Biobasierte Kunststoffe

Vom Leukoplastbomber zum High-tech-Einsatz

Die Kombination des Know-hows verschiedener Hochschule, Institute und Unternehmen in einem von Ford getriebenen Projekt soll die Möglichkeiten des Einsatzes von Bio-Werkstoffen aufzeigen - nicht im Labor, sondern anhand eines konkreten Großserienprojekts.

Der Einsatz von Naturfasern im Automobilbau ist nicht keine neue Idee, bekanntlich enthielt schon die Karosserie des Trabant ein Duroplast, das mit Baumwollfasern verstärkt war, was dem Trabi den Spitznamen "Plastebomber" einbrachte. Aber auch der westdeutsche Fahrzeugbau setzte auf nachwachsende Rohstoffe: So fertigte die zur Borgward-Gruppe gehörende Lloyd Maschinenfabrik in Bremen die Karosserie ihrer Modelle Lloyd P 300 und 400 Anfang der 50er Jahre aus mit Kunstleder bezogenem Sperrholz - wofür der Volksmund wiederum die Bezeichnung "Leukoplastbomber" erfand. Bis Mitte der 50er Jahre wurde bei Lloyd das Sperrholz durch Stahl ersetzt, der Trabi hingegen blieb dem Baumwoll-Phenolharz-Konzept bis zum letzten Baujahr 1990 treu.

Während bei diesen beiden Beispielen die Ursache in der Materialknappheit der Nachkriegszeit bzw. der DDR zu suchen ist, werden Naturfasern heute unter genau entgegen gesetzten Vorzeichen eingesetzt und erforscht. Ihr großes Leichtbaupotenzial macht sie interessant für die Entwicklung moderner spritsparender Autos und für die Elektromobilität. Ein weiterer Pluspunkt von Flachs, Sisal, Kenaf und Co. ist ihre geringere Splitterneigung, die bei Unfällen und bei der Verarbeitung von Vorteil ist.

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Bei Armaturenbrettern, Kofferraumauskleidungen und Tür- und Säulenverkleidungen greifen Autobauer deshalb vor allem im Premium-Segment schon seit Jahren auf Naturfasern als Verstärkungsmaterial zurück. Im Außenbereich haben sich naturfaserverstärkte Kunststoffe hingegen noch nicht durchgesetzt, werden hier jedoch intensiv erforscht, so zum Beispiel im "Bioconcept-Car", einem Rennwagen, der mit Unterstützung der Hochschule Hannover nach und nach eine Karosserie aus Biowerkstoffen erhält. Das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) fördert das Projekt über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR). Besondere Potenziale sehen Wissenschaftler außerdem bei biobasierten Kohlenstofffasern, die die Eigenschaften von Carbonfasern mit den Vorteilen eines erneuerbaren Rohstoffs vereinen. Hier steht man aber noch relativ am Anfang der Entwicklung. Schließlich ist stärkebasiertes Füllmaterial für Autoreifen ein Forschungsthema.

Know-how aus der Getränkeindustrie nutzen
Ein besonders ambitionierter Automobilhersteller in Sachen nachwachsender Rohstoffe ist der Ford-Konzern. Das Unternehmen setzt im Rahmen seiner Nachhaltigkeitsstrategie unter anderem auf den Einsatz nachwachsender Rohstoffe, die Verwendung von recycelbaren Materialien und Maßnahmen für einen verminderten CO2-Ausstoß. Schon heute bestehen über 300 Bauteile in Ford-Fahrzeugen aus natürlichen Werkstoffen, darunter Sitzschäume aus Sojaöl und Türverkleidungen mit Kenaf- und Kokosfaser-Verstärkung. Ford kooperiert außerdem mit Coca Cola, um die Biokunststoff-Technologie des Getränkeherstellers nutzen zu können: Der Limonadenproduzent stellt aus teilweise biobasiertem Polyethylentherephthalat (Bio-PET) seine "Plantbottle" her, Ford will den Werkstoff beispielsweise für Sitzbezüge und Kopfstützen verwenden.

Prototypbauteil (Handschuhkasten aus Sisal-PP), hergestellt im Spritzgussverfahren, im Projekt des Ford Forschungszentrums zur Simulation des Verarbeitungs- und Crashverhaltens naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien.

Um weitere Einsatzmöglichkeiten für nachwachsende Rohstoffe im Automobilbau systematisch zu prüfen, entwickelt das Ford Forschungszentrum in Aachen seit 2011 gemeinsam mit zehn Partnern Werkstoff- und Fließmodelle für naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien. Auch dieses Vorhaben wird vom BMELV über die FNR gefördert. "Die komplexen Anforderungen bei der heutigen Produktentwicklung im Automobilbau sind ohne Computersimulationen nicht umsetzbar." erläutert Dr. Thomas Baranowski vom Ford Forschungszentrum in Aachen. Ziel des Projekts ist es, das Verhalten der Werkstoffe bei der Verarbeitung, aber besondere auch unter Praxisbedingungen zum Beispiel beim Crash im Computermodell zu simulieren. Im Ergebnis sollen Materialkarten für den Serieneinsatz in der Automobilindustrie entstehen. Auf Forschungsseite arbeiten das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover, die Arbeitsgemeinschaft Biologische Werkstoffe der Hochschule Bremen, das Institut für Polymerwerkstoffe und Kunststofftechnik der Technischen Universität Clausthal zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) und dem Polymer Engineering Center (PEC) der University of Wisconsin-Madison in den USA. Seitens der Industrie sind International Automotive Components (IAC), Lyondellbasell, das Kunststoffwerk Voerde, Simcon und M-Base neben dem Projektkoordinator Ford am Projekt beteiligt.

Taugliche Compounds verifizieren
Zu Beginn des Vorhabens testeten die Wissenschaftler 18 Compoundvarianten aus Polypropylen (PP) mit Naturfasern, darunter Zelluloseregenerate mit unterschiedlichen Zellulosefaseranteilen, Sisal-, Hanf-, Weizenstroh- und Holzfasern sowie Pellets aus verschiedenen Fasern. Diese wurden zu Probekörpern gespritzt und untersucht, um Daten zur Faserverteilung, zur Werkzeug- und Angussgeometrie, zum maschinen- und werkzeugseitigen Prozess sowie zur Material- bzw. Faserbelastung und -schädigung zu erhalten. Ergänzend fanden rheologische, thermische und mechanische Tests sowie mikroskopische Untersuchungen statt. Im Ergebnis dieser Untersuchungen entschieden sich die Projektpartner für das Sisal-Polypropylen-Compound als das am besten geeignete für die weiteren Projektschritte. Den Ausschlag hatten Vorteile beispielsweise in der Compoundierung, der Fließlänge, der Oberflächenqualität und der Steifigkeit gegeben.

Simulationstechnik mit der Praxis entwickeln
Für die Fertigungs- und Crashsimulation galt es dann, ein Validierungsbauteil auszuwählen. Die Anforderungen dafür waren hoch: Es sollte ein Großserienbauteil sein, das bei IAC produziert wird, ein Sichtbauteil, das mit überschaubarem Materialeinsatz herstellbar ist, aber auch gewisse Anforderungen in Bezug auf die Komplexität stellt. Schließlich sollte das Bauteil crashrelevant sein und sich für einfache Bauteiltests eignen. Die Wahl des Prototypenbauteils fiel schließlich auf den Handschuhkasten im Ford B-Max, der neben den genannten Anforderungen zusätzlich eine weitere Herausforderung mitbringt: Zu seiner Herstellung ist ein Schweißprozess zwischen Kasten und Klappe erforderlich. Im November 2013 präsentierte Ford die ersten Handschuhkästen aus Sisal-PP-Compound der Fachöffentlichkeit. Als nächste Schritte in dem Projekt stehen nun die Komponententests der Demonstrationsbauteile sowie die daran angeschlossenen Simulationen des Herstellprozesses, der Übertragung auf Crashnetze, die Crashsimulation und die Validierung auf dem Programm.

Die Entwicklung von Simulations- und Materialmodellen für naturfaserverstärkte Kunststoffe ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Serieneinsatz biobasierter Werkstoffe in Automobilen. "Wer den Tod nicht scheut, fährt Lloyd", reimte der Volksmund einst über den Leukoplastbomber. Dank der Forschungs- und Entwicklungsarbeit des Fordprojekts und ähnlicher Vorhaben werden künftige Autos aus pflanzenbasierten Materialien einmal ein besseres Image haben.

Informationen zum Projekt "Werkstoff- und Fließmodelle für naturfaserverstärkte Spritzgießmaterialien für den praktischen Einsatz in der Automobilindustrie" des Ford Forschungszentrums mit zehn weiteren Partnern: www.fnr.de - Projekte & Förderung - Förderkennzeichen 22011310

Der Beitrag basiert auf einem Manuskript von Katja Schneider und Nicole Paul.

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