Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Die Verwendung von „klassischen“ Naturfasern als Verstärkungskomponente in Kunststoffbauteilen ist durch ihr besonderes Eigenschaftsspektrum in Kombination mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen im gesamten Lebenszyklus begründet. Die Technologien zur Verarbeitung von Naturfasern zu Bauteilen wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt, wobei das Hauptaugenmerk auf der Optimierung von Material- und Verfahrensparametern bekannter Technologielösungen lag. Komplexe Anwendungen im Automobilbau erfordern allerdings eine ganzheitliche Betrachtung der gesamten Wertschöpfungskette von der Rohstoffbereitstellung über die Halbzeugfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung und -herstellung. In diesem Zusammenhang weisen neuartige Faserverstärkungen aus Ganzpflanzenrohstoffen (GPR) gegenüber den konventionell aufgeschlossenen Naturfasern ein Potenzial für deutlich höhere Material- und Kosteneffizienz auf. Ziel dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer werkstoffgerechten Auslegungsstrategie für eine neue durchgängige Prozesskette zur Herstellung von naturfaserverstärkten Bauteilen unter Einsatz von Ganzpflanzenrohstoffen. Am Beispiel der Flachspflanze werden dabei die verketteten Prozessstufen und die zugehörigen Schnittstellen entwickelt, charakterisiert und validiert. Darüber hinaus wird zur Umsetzung von Leichtbauanforderungen der Ansatz verfolgt, funktionale Zusammenhänge zwischen mechanischen Werkstoffkennwerten und lokaler Bauteildichte für eine belastungsgerechte Bauteilauslegung in Leichtbauweise zu erfassen. / The use of „classical“ natural fibres as reinforcing part for plastic components is caused by their particular property range in combination with economical and ecological advantages in the total life cycle. In recent years, technologies for the processing of natural fibres to components were continuously developed, focused on optimising material and process parameters of existing technology solutions. Certainly, complex applications in the automobile industry require an integrated consideration of the total value added chain from material supply to manufacturing of semi-finished products up to component development and production. In this regard novel fibre reinforcements made from whole plant materials possess potential for considerably higher material and cost efficiency compared to conventional natural fibres. The Intention of this work is to provide a material-specific dimensioning strategy for a new integrated process chain to produce natural fibre reinforced components by using raw materials made of the whole plant. Linked process steps and related interfaces were developed, characterised and validated by using the example of a flax plant. Moreover, the approach of realizing lightweight construction requirements is necessary in order to measure functional relations between material parameters and local density for the load-bearing part dimensioning in lightweight structure.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Zugabe bestimmter Metalloxide ins Glassystem Magnesiumalumosilikate auf den spezifischen E-Modul der Gläser und die daraus hergestellten Glasfasern (GF) sowie mit dem Einsatz dieser GF in Verbundbaustoffe (GFK). 36 Gläser wurden geschmolzen und hinsichtlich Dichte und E-Modul untersucht. Die besten vier Gläser wurden thermisch charakterisiert und zu GF gezogen. Die textil-physikalischen und die mechanischen Eigenschaften dieser GF zeigten, dass die T9-GF mit 14 Gew.-% Y2O3 die besten Ergebnisse mit etwa 31,2 % höherer Zugfestigkeit und 25 % höherem E-Modul sowie eine Steigerung um 17,6 % beim spezifischen E-Modul im Vergleich zu E-GF nachwiesen. Die V10-GF besaßen mit 1993 MPa die höchste charakteristische Zugfestigkeit und wurden für Direktrovings (DR) und unidirektionale Gelege (UD) eingesetzt. Die V10-GFK Stäbe nach DIN EN ISO 9163 wiesen fast die doppelte Zugfestigkeit von E- DR-GFK auf, mit einer 23,8 %igen E-Modulsteigerung. Nach DIN EN 2747 wurden V10-UD-GFK auf Zugfestigkeit geprüft und damit die Beobachtungen aus den DR-GFK Tests bestätigt. Bezüglich der Biegeprüfungen nach DIN EN ISO 14125 wiesen die V10-UD-GFK eine um 51,8 % höhere Festigkeit als die E-UD-GFK sowie einen um 48,4 % höheren Biegemodul auf.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Grundlagen 12 2.1 Glas als Werkstoff 12 2.1.1 Definition 12 2.1.2 Struktur des Glases und Netzwerktheorie 13 2.1.3 Glas- und Glasfasereigenschaften: 15 2.2 Glasfasern 29 2.2.1 Glasfaserherstellung 29 2.2.2 Rohstoff für die Glasfaserherstellung 35 2.2.3 Glasfasereigenschaften und -typen 37 2.2.4 Schlichte 40 2.2.5 Literaturübersicht über Hoch-Modul Glasfasern (HM-GF) 41 3 Experimentelles 46 3.1 Glasauswahl 46 3.2 Berechnung der Glaseigenschaften 49 3.3 Glasherstellung und Glasfaserziehverfahren 50 3.3.1 Gemengevorbereitung und Glasschmelzen 50 3.3.2 Ziehprozess und Düsengeometrie 51 3.4 Herstellung der Verbundhalbzeuge 53 3.5 Charakterisierungsmethoden 60 3.5.1 Dichtebestimmung 60 3.5.2 E-Modulbestimmung am Massivglas 60 3.5.3 Bestimmung der thermischen Eigenschaften: Tg ,TL,ⴄ 62 3.5.4 Zugfestigkeit und E-Modulbestimmung von einzelnen Filamenten 66 3.5.5 Verbundeigenschaften Charakterisierung 68 4 Ergebnisse und Diskussion 70 4.1 Glasherstellung und Eigenschaften 70 4.1.1 Glasschmelzen 70 4.1.2 Dichte und E-Modul 73 4.1.3 Thermische Eigenschaften 82 4.2 Glasfaserherstellung und Charakterisierung 86 4.2.1 GF-Herstellung 86 4.2.2 GF-Charakterisierung 87 4.3 Einsatz der GF in Verbundstoffen 93 4.3.1 Die Pull-Out Versuche und deren Ergebnisse 93 4.3.2 GFK-Stäbe Herstellung und Charakterisierung 97 4.3.3 UD-Laminate Herstellung und Charakterisierung 104 4.4 Technische und wirtschaftliche Diskussion der Ergebnisse 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 6 Danksagung 116 7 Abbildungsverzeichnis 118 8 Tabellenverzeichnis 121 9 Literaturverzeichnis 122 10 Anlagen 131 / This thesis investigates the influence of the addition of certain metal oxides to the magnesium aluminosilicate glass system on the specific E-Modulus of the glasses and the glass fibres (GF) made from them, as well as the use of these GF in composites (GFRP). 36 glasses were melted and analysed for density and E-Modulus. The best four glasses were then thermally characterized and drawn into GF. The textile physical and mechanical properties of these GF showed that the T9-GF with 14 wt.% Y2O3 offered, with about 31.2 % higher tensile strength and 25 % higher E-Modulus as well as an increase of 17.6 % in specific E-Modulus, the best results compared to E-GF. The V10-GF possessed the highest characteristic tensile strength of 1993 MPa and were used to produce non-crimp unidirectional fabrics (UD) and direct rovings (DR) for GFRP-production. The tensile strength of the V10-DR-GFRP according to DIN EN ISO 9163 was almost twice that of E-DR-GFRP with a 23.8 % increase in the E-Modulus. According to DIN EN 2747, V10-UD-GFRP was tested for tensile strength and the observations from the test on DR-GFRP were validated. Regarding the flexural tests according to DIN EN ISO 14125, the V10-UD-GFRP showed a 51.8 % higher strength than the E-UD-GFRP as well as a 48.4 % higher flexural modulus.:1 Einleitung und Motivation 8 2 Grundlagen 12 2.1 Glas als Werkstoff 12 2.1.1 Definition 12 2.1.2 Struktur des Glases und Netzwerktheorie 13 2.1.3 Glas- und Glasfasereigenschaften: 15 2.2 Glasfasern 29 2.2.1 Glasfaserherstellung 29 2.2.2 Rohstoff für die Glasfaserherstellung 35 2.2.3 Glasfasereigenschaften und -typen 37 2.2.4 Schlichte 40 2.2.5 Literaturübersicht über Hoch-Modul Glasfasern (HM-GF) 41 3 Experimentelles 46 3.1 Glasauswahl 46 3.2 Berechnung der Glaseigenschaften 49 3.3 Glasherstellung und Glasfaserziehverfahren 50 3.3.1 Gemengevorbereitung und Glasschmelzen 50 3.3.2 Ziehprozess und Düsengeometrie 51 3.4 Herstellung der Verbundhalbzeuge 53 3.5 Charakterisierungsmethoden 60 3.5.1 Dichtebestimmung 60 3.5.2 E-Modulbestimmung am Massivglas 60 3.5.3 Bestimmung der thermischen Eigenschaften: Tg ,TL,ⴄ 62 3.5.4 Zugfestigkeit und E-Modulbestimmung von einzelnen Filamenten 66 3.5.5 Verbundeigenschaften Charakterisierung 68 4 Ergebnisse und Diskussion 70 4.1 Glasherstellung und Eigenschaften 70 4.1.1 Glasschmelzen 70 4.1.2 Dichte und E-Modul 73 4.1.3 Thermische Eigenschaften 82 4.2 Glasfaserherstellung und Charakterisierung 86 4.2.1 GF-Herstellung 86 4.2.2 GF-Charakterisierung 87 4.3 Einsatz der GF in Verbundstoffen 93 4.3.1 Die Pull-Out Versuche und deren Ergebnisse 93 4.3.2 GFK-Stäbe Herstellung und Charakterisierung 97 4.3.3 UD-Laminate Herstellung und Charakterisierung 104 4.4 Technische und wirtschaftliche Diskussion der Ergebnisse 108 5 Zusammenfassung und Ausblick 111 6 Danksagung 116 7 Abbildungsverzeichnis 118 8 Tabellenverzeichnis 121 9 Literaturverzeichnis 122 10 Anlagen 131