Teilprojekt 3

Teilprojekt 3

Optimierte Halbzeuge aus Papier

Motivation und Zielsetzung des Teilprojektes 3

Ein Bauwerk besteht in der Regel aus vielen Bauteilen beziehungsweise Baugruppen, die wiederum aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und oft einen langen und teilweise komplizierten Herstellungsprozess durchlaufen müssen. Die Rohmaterialien werden in der Regel im ersten Herstellungsschritt zu Halbzeugen verarbeitet, die in weiteren Herstellungsschritten beispielsweise durch Umformen und Fügen mit anderen Halbzeugen zu Bauteilen weiterverarbeitet werden. Das Halbzeug wird hier als Zwischenprodukt verstanden, welcher eine einfache Geometrie verfügt und entweder als einfaches Bauteil fungiert oder zu komplexen Bauteilen verarbeitet werden kann. Der Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik der Hochschule Darmstadt ist im Teilprojekt 3 – Optimierte Halbzeuge aus Papier mit der Herstellung und Optimierung von Halbzeugen aus Papier und papierbasierten Verbundwerkstoffen im BAMP! – Projekt beauftragt.

  • Jutegewebe
  • Papierverstärktes Jutegewebe

Anforderungen und Schnittstellen

Das Ziel in diesem Teilprojekt ist die Optimierung der Halbzeuge hinsichtlich der Erfüllung von Anforderungen im Baubereich oder der Weiterverarbeitung zu komplexen Bauteilen. Diesbezüglich sollen auf der Halbzeugebene mechanische Eigenschaften im Hinblick auf Bauteilsteifigkeit und –festigkeit berücksichtigt werden. Der Fokus liegt bei der Herstellbarkeit tragfähiger stab- und plattenartiger Halbzeuge und der Realisierung von Sandwichstrukturen aus Papier mit unterschiedlichen Eigenschaften in Dickenrichtung.

Eine von vielen Möglichkeiten das Papier zu verstärken ist die Integration von Endlosfasern aus Papier oder naturbasierten Werkstoffen, wie Jute (Abbildung 2) oder Flachs. Die Verstärkungsfasern können dabei lokal als Papiergarne bzw. Papierkorde entlang der zuvor identifizierten Lastpfade oder als flächige Textilien als Gewebe verwendet werden. In Abbildung 3 ist ein mit einem Jutegewebe verstärktes Papier, welches in einem Vorversuch hergestellt worden ist dargestellt. Zusätzlich können die integrierten Papiergarne als Verbindungselemente im Teilprojekt 6 verwendet werden, um beispielsweise einen Schlaufenanschluss zu erzeugen. Diese Art der Verstärkung soll zunächst für plattenförmige Halbzeuge angewendet werden. Weiterhin soll auf Basis der Laminattheorie eine Berechnungsmethode zur mechanischen Bewertung und Optimierung der Naturfaserverstärkung erarbeitet werden, die in das Materialmodell im Teilprojekt 5 implementiert werden soll.

Halbzeuge und Fertigungskonzepte

Aus den optimierten bzw. verstärkten plattenförmigen Halbzeugen und in Teilprojekt 1 gefertigten neuartigen Papieren oder zur Zeit auf dem Markt verfügbaren Halbzeugen aus Papier können basierend auf den anwendungsspezifischen Anforderungen Sandwichstrukturen hergestellt werden. Zusätzlich können einzelne Lagen mit speziellen Eigenschaften, wie beispielsweise einer wasserabweisenden und oder einer gegen mechanische Einwirkung (Hagel) schützenden Einzelschicht in der Sandwichstruktur eingesetzt werden. Die optimierten flächigen Halbzeuge sollen im Teilprojekt 4 weiterverarbeitet bzw. inkrementell umgeformt werden.

Mechanische Prüfung

Die Steifigkeit eines Bauteils wird nicht nur durch mechanische Eigenschaften des eingesetzten Materials sondern auch durch die Geometrie beeinflusst. Deshalb wird im Laufe des Projektes ein Herstellungsverfahren für ein rohr- bzw. stabartiges Halbzeug entwickelt, welches den gestellten Anforderungen aus Teilprojekt 6 entsprechen soll.