Hochorientierte multiaxiale Flachsfasergelege für den nachhaltigen Strukturleichtbau

Uthemann, Carsten; Gries, Thomas; Hermann, Axel

doi:43542

Hochorientierte multiaxiale Flachsfasergelege für den nachhaltigen Strukturleichtbau = Flax non-crimp fabrics with improved fibre orientation for sustainable lightweight composite structures

Uthemann, Carsten^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carsten Felix Anton Uthemann

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Gries, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Hermann, Axel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-05-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-06918
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/989653/files/989653.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Textilmaschinenbau und Institut für Textiltechnik (419110)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Faserverbundwerkstoff (frei) ; Flachsfaser (frei) ; Multiaxialgelege (frei) ; Nachhaltigkeit (frei) ; Naturfaserverstärkter Kunststoff (frei) ; fibre-reinforced composite (frei) ; flax fibre (frei) ; natural fibre-reinforced plastic (frei) ; non-crimp fabric (frei) ; sustainability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Sinne eines nachhaltigen Faserverbundleichtbaus bietet sich die Nutzung biobasierter Ressourcen an. Hinsichtlich des Fasermaterials rückt in den letzten Jahren der Einsatz von Naturfasern in den Fokus. Aktuell kommen Naturfasern vorrangig in nichtstrukturellen Anwendungen zum Einsatz. Dies geht insbesondere auf die Nutzung von Garnen zurück. Die Garnherstellung ist kostenintensiv und impliziert eine Verdrehung der Fasern. Dies bringt entscheidende Nachteile hinsichtlich der erzielbaren mechanischen Verbundeigenschaften mit sich. In dieser Arbeit werden daher die Voraussetzungen für den Einsatz von Naturfasern unter Einsparung der Garnherstellung erarbeitet. Der Lösungsansatz stellt die Bereitstellung einer geeigneten Technologie zur materialgerechten Verarbeitung von Flachsfaserbändern zu einem leistungsfähigen ±45° Multiaxialgelege dar. Dies umfasst die notwendige Maschinenentwicklung, Materialqualifizierung, ökologische Bewertung und wirtschaftliche Beurteilung. Die Maschinenentwicklung folgt dem Vorgehensmodell der VDI-Richtlinie 2221. Die zentrale Innovation stellt eine Faserbandzuführung mit temporärer Verfestigung mittels Falschdrall dar. Der Funktionsnachweis erfolgt durch Produktionsversuche. Im Anschluss werden das Multiaxialgelege und der daraus hergestellte duroplastische Verbundwerkstoff qualifiziert. Das Textil wird hinsichtlich der Homogenität, Drapierbarkeit und Tränkbarkeit untersucht. Die Bewertung erfolgt durch eine Nutzwertanalyse. Die Zug-, Druck-, Biege- und Schubeigenschaften des Verbundwerkstoff werden an Coupon-Prüfkörpern ermittelt. Die Bewertung des Werkstoffpotenzials erfolgt anhand von Materialauswahlindizes im Vergleich zu kommerziell verfügbarer Referenzmaterialien. Es folgt die ökologische Bewertung durch eine produktbezogene Ökobilanz in Anlehnung an die DIN EN ISO 14040 und die DIN EN ISO 14044 für ein automobiles Demonstratorbauteil. Die Bewertung erfolgt durch eine Beitragsanalyse, wobei der Fokus auf den verursachten CO2-Äquivalenten liegt. Abschließend erfolgt die wirtschaftliche Bewertung der Entwicklung. Der Nachweis der Marktfähigkeit der Technologie erfolgt anhand einer Kostenvergleichsrechnung für die Halbzeugherstellung und die Materialkosten des Demonstratorbauteils.

The transition towards the use of renewable resources is a promising building block for the implementation of ecologically sustainable fibre-reinforced plastics. In terms of fibre material, the use of natural fibres offers particular potential. Currently, natural fibres are primarily used in non-structural applications. This is due in particular to the use of yarns. Yarn production is cost-intensive and implies a twisting of the fibres. This entails decisive disadvantages with regard to the achievable mechanical properties of the composite material. In this thesis, the requirements for processing natural fibres while saving on yarn production are thus developed. The solution approach involves the development of a suitable technology for processing flax fibre slivers into a high-performance ±45° multiaxial non-crimp fabric. The approach includes the necessary machine development, material qualification, ecological evaluation and economic assessment of the materials and processes. The machine development is performed according to the guideline VDI 2221. The main component of the novel system is a sliver feeder with temporary solidification by means of false twist. The proof of concept is achieved through production trials. Subsequently, the non-crimp fabric and the resulting composite material are qualified. The fabric is analysed with regard to homogeneity, drapability and impregnability. The evaluation is based on a utility analysis. The tensile, compression, bending and shear properties of the composite material are investigated on coupon level. The material is assessed using performance indices taking into account the properties of reference materials. This is followed by an ecological assessment by means of a product-related life cycle assessment according to DIN EN ISO 14040 and DIN EN ISO 14044 for an automotive demonstrator part. The evaluation is based on a contribution analysis, focussing on the CO2 equivalents caused by the materials and processes. Finally, an economic assessment is performed. The proof of market viability is provided by means of a cost comparison analysis for the fabric production as well as the material costs of the demonstrator part.

OpenAccess:
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