung für den Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen (Naturfasern und/oder Biokunststoffe) in der Orthetik und Prothetik. Biobasierte Kunststoff-Compounds sollen sowohl für die Fertigung von standardisierten Passteilen (z.B. Prothesenfüße), als auch bei der Herstellung von individuell hergestellten Prothesenschäften und Orthesenteilen eingesetzt werden.
  Förderkennzeichen 22022012, 22015914, 22016014
• Fotografie: Entwicklung und Umsetzung naturfaserbasierter Leichtbaukomponenten für ein Stativ für Fotoanwendungen
  Mit einem ganz neuen Einsatzbereich für Bioverbundwerkstoffe beschäftigt sich dieses Verbundprojekt. Die Anforderungen an ein Biocomposites-Fotostativ sind geringe Masse, einfache und umweltfreundliche Fertigungstechnologie, gute Haltbarkeit, hohe Tragfähigkeit, gute Recyclingfähigkeit, Verarbeitung umweltfreundlicher Ausgangswerkstoffe und eine Holzanmutung. Die größte technische Herausforderung liegt in der Anbindung der Stativbeine an den Stativkopf, die eine hohe Tragfähigkeit aufweisen muss.
  Förderkennzeichen 22034414, 22025515
• Maschinenbau: Lösbare Verbindungstechnik für Bauteile aus Wood Polymer Composites (WPC) unter dynamischen Belastungen
  Ein Einsatzbereich der Zukunft von WPC sind Gestellsysteme sowie kombinierte Trag- und -Gleitelemente in fördertechnischen Anlagen, wie sie z.B. in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Um diese zu realisieren, ist u.a. die Erforschung der Verbindungsmethodik von WPC hinsichtlich ihrer Einflussgrößen notwendig. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer technisch vorteilhaften und lösbaren Verbindungstechnik für WPC-Bauteile unter statischer und dynamischer Belastung für den Einsatz im Maschinenbau.
  Förderkennzeichen 22001814
• Landschaftsbau: Sequentiell biologisch abbaubare Geotextilien
  In diesem Verbundprojekt wollen die Forscher und Forscherinnen biobasierte Geotextilien für eine Uferbefestigung an Wasserstraßen entwickeln, die sich nach Ende ihrer Gebrauchsdauer biologisch abbauen. Dabei sollen sich die verschiedenen Komponenten des Textils in unterschiedlichen Geschwindigkeiten zersetzen: Die schnell abbaubaren Naturfasern schaffen zunächst Wuchskanäle für die Pflanzenwurzeln. Langsamer abbauende biobasierte Polymerfasern gewährleisten dann über einen Zeitraum von mindestens drei Jahren die Bodensicherung, bis die Vegetation diese Aufgabe alleine übernimmt.
  Förderkennzeichen 22000815, 22020815, 22020915

Weitere Projekte finden Sie in der Projektdatenbank der FNR unter den Stichworten Verbundwerkstoff, NFK und WPC.