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Kombination von Papier- und Textiltechnologie eröffnet neue Perspektiven für den Leichtbau

Bis zum Jahr 2050 soll die CO₂- Emission um 55 % gegenüber 1990 reduziert werden [1]. Vor allem in den Bereichen Energie, Industrie, Gebäude, Verkehr und Landwirtschaft ist ein Handeln unbedingt erforderlich, um dieses Ziel zu erreichen. Dazu ist notwendig, die Nutzung fossiler Energieträger zu reduzieren und konventionelle Antriebe durch elektrische Antriebstechnologien zu ersetzen. Zudem ist eine nachhaltige Reduzierung des Energiebedarfs bei der Produktherstellung und -nutzung ist unabdingbar. So sind es neue Funktionswerkstoffe und Leichtbau- Technologien, z.B. im Flugzeugbau, die signifikante Einsparungen an Energie und CO₂ -Emissionen ermöglichen.

Neben unterschiedlichen metallischen Leichtbaumaterialien sind es eine Vielzahl verschiedener Faserverbundwerkstoffe, wie Glas- und Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK), mit denen ein hohes Leichtbaupotenzial erschlossen werden kann, aber insbesondere im Falle von Carbon sehr energieintensiv in ihrer Herstellung sind. Entsprechend der Zielstellung zur Reduktion von CO₂- Emissionen in allen Bereichen ist daher der Einsatz von Glas- und Naturfasern als Verstärkung lohnenswert, da somit je nach Bauteil eine CO₂-Ersparnis um bis zu 85 % gegenüber reinem CFK realisierbar ist [2].

Trotz der vergleichbar niedrigen Fasersteifigkeiten und -festigkeiten können die notwendigen mechanischen Eigenschaften des Bauteils mit Hilfe der sogenannten Sandwichbauweise erreicht werden, wie er schon längst im Fahrzeugbau, der Luftfahrt und dem Bauwesen angewendet wird. Ein sogenannter Sandwichverbund wird dabei aus zwei zugstabilen Decklagen und einem druckund zugstabilen Kern mit niedriger Dichte gebildet. Die Kerne (meist Falt- oder Wabenkerne) sind bisher kosteninstensiv und aufwendig in ihrer Herstellung und werden lediglich klebtechnisch miteinander verbunden. Diese sind gegenüber Delaminationseffekten infolge kurzzeitig kritischer Bauteillasten und wechselnder Lasten (Schwingungen) stark anfällig und die Tragfähigkeit des Sandwichpaneels kann sich über einen längeren längeren Zeitraum minimieren. Alternative Materialien, wie textile Abstandstrukturen, bieten aufgrund ihrer formschlüssigen und faserbasierten Verbindung der Lagen über eine überragende Delaminationsbeständigkeit. Jedoch liefern diese textilen sandwichähnlichen Bauweisen nicht die geforderte Schubstabilität.

Projekttitel: » „Entwicklung von integral gewebten Papier-Textil-Sandwichstrukturen für Leichtbaupaneele“ (Hybrid High Performance Paper Weaves – HyPerWeave)

Laufzeit: » 01.05.2021 – 31.10.2023

Projektart: » IGF-Vorhaben Nr. 21856 BR

Forschungsstellen: » Papiertechnische Stiftung (PTS), Abteilung Funktionswerkstoffe Dr. Stefan Knohl, Dr. Cornell Wüstner und Maria Carmesin

» Technische Universität Dresden, Institut für Textilmaschinen und textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM), Dr.-Ing Gerald Hoffmann und Michael Vorhof

Ziel des Projektes HyPerWeave (Hybrid High Performance Paper Weaves), welches in Zusammenarbeit mit dem Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Dresden bearbeitet wird, ist daher die gezielte Entwicklung eines wirtschaftlichen Herstellungsverfahrens für leistungsfähige und nachhaltige Paneele auf Basis verfügbarer Technologien (Naturfaserverstärkung, Papier-Sandwichbauweise, Abstandsweben). Ermöglicht wird dies, indem die mechanisch vorteilhafte Anordnung räumlich gefalteter Papierflächen mit der textiltechnologischen, formschlüssigen Verbindung aller Teilkomponenten kombiniert wird (siehe Abbildung 1). Die finale Fixierung und Konsolidierung der HyPerWeave-Paneele erfolgt produktspezifisch mittels leistungsfähiger Materialien (Thermoplast, Duroplastharz) oder komplett ökologisch (z.B. stärkebasiert).

Abb. 1: Schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Erzeugung der HyPerWeave-Struktur mit den Entwicklungsschwerpunkten der Forschungsstellen [links]; Grafische Darstellung der Verbindung von Papier und Textil im Webprozess [rechts] ©ITM

Im Projekt wird die zielgerichtete Entwicklung der innovativen hybriden Papier-Textil-Sandwichmaterialien für Leichtbaupaneele durch einen hohen Anteil begleitender Simulationen entlang der Prozessstufen und im Hinblick auf die gewünschten Materialeigenschaften sichergestellt. Durch die räumliche Faltung der Papiere wird eine hohe strukturelle Schub- und Biegestabilität der späteren Paneele erreicht. Die Materialgrundlage sind neue zellstoffbasierte Spezialpapiere, die in einem neuen weiterentwickelten Webverfahren als Sandwichkern bindungstechnisch faserbasiert zwischen den gewebten Decklagen eingebunden werden. In Bezug auf die Flammschutzeigenschaften wird an der PTS ein neues Verfahren entwickelt, zellulosebasierte Spezialpapiere mit inhärenten Flammschutzeigenschaften zu versehen, um die Brandklasse B2 nach DIN 4102 und besser für Innenraumanwendungen zu erreichen.

Für die Papierentwicklung werden verschiedene Faserstoffe (u.a. Zellstoff und Glas), Additive (u.a. Nassfest-, Binde- und Retentionsmittel) und Flammschutzmittel (feste, organische Stoffe auf P-N-Basis) kombiniert und papiertechnologisch analysiert und bewertet. Das Verfahren wird anhand eines Spezialpapiers aus überwiegend nachwachsenden Rohstoffen (Zellstoff) sowie eines Hochleistungspapieres auf Basis von mineralischen Fasern (Glas) umgesetzt. Die entwickelten Papiervarianten müssen für die webtechnische Umsetzung in eine geeignete Streifenform gebracht werden, wofür Untersuchungen zur lasertechnischen und mechanischen Papierbearbeitung (Schneiden, Rillen) durchgeführt werden.

Seitens des ITM wird ein neues Webverfahren entwickelt, mit dem die innovativen Papiere räumlich gefaltet und formschlüssig über Kett- und Schussabbindungen in eine Abstandsstruktur eingebunden werden, sodass die Deckflächen und der faserbasierte Kern formschlüssig miteinander gekoppelt sind. Weiterhin wird eine neue Materialzuführung, Fachbildung und Warenführung für den Webprozess entwickelt und konstruktiv- technologisch umgesetzt. Alle Entwicklungsschritte werden auf Grundlage Strukturentwicklungen für die Ausführung der Papierfaltung im Hinblick auf relevante mechanische Lastszenarien durchgeführt und simulationsgestützt verschiedene Bindungsvarianten entwickelt.

Mit den neu entwickelten Spezialpapieren (auf Basis von Zellstofffasern) und Hochleistungspapieren (auf Basis von Glasfasern) werden unterschiedliche Funktionsmuster realisiert. Abschließend werden in Abstimmung mit Vertretern aus der Industrie zwei Demonstratoren entwickelt, die für unterschiedliche Anwendungsszenarios (Möbelbau mit Spezialpapier und Leichtbaupaneele für die Luftfahrt mit Hochleistungspapier) geeignet sind. Im Ergebnis verfügen die neuen HyPer- Weave-Paneele gegenüber konventionellen Sandwichbauweisen über deutlich verbesserte Delaminations- und hohe Schadensresistenz.

Die Prozesskette zur Paneelherstellung wird deutlich verkürzt, wobei Schritte zur nachträglichen Flammschutzausrüstung und Verklebung mit der Decklage entfallen. Durch die neuentwickelten Spezialpapiere, die hinsichtlich Zusammensetzung aus Zellstoffund Glasfasern in einem breiten Eigenschaftsspektrum individuell einstellbar sind, und durch Vielfalt möglicher Gewebestrukturen können die HyPerWeave- Paneele für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden. Mit der geplanten Entwicklung des Papier-Textil-Verbundes sollen neue Anwendungsfelder im Fahrzeugbau (Batteriekaste, Aufbauten, etc.), der Luftfahrt (Paneele, Container, Leitelement, etc.), dem Möbelbau (Büro- und Ladenmöbel, etc.) und dem Bauwesen (Bodenbeläge, Trennwände, etc.) erschlossen werden.

[1] Deutsche Bundesregierung: Klimaschutzprogramm 2030 der Bundesregierung zur Umsetzung des Klimaschutzplans 2050, https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/ Download_PDF/Klimaschutz/klimaschutzprogramm_ 2030_umsetzung_klimaschutzplan.pdf, (15.07.2020).

[2] Beus, N.; Carus, M.; Barth, M.: Carbon Footprint and Sustainability of Different Natural Fibres for Biocomposites and Insulation Material. Hürth: nova-Institut GmbH, April 2019.

Dr. Cornell Wüstner,

cornell.wuestner@ptspaper.de

Maria Carmesin,

maria.carmesin@ptspaper.de