Abstracts Benutzertreffen Fibreshape 2013

Auswertung von µ-CT Bildern mit Fibreshape für die Messung von Faserorientierungswinkeln in cellulosefaserverstärkten Polylactid (PLA) Verbundwerkstoffen

Nina Graupner & Prof. Dr. Jörg Müssig, Hochschule Bremen

Abstract
Die vorgestellten Arbeiten beschäftigen sich mit der Messung von Faserorientierungswinkeln in cellulosefaserverstärkten Polylactid (PLA) Verbundwerkstoffen. In einer Studie, die durch Bax und Müssig (2008) bezüglich der Zug- und Schlagzähigkeitseigenschaften an spritzgegossenen Flachs- und Cordenka/PLA-Verbundwerkstoffen mit Fasermasseanteilen zwischen 10 und 30 % durchgeführt wurde, wurde davon berichtet, dass die Zugfestigkeit mit einem steigendem Fasermasseanteil von 10 auf 30 % steigt. Auffällig war, dass eine Verstärkung von 10 % Flachsfasern zu einer geringeren Zugfestigkeit im Vergleich zu der unverstärkten PLA Matrix führte. Um dieses Phänomen aufzuklären wurden im Rahmen der hier vorgestellten Versuchsreihen weitere Analysen durchgeführt. Die Prüfkörper wurden auf ihre Faserorientierungswinkel und Porenanteile untersucht. Dafür wurden dreidimensionale µ-CT Aufnahmen mit Synchrotonstrahlung am Deutschen Elektronen Synchroton (DESY) aufgenommen (Graupner et al., 2011). Derartige Volumenbilder können für glas- oder carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe mit einer speziellen Software (MAVI – Modular Algorithms for Volume Images, software version 1.4, Fraunhofer ITWM, Kaiserslautern, D) bezüglich ihrer Faserorientierungswinkel ausgewertet werden. Um repräsentative Ergebnisse zu gewährleisten, ist es jedoch erforderlich, dass die Fasern über einen einheitlichen Durchmesser verfügen und eine zylindrische Querschnittsform aufweisen. Um individuelle Fasern vermessen zu können, dürfen die Fasern sich zudem nicht in einem Voxel berühren. Da keine dieser Voraussetzungen für die cellulosefaserverstärkten PLA-Verbundwerkstoffe zutreffend war, wurde eine Messmaske der Fibreshapesoftware (Version 5.1.1, IST AG, Vilters, CH) so modifiziert, dass es gelang Faserorientierungswinkel an einzelnen zweidimensionalen Aufnahmen zu bestimmen. Ergebnis dieser Untersuchungen sind Häufigkeitsdiagramme in Abhängigkeit vom Faserorientierungswinkel. Für den 10 % Flachs/PLA-Verbundwerkstoff konnte gezeigt werden, dass die durchschnittlichen Faserorientierungswinkel im Vergleich zu anderen untersuchten Werkstoffen deutlicher von der Längsachse der Prüfkörper abweichen. Da ein Einfluss von Poren ausgeschlossen werden kann, wird die geringere Vorzugsorientierung der Fasern in dem 10 % Flachs/PLA-Verbundwerkstoff maßgeblich für die geringe Festigkeit verantwortlich gemacht.

Fasermorphologiebestimmung mittels FibreShape im Spritzgussbereich

Katharina Albrecht & Prof. Dr. Jörg Müssig, Fakultät 5 – Bionik, AG Biologische Werkstoffe, Hochschule Bremen

Abstract
Durch das gestiegene Umweltbewusstsein wird auch das Interesse an der Nutzung von Nachwachsenden Rohstoffen immer stärker. In der Automobilindustrie spielen vor allem Konzepte zur Senkung der CO2-Emission eine große Rolle. Neben neuen Antriebskonzepten und reibungsminimierenden Maßnahmen spielen auch biobasierte Werkstoffe eine immer größere Rolle. Naturfaserverstärke Kunststoffe sind auf Grund ihrer geringen dichte eine attraktive Option: Leichtbau lässt sich hier auf exzellente Weise mit Nachwachsenden Rohstoffen realisieren. Um auch die Crash-Sicherheit gewährleisten zu können, sind numerische Simulationen von Naturfaserverstärkten Spritzgussbauteilen unabdingbar. Um die Simulationen evaluieren zu können, sind genaue Charakterisierungen der Fasern notwendig.
Im Rahmen der vorgestellten Arbeiten wird die Analyse der Morphologie von Hanf-, Flachs- und Kenaffasern gezeigt. Hierbei liegt besonderes Augenmerk auf dem Einfluss des Compoundierens und Spritzgießens auf die Fasermorphologie.

Granulate mit 30% Fasermasseanteil und Polypropylene wurden für jeden Fasertyp mit einem Doppelschneckenextruder am Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover hergestellt. Weiterhin wurden in Hannover von jedem Granulat Platten (30 x 16 x 3,2 mm3) spritzgegossen. An der Hochschule Bremen wurden die Naturfasern mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels, Xylol, aus den Granulaten und Platten herausgelöst. Die extrahierten Fasern wurden auf Diarahmen (40 x 40 mm²; Gepe, Zug, Schweiz) präpariert und mit einem Canon Scanner CS 4000 (Canon, New York, USA) mit einer Auflösung von 4000 dpi eingescannt. Zur Bestimmung von Faserbreiten und –längen wurde die Software FibreShape 5.03 (IST AG, Vilters, Schweiz) verwendet. Standardmasken, die für 4000 dpi mit 8 IWTO Wollstandards kalibriert sind, wurden für die verschiedenen Fasertypen angepasst.
Die Einflüsse des Compoundierungs- und Spritzgussprozess auf die Faserlänge und –breite werden in diesem Vortrag aufgezeigt.
Das Projekt „Werkstoff- und Fließmodelle für naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien für den praktischen Einsatz in der Automobilindustrie“ wird gefördert vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV; Förderkennzeichen: 22005511) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Projektpartner sind Ford Forschungszentrum Aachen GmbH, Aachen; IAC (International Automotive Components), Ebersberg; LyondellBasell, Frankfurt; Kunststoffwerk Voerde Hueck & Schade GmbH & Co. KG, Ennepetal; Simcon Kunststofftechnische Software GmbH, Würselen; M-Base Engineering + Software GmbH, Aachen; University of Wisconsin-Madison, Madison; Fachhochschule Hannover, Hannover; Technische Universität Clausthal, Institut f. Polymerwerkstoffe u. Kunststofftechnik, Clausthal; Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt.

Ermittlung der Längenverteilung von rezyklierten Carbonfasern mittels Fibreshape

Dr. Holger Fischer, Faserinstitut Bremen e.V.

Abstract
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe werden in wachsenden Mengen industriell eingesetzt. Bereits jetzt gibt es ein starkes Aufkommen an Verschnittabfällen der textilen Halbzeuge und an End-of-life Abfällen (kompletten CFK-Bauteilen). Die daraus erzeugten C-Faserrezyklate sind entweder direkt aus Verschnittresten oder Restspulen gewonnenes Material, oder aber Fasern, die erst durch Pyrolyse wieder aus Verbundbauteilen herausgelöst wurden. Dementsprechend können die Materialien je nach Herkunft in ihrer mechanischen Qualität noch der Neuware entsprechen, oder aber durch den Prozess stark degradiert sein.

Essentielle Voraussetzung für die Weiternutzung dieser Rezyklate in hochwertigen Anwendungen ist aber die Entwicklung geeigneter Methoden zur Analyse, um die Güte und Homogenität dieser Materialien beurteilen zu können. Dabei kommt zur Analyse der Längenverteilung das System Fibreshape zum Einsatz. Der Vortrag beschreibt (1) die Entwicklung der Probenpräparation, um gefahrlos C-Fasern in normaler Laborumgebung analysieren zu können, (2) die Analyse der Längenverteilung von Rovingabschnitten und Einzelfilamenten mittlerer Länge, sowie (3) die Analyse der Längenverteilung von Kurzfasern.

Aufgrund der extrem unterschiedlichen Materialarten mit Längen von >10 cm (Rovings) bis hin zu extremen Kurzfasern von <100 µm mussten unterschiedliche Auflösungen und Messparameter zum Einsatz kommen, die die exakte Charakterisierung der jeweiligen Substanzklasse ermöglichen. Die erzielten Ergebnisse machen die Notwendigkeit der Charakterisierung deutlich. Viele der untersuchten Proben weichen stark von den Nennwerten der Hersteller ab. Im Bereich der qualitativ hochwertigen geschnittenen Rovings sind kleinere Varianzen festzustellen, die nur durch die Bildanalyse nachzuweisen und reproduzierbar zu quantifizieren sind.

Eine Weiterentwicklung der Methodik ist geplant, um unter Verwendung eines Mikroskops noch zusätzlich die Feinheit zu erfassen. Die Methode ist jedoch bislang nicht validiert.

Erfahrungen und Herausforderungen bei der Charakterisierung von gemahlenem Hanffasermaterial aus einem innovativen Bereitstellungs- und Verarbeitungsverfahren

Gesine Wallot & Dr. Hans-Jörg Gusovius

Abstract
Seit einigen Jahren wird am ATB an der Entwicklung und Implementierung eines neuartigen Verfahrens zur Bereitstellung und Verarbeitung von feucht konservierten Faserpflanzen gearbeitet. Der wesentliche Prozessschritt bei der Verarbeitung des (nach Auslagerung noch naturfeuchten) Rohstoffes umfasst eine zweistufige Partikelzerkleinerung mittels Extrusion sowie Zerfasern in einer Scheibenmühle.
Im Rahmen der Beschreibung sowie Optimierung der genannten Verfahrensschritte ist die Partikelcharakterisierung ein wesentliches Element. Bereits seit einigen Jahren kommt dabei im Wesentlichen das System FibreShape® zum Einsatz.
Im Gegensatz zu anderen Anwendungsbereichen dieses Systems stellt das im ATB erzeugte Fasermaterial hohe Anforderungen an Versuchsdurchführung zur Partikelcharakterisierung. Folgende Herausforderungen sind zu nennen:

• repräsentative Probenahme bei teilweise sehr inhomogenem Probematerial (incl. „Faserstaub“)

• Realisierung einer Vereinzelung der Fasern (Faseragglomerate)

• Morphologie der Faserbündel resultierend in teilweise transparenten Abspleissungen

• große Spannweiten der Faserlänge bzw. Faserbreite

Basierend auf den Diskussionen und Erfahrungen seit dem letzten Nutzertreffen sollen Lösungsansätze erneut vorgestellt und diskutiert werden. Einer der Schwerpunkte ist dabei die Definition von zu ermittelnden Kennwerten in Bezug auf den späteren Anwendungsbereich der Fasern.

Bildanalyse im Gehirn

Georg Schmid, Vilters, Schweiz

Abstract
In image analysis the recognition of the different specimen is required before a particular model of measurement can be applied. The task of recognizing objects reliably and quickly is one of the brains greatest achievements and one of computer science biggest failures. What is the state of the art in computerized object recognition? What does the brain do differently? Finally, what are the next steps of development in Fibreshape with the functioning of the brain as a model? While answering these questions we shall learn the basics of understanding and learning in the brain.