Produktdesign mit BioVerbundwerkstoffen. Jörg Nickel

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1 2. ForschungsForum Nickel S.1 Produktdesign mit BioVerbundwerkstoffen Jörg Nickel Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Strukturmechanik Lilienthalplatz 7, Braunschweig Kurzfassung Ausgehend von einem Überblick über naturfaserverstärkte Biopolymere kurz Bio- Verbundwerkstoffe sowie ihre aktuellen technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten und Grenzen befaßt sich der vorliegende Beitrag mit dem Werkstoff unter gestalterischen Gesichtspunkten. Präsentiert werden Ergebnisse der erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen Werkstofforschung und Industriedesign. So wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen DLR und Burg Giebichenstein Hochschule für Kunst und Design Halle nicht nur schutzfähige Ideen geboren, sondern auch Prototypen entwickelt, die auf internationalen Fachmessen Beachtung fanden und mit Preisen ausgezeichnet wurden (AVK-TV Innovationspreis 2002, MATERIALICA Design Award 2003). Aktuelle Ergebnisse werden vorgestellt und Zielrichtungen für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten aufgezeigt.

2 2. ForschungsForum Nickel S.2 1 BioVerbund Forschung, Lehre, Anwendung BioVerbundwerkstoffe bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen - Pflanzenfasern und Biopolymeren - und bilden eine neue Werkstoffklasse, die Werkstoffentwickler und Gestalter gleichermaßen fasziniert. Mit einem ähnlichen Leistungsprofil wie glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) zeichnen sich BioVerbundwerkstoffe außerdem durch ihre besondere Materialästhetik sowie ihre umweltverträglichen Entsorgungsmöglichkeiten aus (CO 2 -neutrale thermische Verwertung, Methanolgewinnung. Bioabbau). Seit Anfang 2004 ist ein BioVerbund-Arbeitsschutzhelm als eines der ersten Produkte auf dem Markt; neue Anwendungen werden gesucht. Dazu haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.v. in Braunschweig und Industrial Design-Studenten der Burg Giebichenstein in Halle gemeinsam mit dem neuen Material experimentiert. 2 Produkte aus Pflanzenfasern und Biopolymeren Naturfaserverstärkte Kunststoffe werden in der Automobilindustrie seit Jahren in großen Mengen als Trägerwerkstoff für Interieurbauteile eingesetzt, vor allem wegen der guten anwendungsbezogenen Eigenschaften und der Wirtschaftlichkeit der verwendeten Naturfasern und petrochemischen Polymere. Das Leichtbaupotential der Naturfasern führt zu Gewichts- und Kraftstoffeinsparungen und trägt zu einer positiven Umweltbilanz bei. Diese läßt sich mit Biopolymeren (Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen) wegen der vollständig nachwachsenden Rohstoffquelle weiter verbessern. Derzeit erschweren jedoch höhere Rohstoffpreise bis auf Ausnahmen (Arbeitsschutzhelm für SCHUBERTH HELME GmbH, Braunschweig; Schienenfahrzeuginterieur (Vorserie), für ALSTOM LHB GmbH, Salzgitter) eine weitere Verbreitung naturfaserverstärkter Biopolymere in technisch-wirtschaftlichen Anwendungen. Dabei verfügen diese sogenannten BioVerbundwerkstoffe über eine besondere Materialästhetik, optische (Sichtflächen) und haptische Qualitäten sowie zusätzliche Freiheitsgrade und Gestaltungsmöglichkeiten. Damit können BioVerbundwerkstoffe erfolgreich gegen das Ersatzstoffimage antreten. Ihr spezielles Eigenschaftsprofil betont ihre Eigenständigkeit und macht sie damit für Gestalter ganz besonders interessant. Dieses Innovationspotential für verschiedene Anwendungen zu nutzen und kreativ und gewinnbringend in Industriekooperationen umzusetzen, ist Ziel der im Jahre 2001 begonnenen intensiven Zusammenarbeit zwischen dem DLR Institut für Strukturmechanik und der Burg Giebichenstein Hochschule für Kunst und Design Halle.

3 2. ForschungsForum Nickel S.3 3 Bisherige BioVerbund-Forschungsaktivitäten und Entwicklungen Ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt entwickelt, finden Faserverbundwerkstoffe [1, 2] heute zunehmende Verbreitung, unter anderem wegen ihres hohen Leichtbaupotentials (hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht) und der Möglichkeit, Verbundbauteile durch gezielte Faserorientierung für den Anwendungsfall maßzuschneidern. Die aus verschiedenen, in der Regel chemisch sehr beständigen synthetischen Komponenten bestehenden klassischen Faserverbundwerkstoffe bereiten jedoch oft große Probleme bei Wiederverwendung oder Recycling am Ende ihrer Nutzungsdauer. Wachsendes Umweltbewußtsein und verschärfte Gesetze und Regelungen (Verpackungsverordnung, Kreislaufwirtschaftsgesetz, 1991) verbieten eine Deponierung immer mehr. Hier stellen Faserverbundwerkstoffe aus vollständig nachwachsender Rohstoffquelle einen interessanten Ansatz dar, der seit 1989 am DLR Institut für Strukturmechanik verfolgt wird. Diese BioVerbundwerkstoffe [3-6] bestehen aus gerichteten oder ungerichteten natürlichen Verstärkungsfasern, die in Polymere und Grundbausteine eingebettet werden, welche vorwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen stammen und deshalb als Biopolymere bezeichnet werden. Die Entwicklung schließt auch ökonomisch und ökologisch verträgliche Fertigungstechnologien ein. Ein Vergleich der jeweiligen Zugfestigkeiten, Steifigkeiten und Bruchdehnungen zur Auswahl geeigneter natürlicher Verstärkungsfasern zeigt, daß z.b. Hanf-, Flachsund Ramiefasern mit den häufig eingesetzten E-Glasfasern (Al-B-Silikatglas) erfolgreich konkurrieren können. Ausgehend von thermoplastisch zu verarbeitenden und biologisch abbaubaren Matrices mit begrenzten Eigenschaften wurden duroplastische Matrixsysteme entwickelt mit dem Ziel, Verarbeitungseigenschaften, Kennwerte und Beständigkeiten wie bei petrochemischen Duroplasten zu gewährleisten bei einem höchstmöglichem Anteil nachwachsender Rohstoffe. Mit ihrem guten Eigenschaftsprofil und der Option einer weitgehend CO 2 -neutralen thermischen oder stofflichen Verwertung (z.b. Methanolgewinnung) bieten diese Werkstoffe für vielfältige Anwendungen eine umweltverträgliche und nachhaltige Alternative zu petrochemischen glasfaserverstärkten Kunststoffen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Leichtbaupotential der BioVerbundwerkstoffe infolge der geringeren Dichte der Naturfasern (1.500 kg/m 3 ) im Vergleich zu Glasfasern (2.500 kg/m 3 ). Unter bestimmten Umständen kann gegenüber GFK bis zu 30 % Gewicht eingespart werden. In mobilen Anwendungen trägt diese Gewichtsreduktion direkt zur Energieeinsparung bei. Ihr Einsatz im Möbel- oder Messebau kann Transport und Handhabung von Objekten beträchtlich erleichtern. Bei der Verarbeitung bewirken Naturfasern einen geringeren Werkzeugverschleiß und sind arbeitsmedizinisch weitaus we-

4 2. ForschungsForum Nickel S.4 niger problematisch als die abrasiven Glasfasern. In vielen Einsatzbereichen überzeugt der Werkstoff mit seiner geringen Splitterneigung (z.b. Arbeitsschutzhelm, Abb. 1). Abb. 1: Arbeitsschutzhelm (Werksentwurf Schuberth Helme GmbH, BS) weniger Gewicht bei mehr Sicherheit gegenüber Vergleichsprodukten Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an BioVerbundwerkstoffen werden erfolgreich fortgesetzt. Wesentliche Förderprojekte (Nds. Wirtschafts- bzw. Landwirtschaftsministerium, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe FNR) zur Weiterentwicklung des Werkstoffes wurden innerhalb von Industriekooperationen durchgeführt. 4 Neue Ansätze BioVerbundwerkstoffe unter Design-Aspekten In einem interdisziplinären Ansatz werden zusammen mit der Burg Giebichenstein Produkte entwickelt, die nicht nur die Werkstoffkennwerte berücksichtigen, sondern auch gestalterische Aspekte einbeziehen, da die derzeit höheren Rohstoffpreise der Biopolymere sowie noch nicht optimal ausgeschöpfte Werkstoffeigenschaften einen umfassenden Einsatz in technisch-wirtschaftlichen Anwendungen noch behindern. Dabei wurden neue und bisher so nicht in Anwendungen erprobte Werkstoffvarianten in gebrauchsorientiert gestalteten Produkten untersucht. Materialanforderungen aus Szenarien für Produkte und Prozesse lieferten neue Forschungsimpulse für die Werkstoffentwicklung. Die sich daraus ergebenden Synergien führten zur Optimierung ausgewählter Werkstoffeigenschaften. In Anerkennung dieser erfolgreichen Kooperation zwischen Werkstofforschung und Industriedesign wurde zum Beispiel das daraus entstandene h.i.p. handschmeichelnde Imageprodukt zur Kommunikation des BioVerbundwerkstoffs mit dem AVK-TV Innovationspreis 2002 ausgezeichnet; dem BioVerbund-Hocker wurde der MATERIALICA Design Award 2003 verliehen.

5 2. ForschungsForum Nickel S.5 5 Beispiele An Beispielen aus dem Möbel- und Freizeitbereich sollen die gestalterischen und verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Bioverbundwerkstoffe aufgezeigt werden: h.i.p. handschmeichelndes Imageprodukt (Abb. 2): Zur Kommunikation der Bio- Verbundwerkstoffe, ihrer Eigenschaften und ihres Potentials im Hinblick auf neue Anwendungen und Absatzmärkte wurde h.i.p. das handschmeichelnde Imageprodukt entwickelt. Es besteht aus zwei geometrisch identischen, gepreßten Formhälften und einer Aufnahme für eine eigens gestaltete Mini-CD-ROM mit allen Werkstoffdaten und exemplarischen Anwendungsszenarien. Die Gestaltung als Handschmeichler machen BioVerbundwerkstoffe auch haptisch erfahrbar. Sie nehmen eine besondere Position zwischen Natur- und Kunststoffen ein. Verarbeitung und daraus resultierende Formensprache rücken sie in die Nähe der Kunststoffe, ihre Materialästhetik ist dagegen eher mit den Naturstoffen verwandt. Biobasierte Kunststoffe haben in der Regel eine angenehme Haptik, die Materialien interagieren mit ihrer Umwelt, atmen, nehmen Feuchtigkeit und Gebrauchsspuren in sich auf. Die lebendigen und manchmal unregelmäßigen Werkstoffoberflächen setzen einen Gegenpol zu den kühl und unnahbar anmutenden petrochemischen Kunststoffen. Abb. 2: h.i.p. handschmeichelndes Imageprodukt mit Mini-CD-ROM (Entwurf: Melanie Gohlke, Stefan Oßwald, Enrico Wilde, HKD Halle) Hocker (Abb. 3): Der Hocker wurde für die Fertigung im Preßverfahren entworfen. Das archetypische Sitzmöbel zeigt die Möglichkeiten der Formgebung unter Leichtbauaspekten. Das Objekt wurde in der Naßtechnologie (Harzinjektion, [7]) in einem Autoklav hergestellt. Dies ist ein kostengünstiges Verfahren für die Kleinserien- oder Prototypenfertigung und eignet sich auch zur Simulation des Preßverfahrens. Zur Herstellung des Objektes wurde nur eine Formhälfte benötigt, die z.b. aus Glasfaserverbundwerkstoff hergestellt werden kann. In Zusammenhang mit dem Hocker entstanden zahlreiche Dekorplatten mit neuartigem Oberflächendesign. Dabei wurde die unterschiedliche Anmutung verschiedener Naturfasern gestalterisch genutzt.

6 2. ForschungsForum Nickel S.6 Durch Einfärben der Fasern konnte die naturgegebene Farbpalette erweitert werden. Die entsprechende Aufbereitung der Faserhalbzeuge liefert Oberflächen mit mehrfarbigen und lebendigen Strukturen. Mit dem Projekt konnten Kontakte zu Industrie und Forschung geknüpft, ein breites Messepublikum (MATERIALICA 2003, EURO- MOLD 2003) und eine große Medienresonanz erreicht werden. Abb. 3: Hocker mit differenzierten Oberflächen (Entwurf: Stefanie Pranghofer, HKD Halle) Lautsprecherbox AURIS (Abb. 4): Akustische Messungen haben bei BioVerbundwerkstoffen sehr gute Dämpfungseigenschaften gezeigt. Gründe sind die Hohlfaserstruktur sowie die Besonderheiten der Grenzflächen zwischen Faser und Matrix. Damit ist der Werkstoff prädestiniert für Zwecke der Raumakustik, der Schall- und Geräuschdämmung oder den Gehäusebau von elektroakustischen Wandlern. Mit einem über die Wanddicke abnehmendem Matrixgehalt entsteht ein asymmetrischer Integralwerkstoff [8] mit geschlossener Außen- und offenporiger Innenseite, die hohe Dämpfungseigenschaften aufweist. Eine Anwendung signalisiert die Lautsprecherbox AURIS, ein Hornstrahler mit gekrümmter Resonanz- und Dämpfungszone. Abb. 4: Hornlautsprecher AURIS mit werkstoffintegrierter Schalldämmung (Entwurf: Daniel Schaaf, HKD Halle)

7 2. ForschungsForum Nickel S.7 Modulares Regal aus gespannten Flächen (Abb. 5): Eine wirtschaftliche Technologie für die Herstellung von flächigen BioVerbundstrukturen stellt das Preßverfahren dar. Das hier vorgestellte modulare Leichtbauregal [9] aus gepreßten Platten nutzt die Werkstoffeigenschaften bis an die Grenzen und kommuniziert dadurch Leichtbau. Quadratische Plattenzuschnitte, die mittels Profilstäben sphärisch verspannt werden, bilden verschachtelte Kuben. Das Raster orientiert sich an Büchern und Ordnern, es kann in horizontaler und vertikaler Richtung nahezu beliebig erweitert werden. Abb. 5: Modulares Regal aus sphärisch verspannten Platten (Entwurf: Jörg Nickel, DLR) te.co (Abb. 6): Die teleskopartig ineinander passenden Möbel aus gewickelten textilen Halbzeugen wurden inspiriert durch die Ästhetik des Wabi-sabi. Abb. 6: te.co teleskopierbare Behältnisse und Sitzmöbel (Entwurf: Daniela Mai, Svenke Müller, HKD Halle)

8 2. ForschungsForum Nickel S.8 (Wabi-Sabi: ästhetisches Konzept aus Japan/Zen Buddhismus: Art und Weise der Wahrnehmung; hochentwickelte Kultur des Unperfekten, Unbeständigen und Unvollständigen, große Freiheit an Formen, sublimen Farben, formale Einfachheit). Bei der Herstellung werden Fasergarne zunächst mit Harz getränkt und dann um einen Kern gewickelt, der nach dem Aushärten entfernt wird. Die entstandenen Objekte können als Tische, Sitze, Behältnisse oder Leuchten verwendet werden. 6. Perspektiven Zukünftig sollen für BioVerbundwerkstoffe neue Einsatzbereiche eröffnet werden. Dabei müssen werkstoffliche, wirtschaftliche und ökologische Gesichtspunkte anwendungsbezogen berücksichtigt werden. Bezüglich der haptischen und visuellen Erscheinung bringen BioVerbundwerkstoffe neue ästhetische Werte in die bisherige Werkstoffpalette ein, die gestalterisch auf neuartige Weise genutzt werden können. Aus der Zusammenarbeit mit der Hochschule für Kunst und Design Halle liegen realisierte Anwendungsbeispiele vor. Das DLR bietet bereits ein breites Kompetenznetz an, in dem Institute und Firmen aus der Naturfaseraufbereitung und -verarbeitung, der Werkstofforschung und -prüfung vertreten sind. Der Weg zur Einführung von BioVerbundwerkstoffen in neue Produktbereiche ist somit bestens vorbereitet. 7. Literatur [1] Michaeli, W.; Wegener, M.: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe, Carl Hanser Verlag (1990) [2] Ehrenstein, G.W.: Faserverbund-Kunststoffe, Carl Hanser Verlag (1992) [3] Herrmann, A.S., Nickel, J.; Riedel, U.: Construction materials based upon biologically renewable resources from components to finished parts, Polymer Degradation and Stability (1998) 59, [4] Riedel, U., Nickel, J., Natural fibre reinforced biopolymers as construction materials - new discoveries, Die Angew. Makrom. Chemie, (1999) 272, [5] Riedel, U.: Entwicklung und Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe, Fortschritt-Berichte VDI, (1999) 5, 575 [6] Nickel, J.; Riedel, U.: Activities in Biocomposites. Materialstoday (2003) 4, [7] Kleineberg, M.; Nickel, J.; Pabsch, A.; Sigle, C.; Schöppinger, C.: Vorrichtung u. Verfahren z. Herstellung v. faserverstärkten Kunststoffen bzw. Kunststoffbauteilen nach einem modifizierten RTM-Verfahren, DE , [8] (2000) Nickel, J.; Meinel, F.: Gehäuse für akustische Geräte. DE (2002) [9] Nickel, J.: Modulares Möbelbausystem. DE (2003)