Sicherheitsbauteile in Fahrzeugen sollen bei einem Aufprall möglichst viel Energie aufnehmen und zugleich leicht bleiben. Forschende der Hochschule Bremen und des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) haben dafür eine Wabenstruktur entwickelt, die sich an der Schlagkeule des Fangschreckenkrebses orientiert. Verstärkt wird der Verbundwerkstoff mit regenerierten Cellulosefasern. Entscheidend ist deren Anordnung: Der Faserwinkel verändert sich entlang der Struktur.

Schräg angeordnete Fasern nehmen mehr Energie auf

Die Schlagkeule des Fangschreckenkrebses muss enorme Belastungen aushalten. In ihrem Inneren verändern sich Orientierung und Anordnung faserartiger Strukturen schrittweise. Dieses Prinzip übertrug das Team auf Prüfkörper. Cellulosefasern wurden in unterschiedlichen Winkeln um sechseckige Kerne gewickelt und in eine Epoxidharz-Matrix eingebettet. Während die Fasern aus biobasierter Cellulose bestehen, wird die Kunststoffmatrix der Waben selbst in der Studie nicht als biobasiert ausgewiesen.

Im Druckversuch zeigte die Wabenstruktur mit abgestuftem Faserwinkel ein anderes Bruchverhalten als die Vergleichsstruktur mit konstantem Faserverlauf. Statt abrupt zu versagen, wurde sie schrittweise zusammengedrückt. Bezogen auf die Masse erreichte die Gradientstruktur rund 20,8 Kilojoule pro Kilogramm, die Vergleichsstruktur mit längs ausgerichteten Fasern knapp 5,0 Kilojoule pro Kilogramm. Die Energieaufnahme lag damit mehr als viermal so hoch. Zugleich fiel die höchste Kraft zu Beginn der Belastung geringer aus. Die Struktur nahm die Energie also gleichmäßiger auf, statt sie in einer kurzen Belastungsspitze weiterzugeben.

Vom Prüfkörper zu realen Bauteilen

Für Sicherheitsbauteile ist dieses kontrollierte Versagen interessant, weil Energie über einen längeren Verformungsweg aufgenommen wird. Die Forschenden sehen Anwendungen deshalb vor allem bei energieabsorbierenden Leichtbaustrukturen im Mobilitätsbereich. Die massenspezifische Energieaufnahme liegt nach ihren Angaben in einer Größenordnung, die mit konventionellen metallischen Crashabsorbern vergleichbar ist.

Noch handelt es sich jedoch um einen Laborbefund. Untersucht wurden kleine, 54 Millimeter lange Prüfkörper unter axialer Druckbelastung. Dynamische Crashbedingungen mit deutlich höheren Belastungsgeschwindigkeiten waren nicht Teil der Versuche. Als nächste Schritte nennt das Team größere Strukturen und Tests bei höheren Belastungsraten. Erst dann lässt sich beurteilen, wie gut sich das bionische Prinzip auf reale Sicherheitsbauteile übertragen lässt.

ag