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.

von li.: Milan Kelch, Friedrich Deimann, Prof. Jörg Müssig © Kerstin Zillmer

Fazit

Die Green Bente hat den Test also mit Bravour bestanden. Das biobasierte Flachsfaser-Material, das Friedrich Deimann in der Green Bente verarbeitet, ist, was seine dichtebezogene Steifigkeit betrifft, besser als GFK. Die geringe Toxizität für Mensch und Umwelt, sowohl bei der Verarbeitung als auch im Wasser zeichnet es zu einer großartigen Alternative zum bisherigen GFK aus.

Wir haben hat den Test im Video aufgezeichnet:

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Wir bedanken uns bei Prof. Jörg Müssig und Milan Kelch für die Demonstration und freuen uns auf neue Erkenntnisse aus der Arbeitsgruppe am BIC und neue biobasierte Produkte bei Friedrich Deimann von Green Boats.

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