Grundlagenuntersuchungen zu neuen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen mit gezielter Faserausrichtung und Kompression während der schichtweisen Additiven Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Florian Puch
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 578768065

Holzwerkstoffe sind aufgrund ihrer CO2-Speicherwirkung (ein m³ Holz bindet eine t CO2) und Eignung zur Substitution nicht-nachwachsender Rohstoffe eine interessante Werkstoffgruppe. Konventionelle Holzwerkstoffe erreichen bis dato noch nicht die geforderten Eigenschaften, um auch in mechanisch hochbeanspruchten Formteilen verwendet werden zu können. Zur Hebung des vorhandenen Werkstoffpotentials können Holzwerkstoffe mit Kunststoffen zu Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (HKV) kombiniert werden. Im Forschungsvorhaben wird eine neue Klasse HKV grundlegend untersucht und entwickelt, die auf dem schichtweisen Aufbau und der gezielten Kompression von mit thermoplastischem Kunststoff imprägnierten Furnierbändern basiert. Die Furnierbändern erlauben es die Faserausrichtung im Holz für eine lastgerechte Verstärkung zu nutzen. Während des schichtweisen Ablegens unter einem definierten Winkel auf einer Form, analog dem Tape-Legen, werden die dünnen Schichten gezielt mit Laserstrahlung erwärmt und unter einem vorgegebenen Druck zu dreidimensional geformten Verbundwerkstoffen verbunden. HKV weisen durch die Kompression der Frühholztracheiden bei Erhalt der für die mechanischen Eigenschaften verantwortlichen Spätholztracheiden erheblich höhere mechanische Eigenschaften als konventionelle Holzwerkstoffe auf und eröffnen vollständig neue Nutzungs- und Recyclingmöglichkeiten. Im Forschungsprojekt wird parallel zu den Grundlagenuntersuchungen des Fertigungsprozesses eine Auslegungsmethodik entwickelt, die die HKV als „Verbundwerkstoff im Verbundwerkstoff“ beschreibt: Die lastgerecht ausgerichteten und hochverdichteten Furnierbänder als Verbund aus langgestreckten Pflanzenzellen (Tracheiden) sind dabei in einer Kunststoffmatrix eingebettet. Dazu wird ein numerisches Modell auf Basis einer Homogenisierungsmethode zur Berechnung der temperatur- und feuchteabhängigen mechanischen Werkstoffeigenschaften der Zellwandeinzelschichten der Tracheiden entwickelt. Die Ergebnisse werden dann zur simulativen Nachbildung des mehrlagigen Laminataufbaus der Zellwand verwendet. Das temperatur- und feuchteabhängige Verformungsverhalten der Tracheiden bei Kompression radial als auch tangential zur Längsrichtung wird mit der Finite-Elemente-Methode modelliert und zur Abschätzung optimaler Prozessparameter zur Additiven Fertigung von HKV-Formteilen genutzt. Die im HKV-Formteil vorherrschenden Lastpfade werden simulativ ermittelt, geclustert und zur Bestimmung der lastgerechten Orientierung der Furnierbändern genutzt. Dann erfolgt eine Simulation des Ablegens und Verdichtens im Additiven Fertigungsverfahren. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen abgeglichen und zur Optimierung genutzt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen