Material Analyse

Das Green Bente-Material im Test am Bionik-Innovationszentrum der Hochschule Bremen

Im November 2016 hat float die Green Bente getestet, die der innovative Bootsbaumeister Friedrich Deimann aus Bremen entwickelt hat. Er verwendet in diesem Boot nachhaltige Werkstoffe wie Flachs, Kork und Leinöl. Die Segel-Eigenschaften des Boots haben uns sehr überzeugt. Das Besondere aber an dem Boot sind die biobasierten Materialien, die Friedrich Deimann verwendet. Wir wollten deshalb wissen, was es mit dem Material auf sich hat und haben Friedrich zum Materialtest in das Bionik-Innovationszentrum der Hochschule Bremen (BIC) begleitet.

Bei norddeutschem Wetter mitten im Dezember besuchen Friedrich und ich die Hochschule Bremen. In dem klassischen 80-Jahre Bau begegnet uns der offene Geist schon in der modernen Cafeteria, wo uns Milan abholt. Hier in der Hochschule unterstützen Professor Jörg Müssig und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Milan Kelch von der Arbeitsgruppe „Biobasierte Biologische Werkstoffe“ Friedrich in der Entwicklung seiner Materialien auf wissenschaftlicher Ebene.
Im zweiten Stock liegen die Räume für die AG Biologische Werkstoffe in der Bionik, die Wissenschaftler erwarten uns schon zum Test. Vorab bekomme ich von den Dreien beim Kaffee eine Einführung in ihr Fachgebiet.

Bionik

Der Begriff „Bionik“ setzt sich zusammen aus den Bereichen Biologie und Technik. Er beinhaltet die kreative Umsetzung von Anregungen aus der Biologie in die Technik. Biologen, Ingenieure, Architekten, Physiker, Chemiker und Materialforscher arbeiten in dieser Disziplin eng zusammen. Die Wissenschaftler nutzen dabei die Erkenntnisse aus biologischen Strukturen und Prozessen, die sich in der evolutionären Entwicklung durchgesetzt haben. Dabei kopieren die Bioniker nicht, sondern übertragen die biologischen Prinzipien in abstrahierter Form auf technische Lösungen.

 

Lotuseffekt© H. Zell, CC BY-SA 3.0

Gute Voraussetzungen für Naturfasern

Wir kennen Ergebnisse der Bionik schon lange: Der Klettverschluss oder der Lotuseffekt sind typische Beispiele. Aber auch im Bootsbereich spielt die Bionik eine wichtige Rolle. Ein gutes Beispiel ist die Funktionsweise der Haihaut. Die WissenschaftlerInnen am BIC haben herausgefunden, dass der Hai keine Probleme mit Biofouling hat, er ist frei von Seepocken und anderen Bio-Belägen. Die BionikerInnen untersuchten dieses Phänomen und fanden heraus, dass ein Zusammenspiel aus Oberflächenstruktur und Beweglichkeit der Schuppen die Haut vor Belag schützt. Mit einer Mischung aus Elastomeren (formfester, aber beweglicher Kunststoffe) und einer entsprechenden Oberflächenstruktur fanden sie die technische Entsprechung dafür und entwickelten daraus einen bionischen Antifouling-Anstrich in Zusammenarbeit mit der Firma Vosschemie.

Prof. Jörg Müssig beschäftigt sich in seiner Arbeitsgruppe im BIC mit der Entwicklung biobasierter Werkstoffe, unter anderem mit Flachsfaser-Verbundwerkstoffen, wie sie Friedrich Deimann in seiner Bente verwendet. Innovationen, so Müssig, entstehen, wenn ein neuer Werkstoff und neue Verfahrungstechniken entwickelt werden, oder, wenn etwas Altbekanntes, wie eine Naturfaser, mit neuen Fertigungsverfahren und unter anderen Rahmenbedingungen produziert werden.

„Naturfasern sind in der Menschheitsgeschichte ja schon immer verwendet worden. Der Unterschied ist, dass es heute neue Fertigungsverfahren gibt, die Fasern und textile Produkte ermöglichen, die vorher nicht denkbar waren.“

In die Produktbewertung fließen heute auch die CO2-Neutralität oder der ökologische Rucksack ein, denn Unternehmen müssen und wollen ihren CO2-Ausstoß reduzieren und da sind naturfaserbasierte Werkstoffe interessant. Es geht den Unternehmen dabei weniger um Marketing, als um ihre Bilanz. Dass in einem Mercedes Benz der gehobenen Klasse ca. 50 Kilogramm Naturfaser-Verbundstoffe herumfahren und viele Teile biobasiert sind, wissen die wenigsten, weil es nicht kommuniziert wird.

Der Trabant hat es vorgemacht

Jörg Müssig steht auf und holt aus dem Nebenraum einen Trabant-Kotflügel. „Der Trabi ist aus dem ersten, komplett biobasierten, faserverstärkten Verbundwerkstoff auf der Basis von Baumwolle gebaut worden, weil es in der DDR an Stahl mangelte, es stattdessen aber eine gute Versorgung mit Baumwolle aus Usbekistan und Tadschikistan gab. Die DDR-Ingenieure haben daraus einen faserverstärkten Verbundwerkstoff entwickelt. Sie haben sogar schon eine Sandwichstruktur gebaut: Außen chemisch behandelte Fasern, die nicht mehr quellen können und normale Baumwollfasern in der Innenlage. Daraus hat sich der gesamte Automobilbereich eine Menge abgeschaut.“

Auch Friedrich Deimann hat sich die Verwendung von faserbasierten Verbundwerkstoffen für seine Green Bente von der Automobilindustrie abgeschaut, die in der Material-Entwicklung immer einen Schritt voraus ist. Friedrich verwendet im Sandwichrumpf seiner Bente einen biobasierten Verbundwerkstoff auf der Basis von Flachsfasern und Leinöl-Epoxidharz, wobei 60 % des Harzes natürlichen Ursprungs sind und einen vollwertiger Ersatz für mineralölbasierte Epoxidharze bieten. Bezogen auf ihre geringe Dichte haben Flachsfasern im Vergleich zu Glasfasern eine vergleichbare Festigkeit und sogar höhere Steifigkeit. Flachsfasern haben eine geringe Dichte, sind extrem leicht und gleichzeitig zugfest, vergleichbar mit der Glasfaser. Flachs ist steif, vibrationsdämpfend, schlagfest und widerstandsfähig gegen Abrieb. Bei Beschädigungen splittert das Material nicht und setzt keine toxischen Stoffe ins Wasser ab. Der Sandwichkern ist aus Korkmatten. Kork hat den Vorteil, dass es als biobasiertes Material leicht und wasserabweisend ist. Bei Beschädigung tritt deshalb kein Wasser in den Sandwichkern ein.

 

Zugprobe und Biegeproben aus Flachsfaser-Epoxidharz-Laminat mit Kork als Sandwichkern© Kerstin Zillmer

 

Die Arbeitsgruppe von Prof. Jörg Müssig, die am BIC die Entwicklung und Funktionsweise der Materialien, die Friedrich in der Green Bente verwendet wissenschaftlich begleitet, plant jetzt dazu ein Studentenprojekt mit Bachelorarbeit, ein Bacherlorand hat schon bei Deimann in der Werft mitgearbeitet. Zur Zeit testen sie, wie sich der Werkstoff in Friedrichs Booten auf Zug- und Druckbiegung verhält. Mit Flachsfasern im allgemeinen haben sie bereits viel Erfahrung, aber die Sandwichbauweise mit Kork ist komplett neu und deshalb von großem Interesse für das Institut. Bevor wir gleich den Test gemeinsam durchführen, fehlt noch etwas Wissen über die Struktur den Faserverbundwerkstoff, den wir werden.

 

 

Vierpunkt-Biegeversuch mit dem original Laminat der Green Bente© Kerstin Zillmer

Gelege, die neuen textilen Flächen

Den Begriff „Gewebe“ kennen wir bereits aus der Textilindustrie. Heute werden zur Verstärkung in Faserverbundstoffen außerdem sogenannte „Gelege“ verwendet. Das sind textile Flächen, die aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fäden bestehen. Man unterscheidet dabei drei verschiedene Arten:
„Monoaxiale“ oder unidirektionale Gelege, die durch das Fixieren einer Schar von parallelen Fäden entstehen, „biaxiale“, bei denen zwei Scharen von parallelen Fäden in Richtung von zwei Achsen fixiert werden und  „multiaxiale“, bei denen mehrere Scharen aus parallelen Fäden in Richtung verschiedener Achsen fixiert werden.
Im Gegensatz zu Geweben haben Gelege als Verstärkungsstrukturen in Faser-Kunststoff-Verbunden bessere mechanische Eigenschaften, weil die Fäden in gestreckter Form vorliegen. Für die Herstellung von Gelegen werden Glas-, Kohlenstoff-, Aramidfasern, aber auch Polyester- und Naturfasern verwendetUm es entwas zu veranschaulichen erklärt mir Friedrich, wie er das Material in der Bente verarbeitet hat: „Im Rumpf sind die Zug- und Drucklasten ganz unterschiedlich verteilt. Im Bereich vom Mast treten besonders starke Zugkräfte auf, die sich auf den Rumpf übertragen und auch am Kiel wird der Rumpf in der Außenlage auf Zug beansprucht. Um die Zuglasten aufzufangen legt man den Faserverbundwerkstoff normalerweise in Belastungsrichtung aus, bei einem Boot variieren die Belastungen wegen Wind und Welle stark.“ Friedrich Deimann arbeitet deshalb auf der Fläche mit multiaxialen Gelegen, im Bereich vom Mast, wo die Zugkräfte genauer zu berechnen sind, legt er unidirektionalen Fasern. Auf der Außenseite des Sandwiches verwendet er wegen der schöneren Optik ein Gewebe.

 

 

Sichtbare Flachsfasermatten im Rumpf der Green Bente und Korkdeck statt Teak© Kerstin Zillmer

Der Zug-Test

Nun aber zu unserem Test, auf den Friedrich schon ganz gespannt wartet. Um die mechanischen Eigenschaften des in der Green Bente verbauten Werkstoffs zu bestimmen, hat Milan Kelch Zug- und Biegeproben erstellt und sie auf ihre Steifigkeit und Festigkeit hin getestet.
Bei der Zugprobe, handelt es sich um ein Stück aus unidirektionalen Flachsfasern mit einer Dicke von 5 mm und einer Breite von 15 mm. Diese Probe ermöglicht einen guten Vergleich mit anderen herkömmlichen Werkstoffen, so Milan.

 

 

Einspannen der Zugproben in die Zugeinheit. Für die hohen beim Zugversuch wirkenden Kräfte sind pneumatische Klemmen notwendig, um die Proben ausreichend zu fixieren. Die kleinen Metallstäbe dienen als Messmarken“ und werden von einer Kamera automatisch für die Dehnungsmessung erfasst.© Kerstin Zillmer

 

Wir gehen in den Nebenraum, wo die Universalprüfmaschine steht, in die Milan nun die Zugprobe einspannt. Um die Festigkeit und Steifigkeit der Proben mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können hat Milan bereits fünf Biege- und Zugproben getestet. Jörg Müssig kontrolliert die korrekte Position des Werkstücks am Monitor.

 

 

 Die Kraft, welche auf die Probe wirkt, wird über eine Kraftmessdose und die Dehnung der Probe über ein Videoextensiometer (rechter Bildschirm) gemessen.© Kerstin Zillmer

 

Auf Knopfdruck zieht die Maschine jetzt von zwei Seiten und versucht dabei, das Material zu zerreißen. Wenn das passiert, wird es einen lauten Knall geben, sagt Milan. Gespannt verfolgen wir die steigende Gewichtszahl am Monitor. Aber es knallt nicht, das Material ist stärker als die Maschine. Von den sieben Zugproben überstiegen drei die mit der Prüfmaschine maximal messbare Kraft. Die ermittelte Zugfestigkeit liegt als Mindestwert bei rund 240 Megapascal. „Bezogen auf die Querschnittsfläche der Probe entspricht das ungefähr dem Masse-Gewicht eines Ford Transit“, klärt uns Milan auf.

 

 

Während der Zugversuche verfolgen Jörg Müssig und Milan Kelch die Kraft-Weg Kurven der Proben aus denen später die relevanten Werkstoffparameter ermittelt werden können.© Kerstin Zillmer

 

„Um Leichtbauwerkstoffe miteinander zu vergleichen sind nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern auch die Dichte des Werkstoffes von Relevanz“, führt er weiter aus. Diese ist bei dem in der Green-Bente verwendeten Flachsfaserlaminat mit Werten zwischen 1,2 und 1,3 g/cm³ im Vergleich zu einem Glasfaserlaminat mit einer Dichte von ca. 2,0 g/cm³ sehr gering.

Neben der Festigkeit (bei was für einer Kraft versagt der Werkstoff) spielt die Steifigkeit (welchen Widerstand bringt der Werkstoff einer Belastung entgegen) eine wesentliche Rolle. „Die Steifigkeit, welche durch das sogenannte Elastizitätsmodul als Indikator angegeben wird, betrug für das hier getesteten Flachfaserlaminat rund 18 Gigapascal.“ Bezieht man die Steifigkeit des Werkstoffs für die im Bootsrumpf häufig auftretende Biegelast auf die Werkstoffdichte, schneidet der biobasierte Werkstoff sogar besser ab als ein vergleichbares, mit Epoxidharz getränktes Glasfaserlaminat.

Um neben dem reinen Flachsfaserlaminat auch das Verhalten der gesamten in der Green Bente verwendeten Werkstoffkombination mit einem Sandwich aus Flachsfasern Epoxidharz und Kork zu überprüfen, wurde außerdem ein Vierpunkt-Biegeversuch durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die unterschiedlichen Werkstoffe gut miteinander harmonieren und es nicht zu einem Ablösen einzelner Komponenten kommt. So das Resümee aus der Testreihe mit Friedrichs Sandwichstruktur.