Wissenschaftliche Methodik Herzlich Willkommen! Wissenschaftliche Methodik Fragestellung: Inwiefern können nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau eingesetzt werden und eignen sich diese eigentlich auch als Crash- bzw. Energieabsorber?

Gliederung Suchstrategien Thesen Definition Naturfaserverbundwerkstoffe (NFK) Crash-/Energieabsorber Literaturverzeichnis

Naturfaserverstärkte Kunststoffe im Automobil Crash-/Energieabsorber aus nachwachsenden Rohstoffen

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Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf.

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Definitionen „Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren Einzelstoffen bestehen […]“ [Eckhard, I.: 2013] Faserverbundwerkstoffe bestehen im Allgemeinen aus zwei Haupt- komponenten (Matrix und Faser) Abb. 1 Spannungs-Dehnungs Diagramm Verbundwerkstoff [2]

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Bioverbundwerkstoffe Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) Holz-Polymer-Werkstoffen (WPC)

Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) Faser und/oder Matrix bestehen aus Biomasse Als Matrix eignen sich Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomere Als Naturfaser eignen sich Faser pflanzlichen, tierischen sowie mineralischen Ursprungs Faser = Festigkeit & Steifigkeit Matrix = Formstabilität Abb. 2: Aufbau von faserverstärkten Kunststoffen [2]

Matrix Matrix Thermoplasten Duroplasten Elastomere widerholt plastisch verformbar Materialüberreste wiederverwertbar können geschweißt werden Lignin, Stärkepolymere, PLA, … härtbare Kunststoffe nicht erneut plastisch verformbar nicht schweißbar verschiedene Harze (Epoxid-, Acrylat-,…) sehr gute Dehnungswerte eignen sich gut als Energieabsorber Kautschuk - Verfestigung der Faser Strukturmodell: Thermoplasten -> orientierungslose Molekülketten Duroplasten -> Moleküle fest miteinander verbunden (Je höher der Kristalline Anteil in der Matrix umso geringer sind seine Crash-Energieabsorptions Eigenschaften)

Naturfaser Naturfaser Fasern tierischen Ursprungs Pflanzenfaser Fasern tierischen Ursprungs Mineralische Naturfaser Wolle & feine Tierhaare grobe Tierhaare Seiden Proteinfaser … Asbest Erionit Wallastonit … Kokosnuss -> Impactverhalten, Salzwasser Abb. 3: Pflanzenfaser [3, 4, 5]

Auswahlkriterien für Faser Bruchdehnung Wärmebeständigkeit Haftungsverhalten zwischen Faser und Matrix Dynamisches Verhalten Langzeitverhalten Preis und Verarbeitungskosten Faserlänge Reißlänge – spezifische Reißfestigkeit Abb. 4: Reißlänge im Bezug auf die Dehnung [3]

Vergleich versch. Faser Faser = Festigkeit & Steifigkeit Matrix = Formstabilität Abb. 5: Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Faser [3]

Rhabarber als Vorbild Verbessertes Ablöseverhalten Matrix/Faser Unerwartet hohe Schlagzähigkeit Rhabarber als Natürliches Vorbild Sandwichartige Rechteckstruktur Steife Außenlagen Weiche Innenlagen • Leicht, Biegesteif, Schlagzäh • Steife Außenlagen mit hoher Festigkeit und geringer Dehnung. • Weichere Innenlagen mit geringerer Festigkeit und hoher Dehnung. • Faserbündel Abb. 6: Rhabarber im Charpy-Versuch [6]

Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf. ü

Celulloseregeneratfaser Werden aus Naturprodukten durch chemische Aufbereitung hergestellt Celluloseregenratfasern Werden aus Cellulose erzeugt Nachwachsender Rohstoff Cellulose kommen in allen Pflanzen vor Hohe Feuchtigkeitsaufnahme und –transport Gute mechanische Eigenschaften Celullose verflüssigt Durch Spinndüsen gepresst -> Cellulosefaser Abb. 7: vom Baum zur Cellulose [7]

Thesen ü Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf.

Vorteile Gutes Crash-/Energieabsorptionsverhalten Kein Splittern, keine scharfe Kanten im Falle eines Unfalls besitzen gute mechanische Eigenschaften gute akustische Eigenschaften Nachhaltigkeit da nachwachsenden Rohstoffe ideal für den Leichtbau geeignet Einfache Herstellprozesse (Thermoforming) geringeren Verarbeitungstemperaturen bis zu 80% weniger Energie verbraucht gegenüber GFK kostengünstiger als GVK oder CVK (vgl. Kohlefaser 30 €/kg, Leinenfaser 2,5 €/kg) [8] Biege- und Zugsteifigkeiten sowie die Schlagzähigkeit Mehrere Prozessschritte zusammengefasst

Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf. ü

Nachteile Hohe Anschaffungskosten der Werkzeugmaschinen Einheimische Naturfasern können sich nicht gegen Importfasern durchsetzen Problematik bezüglich des Brandverhaltens -> hohe Wärme Freisetzung Geruchsentwicklung bei Herstellung der Faser Komplexer Werkstoff -> hoher Prüfaufwand, … Abb. 8: Komplexität von Verbundwerkstoffen [9]

Einflussgrößen der Faser Impactverhalten ist abhängig vom Verbundwerkstoffaufbau Dünne Faser Größere Anzahl an Faser bessere Haftung Faser/Matrix erhöht das Verhaken der Faser besseres Crashabsorptionsverhalten „Die mechanischen Eigenschaften des Verbundes können durch Orientierung der Fasern maßgeschneidert werden.“ [Huber, U.: 2012] Abb. 9: Einfluss vom Faserorientierungswinkel [10]

Schlagbiegeeigenschaften Abb. 10: Einfluss von Fasermassegehalt [11]

Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf. ü

Wasseraufnahme bei NFK Hängt sehr stark vom Werkstoff ab Freie Faser nehmen sehr schnell Feuchtigkeit auf Quellen der NFK Quellen durch Trocknung vollständig reversibel Mechanische Eigenschaften können verändert werden Einsatz von Hydrolyse-Stabilisatoren Abb. 11: Quellverhalten von Cellulosefaser [12] Abb. 12: Quellverhalten versch. Faservebunde[13]

Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf. falsifiziert ü

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Crash-/Energieabsorber gesetzlichen Tests und Verbraucherschutztests kinetische Energie 𝐸 𝑘𝑖𝑛 = 1 2 ∙𝑚 ∙ ( 𝑣 1 − 𝑣 2 ) 2 eine möglichst hohe spezifische Energieaufnahme durch ein möglichst leichtes Bauteil erfolgen Deformationsenergie gesamte kinetische Energie soll absorbiert werden, sodass die dahinter liegende Längsstruktur unbeschädigt bleibt [12]. 𝐸 𝑑𝑒𝑓 =𝐹∙ 𝑠 𝑓 η = 𝐸 tat s ∙ F Kennwert : Crashenergie soll auf einem möglichst kurzen Deformationsweg abgebaut werden es wird ein rechteckförmiger Kraft-Weg-Verlauf angestrebt. Abb. 13: Ideale Kraft-Weg-Kurve

ECE-R42 v = 4 km/h v = 2,5 km/h Keine scharfen Kanten Abb. 15: Schlagpendel [15] 30° Abb. 14: Rammwagen [14] Testfahrzeug massegleichen Rammwagen oder einem Schlagpendel (an mindestens 3 m langem Pendelarm) beaufschlagt Nach den Tests mit 2,5 km/h bzw. 4 km/h dürfen keine Anbauteile abfallen und keine scharfen Kanten entstehen.

RCAR-Test Crashreparaturtest Front/Heck zur Ermittlung des Reparaturaufwandes (Versicherungseinstufung) Aufprallwinkel 10° zur Barriere Barriere wird mit 40% Überdeckung getroffen/positioniert v = 15 km/h Barriere-/Fahrzeuggeschwindigkeit = 15 km/h (+1/-0 km/h) Allianz Zentrum für Technik Reaserch Council for Automobil Repairs Grundlage für Typeinstufungen Front Barriere als starre Wand (deutlich höher als Fahrzeugfront) m Heck Barrieremasse = 1400kg Abb. 16: Crashreperaturtest [16]

Crashboxen ursprünglicher Ø reduzierter Ø Abb. 17a: Progressive Deformation durch Sicken & Kerben [17] Abb. 19: Stülprohr [19] Abb. 17b: Progressive Zerstörung [17] Verformungsarbeit Eine häufige Forderung an Energieabsorptionselemente ist die kontrollierte, progressive Deformation bzw. Zerstörung, die üblicherweise durch Sicken und Kerben über einen Faltvorgang eingeleitet wird [12]. ursprünglicher Ø reduzierter Ø Abb. 21: Scherbox [21] Abb. 18: Pralldämpfer [18] Abb. 20: Stauchrohr [20]

Kraft-Weg-Verlauf Gleichmäßiges Kraftniveau über einem langem Weg Wahl des Fasertyps, der Faserorientierung, der Halbzeugform, dem Harzes, der Geometrie sowie der Prüf- und Einsatzbedingungen Abbildung 22: Kraft-Weg-Verlauf von Energie-Absorptionselementen [22] Energieabsorptionscharakteristik welche für Crashbelastungen besonders geeignet ist hohen spezifischen Energieabsorptionsgrad annähernd konstante Deformationskraft

Organoblech + Geringes Gewicht + hohe Belastbarkeit + Schalldämpfende Eigenschaft + weiches Crashverhalten: splittern nicht, keine scharfen Bruchkanten + Ressourcen Schonung & hervorragende Energiebilanz + gute Recyclingeigenschaften + gute Verarbeitungseigenschafen: nicht Lungengängig, Haftvermittlern entfallen + hohen Investierungskosten für eine Pressanlage können umgangen werden plattenförmige thermoverformbare Halbzeuge, Die thermoplastische Matrix kann in einem Umformprozess weiterverarbeitet Interiour Konsolidieren → zusammenfügen, -fassen Abb. 23: Organoblech [23] + Organobleche sind bereits vollständig imprägnierte und konsoldierte Platten. + gutes Handling und sehr geringen Lagerbedarf + Fasern sind von der Matrix vollkommen umschlossen → stark verminderte Feuchteaufnahme → Geruchsbelästigung niedrig [5].

Konische Crashbox mit wellenförmiger Wand PA6 + GF; 190 mm Drapierfreie Umformung PA6 + GF; 165 mm Simulation Stabil gegen Off-Axis-Load Hohe Knickstabilität Kraft [kN] Geringere Blocklänge Einen Stetig steigenden Kraft-Weg-Verlauf Stabile Crashfront Deformation [mm] Abb. 24: Konische Crashbox [24] Abb. 25: Kraft-Weg-Verlauf [24]

Optimierte Crashboxen PA6/GF Kraft [kN] 1. Gerades Rohr mit wellenförmiger gerader Wand 2. Kegel mit leicht schräger Wand 3. Box mit rechteckigem Querschnitt und leicht schräger Wand Rohr Kegel Kastenkegel Abb. 26: Optimierte Crashboxen [24] Deformation [mm] Abb. 27: Kraft-Weg-Verlauf [24]

Biofasern in Organoblechen Gewichtsreduzierung: 62% (Organoblech zu Stahl) 42% (Organoblech zu Aluminium) [16] NFK UD – Unidirektional → eine Richtung GFK CFK Abb. 28: Faseranordnung in FVK [24] Abb. 29: Dehnung von Organoblechen [13]

Crashboxen aus Organoblechen Stahl PA6/GF PP/GF PP/NF (Flachs) Kraft [kN] Die Haftung zwischen PP-Matrix und Zellulose war nicht ausreichend Untersuchung verschiedener BIO-Matrix Röste Abb. 30: Crashelemente aus Naturfasern [26] Deformation [mm] Abb. 31: Energieabsorptionsverhalten [24]

Wabenstrukturen Abb. 32: Geklebte Wabenstrukturen [27] Durch wickeln von Celluloseregeneratfasern die in Epoxidharz getränkt wurden können einzelne Waben mit unterschiedlichen Wandstärken und Fasenorientierungen erzeugt werden. durch Kleben werden diese Wabenstrukturen zusammengefügt Stand der Technik ist das Marslandekonzepte in Wabensandwichbauweise ausgeführt werden. Landestoß wird in plastische Verformungsarbeit umgewandelt. → Weiches Landen wird ermöglicht → Gewichtsoptimierung wird erzielt [28].

Wabenstrukturen Je nach Belastungsrichtung gibt es unterschiedliche Schadensmechanismen die zur Energieabsorption führen Bei der Belastung quer zur Wabenausrichtung kollabieren die Strukturen durch Knickung an den Gelenkpunkten Längs- und Querrisse Belastung axial zur Wabenausrichtung Delamination, Faserauszug und Matrixrissen die zum Versagen führen bietet die höchste Energieabsorption durch auseinanderbrechen der Wabenwände [4] Abb. 33: Belastung der Wabenstruktur [27]

Fasernwinkel Variation des Fasernwinkels zwischen den gewickelten Faserlagen bietet eine vielversprechende Optimierungsmöglichkeit Reihenfolge einzelner Schichten mit unterschiedlichen Faserrichtungen hat einen bedeutenden Einfluss auf das Crash-/Energieabsortionsverhalten Flechtwinkel Bei einem Winkel von 0° - Lagen werden äußerst unregelmäßige Ergebnisse Umfangswickelungen von 90°-Lagen können die in Kraftrichtung liegenden Lagen stützen ideales Verhältnis liegt bei 1. Anteil von 90°-Lagen zu 3. Anteilen von 0°-Lagen. Hierbei sollen die 0°-Lagen mittig und die 90°-Lagen innen und außen sein [22]. Abb. 34: Definition des Flechtwinkels [22]

Thesen Kunststoffersatzstoffe können aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Die Faserorientierung von FVK ist ausschlaggebend für das Energieabsorptionsverhalten. Naturfaserverstärkte Kunststoffe erzielen eine höhere Wirtschaftlichkeit als normale Faserverbundkunststoffe. Als Naturfaserwerkstoffe eignen sich Flachs, Hanf, Kautschuk, Rhabarber und Kokosnuss. Naturfaserverstärkte Kunststoffe weisen eine geringere Witterungsbeständigkeit auf. ü Die Verifikation ist somit erfolgt

Octamold Effizienz [%] Kraft [kN] Stauchung [%] Abb. 35: Druckversuch [25] - Kraft-Weg-Kurve Versuch - Kraft-Weg-Kurve Simulation - Energieabsorptionseffizienz Abb. 36: Octaederstumpf [25] Celluloseregenerat-Material Ideale Energieabsorptionseffizienz über langem Verformungsweg Da der Bauraum im Automobil stark begrenzt → bietet Octamold die Möglichkeit Freiräume aufzufüllen und somit die Struktursteifigkeit und Energieabsorption in die Komponenten zu integrieren Stauchung [%] Abb. 38: Octaederstumpf [25] „Von besonderem Interesse ist hierbei die auf das Ausgangsvolumen des Absorber bezogene absorbierte Stoßenergie.“ Amir Tahric (2012), Erfinder von Octamold, Maschinenbautechniker Abb. 37: Längsträger unverformt (links) und deformiert ( rechts) [25]

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Literaturverzeichnis [1] Eckhard Ignatowitz: Werkstofftechnik für Mettalbauberufe. Haan-Gruiten: Europa Lehrmittel 2003 [2] Graupner, N. u. Müssig, J.: Motivation für den Einsatz biobasierter Werkstoffe. - Naturfaserverstärkte Kunststoffe -, Hochschule Bremen. Bremen 2013 [3] Riedel, U.: Konstruktionswerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Braunschweig 2001. https://www.researchgate.net/publication/224787630 [4] Energieheld, http://www.energieheld.de/files/d%C3%A4mmung-mit-kokosfaser.jpg (22.11.2016) [5] Mein schöner Garten, https://www.mein-schoener-garten.de/gartenpraxis/nutzgaerten/rhabarber-pflanzen-und-ernten- 22106 (22.11.2016) [6] Graupner, N. u. Müssig, J.: Biegesteif & Schlagzäh. - Bionische & biobasierte Werkstoffe / Was wir von Rhabarbar & Kokosnuss lernen können? -. Haus der Wissenschaft. Bremen 2015 [7] Huber, U.: Faserverbundwerkstoffe – Chancen und Herausforderungen. Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg [8] VDI Zentrum: Ressourceneffizienz biobasierter Materialienim verarbeitenden Gewerbe [9] Karus, M.: Naturfaserverstärkte Kunststoffe. Pflanzen Rohstoffe Produkte. Gülzow: Media Cologne Kommunikationsmedien GmbH, Hürth 2008 [10] Graupner, N. u. Müssig, J.: Auswertung von µ-CT Bildern. - Messung der Faserorientierung in Faserverbundwerkstoffen -, Hochschule Hannover. Hannover 2013 [11] Graupner, N. u. Müssig, J.: Biegesteif & Schlagzäh. - Bionische & biobasierte Werkstoffe / Was wir von Rhabarbar & Kokosnuss lernen können? -. Haus der Wissenschaft. Bremen 2015

Literaturverzeichnis [12] Matheis, R., Kuckhoff, B., Eckstein, L. u. Gries, T.: Beitrag zum Fortschritt im Automobilleichtbau durch die Entwicklung von Crashabsorbern aus textilverstärkten Kunststoffen auf Basis geflochtener Preforms und deren Abbildung in der Simulation (Geflochtene FVK-Crashabsorber). FAT 246 Schriftreihe, RWTH Aachen University. Aachen 2010 [13] Carmen Köhler-Hammer: Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe im Innen- und Außenraum von Gebäuden. Stuttgart 2015 [14] Colliseum: https://www.colliseum.net/wiki/ECE-R_42. ECE-R42 [15] MICROSYS: Pendelversuche oder Testfahrzeug mit massegleichen Rammwagen gemäß ECE-R42 [16] Crashreparaturtest. http://www.volke.de/kompetenzfelder/simulation/azt-test-vorn/ [18] Pralldämpfer: http://images.google.de/imgres?imgurl=http%3A%2F%2Fstatic.schmiedmann.dk [19] EP 0794350 A1: Dispositif absorbeur de chocs notamment pour véhicules automobiles, Angemeldet: 17. Febr. 1997 [20] Wiemuth, N.: Untersuchungen zur Energieabsorption von modernen Stoßfängersystemen im Hinblick auf die Anwendung der Verkehrsunfallrekonstruktion, Hochschule Zwickau Diplomarbeit. Zwickau 2003 [21] DE 102013007594 A1: Vorrichtung zum Absorbieren von Bewegungsenergie, insbesondere zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, Angemeldet: 2. Mai 2013 [22] Graupner, N. u. Müssig, J.: Pflanzliche Strukturen als Vorbilder für technische Verbundwerkstoffe, Hochschule Bremen Publikation. Bremen 2011 [23] Reimer, V., Bethlehem-Eichler, K., Gries, T. u. Eckstein, L.: Geflochtene FVK-Crashstrukturen – Ergebnisse und Fazit, RWTH Aachen University Publikation. Aachen 2015

Literaturverzeichnis [24] Hibben, M.: Anforderungen an Organobleche, Saarlouis 2014. http://training.pluscomposites.eu/sites/default/files/4_Hibben.pdf [25] leightweigtdesign. Die Fachzeitschrift für den Leichtbau bewegter Massen. Lastaufnehmende Raumgitterstrukturen [26] Gundlach, M. von u. Martin, S.: Energieeffiziente Fahrzeuge - Ultraleichte Crashstrukturen. 2015 [27] Kelch, M., Graupner, N. u. Müssig, J.: Bioinspirierte cellulosefaserverstärkte Wabenstrukturen als Energieabsorber in einer Crashbox, Hochschule Bremen Publikation. Bremen n/a [28] FIBRE Faserinstitut Bremen e.V.: Jahrebericht 2012/2013. 2013

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