Vom Stein zur Verstärkungskomponente – Basaltfasern für Thermoplast-Composite in Leichtbauanwendungen

Entwickler und Anwender von Leichtbau-Lösungen setzen immer mehr auf kunststoffbasierte Verbundmaterialien. Typische Beispiele sind faserverstärkte Kunststoffe, die etwa im Flugzeugbau oder in der Automobilbranche dafür sorgen, Gewicht sowie Kraftstoff einzusparen und letztlich das Klima zu schonen. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt arbeiten das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS und die Deutschen Basaltfaser DBF GmbH an der Entwicklung von neuartigen Thermoplast-Compositen mit Verstärkungsfasern aus Basalt.

Rotationsrheometer Basalt Thermoplast Composite
© Fraunhofer IMWS/Torsten Proß

Im Rotationsrheometer werden die Fließeigenschaften sowie das viskoelastische Verhalten von Materialien wie von basaltfaserverstärkten Thermoplast-Compositen bestimmt.

Basalt ist ein natürliches, mineralisches Gestein vulkanischen Ursprungs. Es findet insbesondere im Bau- und Elektrobereich für Hitzeschilde, Wärmeisolierungen sowie für Brandschutzkomponenten in Kabelisolierungen und Erdleitungen Anwendung. Aufgrund der hohen thermischen Beständigkeit und der guten isolierenden und mechanischen Eigenschaften, dem geringen Wasseraufnahmevermögen sowie dem hohen Widerstand gegen ätzende Flüssigkeiten werden bisher bereits duroplastische Basaltfaser-Verbundwerkstoffe verwendet.

Im Gegensatz dazu existieren jedoch im Bereich der Thermoplast-Composite (TPC), die gerade für Automobilanwendungen von hohem Interesse sind, noch keine relevanten Anwendungen mit Basaltfaserverstärkung. »Wir wollen uns die sehr guten Eigenschaftsprofile im Vergleich zur Glasfaser und die gute Verfügbarkeit sowie die Kostenvorteile der Basaltfasern im Vergleich zur Carbonfaser zunutze machen und sehen ein großes Potenzial für wirtschaftliche Leichtbauanwendungen von endlosen Basaltfasern im Mobilitätsbereich«, sagt Ivonne Jahn, Gruppenleitern für thermoplastbasierte Faserverbund-Halbzeuge am Fraunhofer IMWS.

Um die Basaltfaser als Verstärkungsfaser für thermoplastische Verbunde nutzbar zu machen, sind jedoch noch einige Aufgaben zu lösen. Momentan gibt es noch keine zufriedenstellende Anbindung der Basaltfasern an die thermoplastischen Matrixsysteme. Zudem gestaltet sich das Faserhandling bei der Herstellung und Weiterverarbeitung der Basaltfasern schwierig.

Das gemeinsame Forschungsvorhaben »Neuartige basaltfaserverstärkte Thermoplaste für Automobilanwendungen« des Fraunhofer IMWS und der Deutschen Basaltfaser GmbH möchte dafür Lösungsansätze finden. Der spezielle Fokus des Forschungsprojekts, das bis zum 31. März 2019 läuft, liegt auf der Optimierung der Faser-Matrix-Grenzfläche und des Faserhandlings.

Im ersten Teil des Forschungsvorhabens soll auf Basis wissenschaftlicher Untersuchungen an kurzfaserverstärkten Basaltfaser-TPC-Systemen der Einfluss von verschiedenen werkstofflichen und technologischen Parametern untersucht werden: Fasergeometrie, Faservorbehandlung, Modifikatorenzugabe und Optimierung des Compoundierprozesses. Dabei werden die Einflussparameter identifiziert, die für eine erfolgreiche und effiziente Entwicklung basaltfaserverstärkter Thermoplaste als Compounds mit optimierten mechanischen Eigenschaften für Anwendungen als Spritzgussmaterial im Automobilbau von Bedeutung sind.

Im zweiten Teil des Forschungsvorhabens werden die gewonnenen Erkenntnisse auf endlosfaserverstärkte Basaltfaser-TPC-Halbzeuge übertragen. Ausgehend von den identifizierten werkstofflichen und prozesstechnischen Einflussparametern wollen die Materialwissenschaftler sogenannte UD-Tapes mit Basaltfasern (thermoplastische Folien, die mit Endlosfasern unidirektional verstärkt sind) und daraus entsprechende Laminate herstellen.

In der dritten Phase des Projekts soll schließlich anhand eines Demonstrators die Validierung und Bauteilanwendung der neu entwickelten Material- und Prozesskonzepte erfolgen. Dabei wird als Technologie der sogenannte Hybrid-Spritzguss zum Einsatz kommen, bei dem endlosfaserverstärkte Laminateinleger mit kurz- oder langfaserverstärktem Spritzgussmaterial kombiniert werden. »Unser Forschungsprojekt verbindet in hervorragender Weise leistungsfähige Fasern aus dem natürlichen Basaltgestein mit effizienten thermoplastischen Kunststoffverarbeitungstechnologien. Unser finales Ziel ist die Entwicklung industrienaher Verarbeitungstechnologien mit innovativen thermoplastbasierten Leichtbaumaterialien für den Automobilbau«, charakterisiert Ivonne Jahn das aktuelle Forschungsprojekt abschließend.