Naturfaserverstärktes SMC zielt auf industrielle Anwendungen ab

Ein Heckspoiler produziert mit einem neuen organischen SMC. Komplexe Rippenstrukturen konnten die Forscher mit konventionellen Bearbeitungsparametern füllen. Sie fanden keine Trennung der Faser und der Matrix. Bildnachweis:Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)

Eine Organic Sheet Moulding Compound (SMC), die natürliche Füllstoffe und Fasern aufnehmen kann – wie gemahlene Schalen von Sonnenblumenkernen und Schilf – wurde von Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Wallenhorst, Deutschland), einem Hersteller von Polymerhalbzeugen für eine Vielzahl von Industrien, entwickelt , und dem Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Deutschland), einer gemeinnützigen Forschungseinrichtung des Landes Rheinland-Pfalz und der Technischen Universität Kaiserslautern, die sich auf die Entwicklung und Verarbeitung von Verbundwerkstoffen spezialisiert hat. Ziel ist die Entwicklung eines duroplastischen Verbundwerkstoffs mit relativ geringem CO₂ Fußabdruck.

Peter Ooms, Director Sales and Business Development bei Lorenz:„Wir haben das IVW mit unserem Know-how und SMC-Materialien sowie bei der anschließenden Erprobung für die industrielle Produktion unterstützt. Das Institut Kaiserslautern hat die Vorversuche im Labormaßstab, die allgemeine Forschung und die Entwicklung der Formulierungen für das neue Bio-SMC durchgeführt.“

Befragte potenzielle Nutzer

Die beiden Organisationen entwickelten ein Materialspezifikationsblatt basierend auf einer Umfrage unter 30 Unternehmen in verschiedenen Branchen, darunter Elektro-, Automobil- und Industrieausrüstung. „Unsere Umfrage hat gezeigt, dass verschiedene Branchen unterschiedliche Anforderungen an das Material haben“, sagt Ooms. Fast alle wollten jedoch eine Ökobilanz (LCA), um Umweltaspekte und CO₂ . zu dokumentieren Reduzierung der Produktion sowie Recyclingfähigkeit. Aufgrund dieser Anforderungen haben wir die möglichen organischen Materialien für die SMC-Produktion ausgewählt.“

Die Partner beschlossen, ein Glasfaser-SMC zu entwickeln, das teilweise einen Füllstoff auf organischer Basis enthält. Für den Füllstoff wurden mehrere Optionen in Betracht gezogen, darunter gemahlene Schalen und Schilf von Sonnenblumenkernen, Holzmehl, Upcycling-Calciumcarbonat aus industriellen Wasserenthärtungsanlagen und duroplastisches Recyclingmaterial. Als zusätzliche Nachhaltigkeitsinitiative wurden die Rohstoffe im Umkreis von 500 Kilometern um das Werk von Lorenz bezogen.

Am IVW wurden Forschungen zum SMC und den Füllstoffen und zur Verarbeitung der Materialien durchgeführt. Zu den berücksichtigten Faktoren gehörten Imprägnierbarkeit, Dichte, Viskosität und die Verfügbarkeit des Rohmaterials. Die Forscher arbeiteten bei der Entwicklung der Formulierung mit einem ungesättigten Polyester (UP)-Harz und einem Anti-Schrumpfungsadditiv.

An den Formulierungen arbeiten

Als nächstes definierten die Partner die Parameter für eine Demonstrator-Kampfkomponente, die aus dem neuen Material hergestellt werden sollte. „Dieser Demonstrator „hat uns geholfen, das Fließ- und Formfüllverhalten des Materials zu untersuchen und mit herkömmlichen SMC-Halbzeugen zu vergleichen“, sagt Dr.-Ing. Florian Gortner, Wissenschaftler am IVW. „Aufbauend auf diesen Ergebnissen und auf Pressrheometrietests haben wir ein Simulationsmodell erstellt, um das Fließverhalten zu demonstrieren und Vorhersagen über andere Formgeometrien zu ermöglichen.“

Nach anfänglicher Forschung wurde eine Basis-SMC-Harzpaste entwickelt, die ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) zusammen mit einem Anti-Schrumpfungsadditiv, Magnesiumoxid und einem internen Trennmittel zum Verdicken des Harzes sowie eine Farbpaste umfasst. Diese Harzpaste durchlief Tests, damit die Forscher verstehen konnten, wie jede der einzelnen Komponenten innerhalb des SMC interagiert. Iterative Testreihen von Harzformulierungen mit unterschiedlichen Füllstoffen führten schließlich zu einer Reihe von Harzen auf organischer Füllstoffbasis mit der gewünschten Viskosität, Fließfähigkeit und Imprägnierverhalten.

Gortner sagt:„Magnesiumoxid und ein internes Trennmittel wurden verwendet, um das Harz zu verdicken, und eine Farbpaste wurde hinzugefügt, um die Halbzeuge einzufärben. Ausgehend von den Umfrageergebnissen haben wir weitere Additive hinzugefügt und die Harzpaste an die Anwendung angepasst.“

Sie führten mehrere Iterationen der Formulierungen durch, bis sie diejenigen fanden, die das gewünschte Viskositäts-, Fließ- und Imprägnierverhalten aufweisen. Das resultierende Material ermöglicht die Herstellung von Halbzeugen mit einer geringeren Dichte als herkömmliches SMC, von denen Lorenz sich eine Attraktivität für den Elektrofahrzeugmarkt erhofft. Der nächste Schritt besteht darin, eine Version des Harzes kommerziell zu produzieren, die laut Ooms Lorenz noch in diesem Jahr realisieren will.

„Da es uns nun gemeinsam mit IVW gelungen ist, diesen neuen Duroplasten herzustellen, planen wir weitere Verbesserungen für die Praxis“, ergänzt Ooms. Lorenz kann beispielsweise Iterationen des Materials entwickeln, die die Menge der Harzpaste im Verhältnis zu den Füllstoffen variieren oder die Glasfaser durch Naturfasern ersetzen, je nach Anwendung. Lorenz sagt auch, dass die ungesättigten Polyesterharze auch durch sicherere, umweltfreundlichere Harze ersetzt werden könnten.

Gortner:„Ziel unseres Forschungsprojekts war es zu zeigen, dass der Einsatz von organisch basierten Komponenten in Duroplasthalbzeugen möglich ist. Dank der tatkräftigen Unterstützung von Lorenz ist uns dies gelungen und wir werden auch weiterhin Rückmeldungen aus der industriellen Produktion in unsere Ergebnisse einfließen lassen.“