Faserverstärkte Kunststoffe Faserverstärkte Biopolymere reduzieren Emissionen in Fahrzeugen

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Murtfeldt Kunststoffe GmbH & Co. KG

Franke GmbH

Nach Vorgaben der Bundesregierung muss die Industrie bis 2030 ihre Emissionen um rund die Hälfte mindern. Mit Leichtbau lassen sich jährlich viele Tonnen CO₂ einsparen lassen. Wie faserverstärkte Biopolymere in Fahrzeugen die CO₂-Emissionen um bis zu 50 Prozent reduzieren können, erarbeiten Forscher im Projekt Cooperate.

Im Projekt Cooperate – kurz für CO₂-neutrale, lebensdaueroptimierte, kurzfaserverstärkte Thermoplaste für dynamische Applikationen – wollen Forschende des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung die CO₂-Emissionen beim Design von mechanisch und dynamisch stark beanspruchten Leichtbau-Bauteilen im Fahrzeugbereich reduzieren. Dazu gehören etwa lasttragende Kunststoffbauteile wie Motorlager oder Koppelstangen als Teil des Fahrwerks.

Bildergalerie

Erdölbasierte durch biobasierte Kunststoffe ersetzen

Um den CO₂-Bedarf bei der Produktion von Kunststoffbauteilen zu verringern, kombinieren die Projektpartner zwei Ansätze: Zum einen ersetzen sie erdölbasierte durch biobasierte Kunststoffe bzw. faserverstärkte Biopolymere. Diese werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden, die zum Beispiel als Nebenprodukte in der Landwirtschaft entstehen. Im Projekt wird aus Leinöl gewonnenes Biopolyamid für langlebige, schwingungsbelastete Leichtbau-Bauteile optimiert.

Zum anderen senken die Forschenden die umweltschädlichen Treibhausgasemissionen, indem sie die Kunststoffe werkstoffgerecht auslegen und den Materialeinsatz verringern. Hierfür entwickeln die Partner verbesserte Methoden zur materialsparenden Auslegung von Bauteilen. Dabei wird unter anderem die Beanspruchbarkeit des Werkstoffs berücksichtigt. Angestrebt ist eine Materialreduktion von 20 bis 30 Prozent. Dies wiederum verringert die Prozessenergie, die zum Aufheizen und Aufschmelzen der Werkstoffe benötigt wird.

„Klimaschonende Substitute können über die gesamte Lebensdauer über 50 Prozent CO₂-Emissionen einsparen. Wir konzentrieren uns auf das Matrixmaterial im Komposit und halbieren dort die Emissionen gegenüber konventionellem Kunststoff mit 9 Kilogramm CO₂ pro Kilogramm auf 4,5 Kilogramm CO₂ pro kg Produktgewicht“, sagt Georg Stoll, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF in Darmstadt. „Durch die Gewichteinsparung im Fahrzeugbereich lässt sich außerdem der Verbrauch an Antriebsenergie senken, was wiederum den CO2-Fußabdruck mindert.“

Materialeigenschaften mit Simulation abschätzen

Im Projekt entstehen zudem neue Berechnungsmethoden, welche die Einflüsse der Herstellung auf das quasistatische und zyklische Verhalten der Werkstoffe berücksichtigen. Mit den erweiterten Simulationsmethoden lassen sich je nach Anordnung der Fasern im Bauteil beispielsweise Materialeigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit abschätzen. „Wir simulieren sowohl den Herstellungsprozess als auch das Bauteilverhalten. Dadurch erkennen wir bereits im virtuellen Entwurfs- und Entwicklungsprozess, wie das Bauteil optimalerweise konstruiert werden muss, um weniger Material zu verbrauchen“, so der Forscher.

Koppelstangen-Prototyp liefert Eigenschaftsverhalten

Aus dem Biokunststoff werden derzeit im Spritzgussprozess Proben-Geometrien hergestellt und auf Prüfständen am Fraunhofer LBF charakterisiert. Damit wird der Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und Kerbradien in der Bauteilgeometrie auf die Steifigkeit und Betriebsfestigkeit des Materials untersucht. Aber auch das akustische und Vibrationsverhalten wird berücksichtigt, um ungewollte Vibrationen und störenden Schall effektiv mindern oder vollständig unterdrücken zu können. Schließlich sollen auch zukünftige Kunststoff-Armaturen oder Türverkleidungen nicht klappern oder Geräusche von Motoren für die Fahrzeuginsassen möglichst nicht wahrnehmbar sein. Getestet wird am Prototyp einer Koppelstange, deren Form im Lauf des Projekts verschlankt werden soll, um eine Materialreduktion zu erzielen.

(ID:49733543)