Umweltfreundliches SMC mit Naturfasern steigert Industrieperformance

Ein organisches Sheet Molding Compound (SMC), das natürliche Füllstoffe und Fasern – wie gemahlene Sonnenblumenkernschalen und Schilf – aufnehmen kann, wurde von Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Wallenhorst, Deutschland), Hersteller von Polymer-Halbzeugen für diverse Industrien, und Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Deutschland), gemeinnütziges Forschungsinstitut des Landes Rheinland-Pfalz und TU Kaiserslautern mit Spezialisierung auf Composite-Entwicklung und -Verarbeitung, entwickelt. Ziel: Thermoset-Composite mit relativ kleinem CO₂-Fußabdruck.

Potenzielle Nutzer befragt: 30 Unternehmen aus Elektro, Auto, Industrie

Beide Organisationen erstellten Materialspezifikation basierend auf Befragung von 30 Unternehmen verschiedener Branchen (Elektro, Auto, Industrieanlagen). Peter Ooms, Vertriebs- und Business Development Director Lorenz: „Umfrage zeigte: Unterschiedliche Branchen haben unterschiedliche Materialanforderungen. Fast alle wollten Life-Cycle-Assessment (LCA) für Umweltaspekte und CO₂-Reduktion in Produktion sowie Recyclingfähigkeit. Organische Materialien für SMC-Produktion wurden basierend darauf gewählt.“

Entscheidung: Glasfaser-SMC mit organischem Füllstoffanteil

Partner entschieden sich für Glasfaser-SMC mit teilweisem organischem Füllstoff. Optionen: gemahlene Sonnenblumenkernschalen, Schilf, Holzmehl, upgecyceltes Calciumcarbonat aus industriellen Wasserenthärtungsanlagen, Thermoset-Recyclingmaterial. Als zusätzliche Nachhaltigkeitsinitiative: Rohstoffe innerhalb 500 km um Lorenz-Werk bezogen.

Forschung an IVW: Imprägnierbarkeit, Dichte, Viskosität, Rohstoffverfügbarkeit

Forschung an SMC und Füllstoffen an IVW. Betrachtete Faktoren: Imprägnierbarkeit, Dichte, Viskosität, Rohstoffverfügbarkeit. Arbeiten mit ungesättigtem Polyester (UP) Harz und Antischwundadditiv bei Formulierungsentwicklung.

Demonstrator-Bauteil: Strömungs- und Formfüllverhalten untersucht

Parameter für Demonstrator-Bauteil definiert. Dr.-Ing. Florian Gortner, Wissenschaftler IVW: „Demonstrator half uns, Fließ- und Formfüllverhalten zu untersuchen und mit konventionellem SMC-Halbzeug zu vergleichen. Auf Basis dieser Ergebnisse und Pressrheometrie-Tests bauten wir Simulationsmodell für Fließverhalten und Vorhersagen für andere Geometrien.“

Iterative Harzformulierungen mit verschiedenen Füllstoffen

Baseline SMC-Harzpaste: UP-Harz, Antischwundadditiv, Magnesiumoxid, internes Trennmittel zur Eindickung, Farbpaste. Tests zum Verständnis Interaktion einzelner Komponenten im SMC. Iterative Testreihen mit verschiedenen Füllstoffen resultierten in organischen Füllstoff-basierten Harzen mit gewünschter Viskosität, Fließ- und Imprägnierverhalten.

Gortner: „Magnesiumoxid und internes Trennmittel verdickten Harz, Farbpaste färbte Halbzeuge. Basierend auf Umfrageergebnissen fügten wir weitere Additive hinzu und passten Harzpaste an Anwendung an.“

Ergebnis: niedrigere Dichte als konventionelles SMC, attraktiv für EV-Markt

Mehrere Iterationen bis gewünschte Viskosität, Fließ-, Imprägnierverhalten erreicht. Resultierendes Material ermöglicht Halbzeuge mit geringerer Dichte als konventionelles SMC – Lorenz hofft auf Attraktivität für Elektrofahrzeugmarkt. Nächster Schritt: kommerzielle Harzversion, Lorenz plant diesjährig.

Ooms: „Da wir mit IVW erfolgreich neues Thermoset schufen, planen wir weitere Verbesserungen für Praxisanwendungen.“ Z. B. Variation Harzpaste/Füllstoff-Verhältnis, Substitution Glasfaser durch Naturfaser je nach Anwendung. Auch Ersatz UP-Harze durch sicherere, umweltfreundlichere Harze möglich.

Gortner: „Forschungsziel war Nachweis, dass organische Komponenten in thermoset Halbzeugen möglich sind. Dank aktiver Unterstützung von Lorenz gelang das erfolgreich; wir werden industrielles Feedback in Ergebnisse einfließen lassen.“