Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET®

Forschungsprojekt

Bioconcept-Car: Nachhaltige Leichtbau-Karosserie als Baustein einer klimaneutralen Mobilität

Zusammen mit HOBUM Oleochemicals, Porsche Motorsport und dem Rennteam Four Motors entwickeln wir Leichtbauteile aus naturfaserverstärkten Bio-Kunststoffen für Fahrzeugkarosserien. Sie sind eine nachhaltige, kostenneutrale Alternative zu herkömmlichen Leichtbau-Karosseriematerialien und bieten technische Vorteile. Ihre Leistungsfähigkeit testen wir im zunächst Motorsport unter Extrembedingungen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen konzipieren wir eine potenzielle Materiallösung für den serienfähigen Einsatz im Straßenverkehr. Damit unterstützen wir das Vorhaben der Europäischen Union, bis 2050 klimaneutral zu werden.

Im Motorsport kommen leichte Hochleistungsverbundwerkstoffe schon lange zum Einsatz. Angesichts des Klimawandels spielen effiziente Leichtbaulösungen aber auch bei Alltagsfahrzeugen eine immer größere Rolle. Sie reduzieren das Gesamtgewicht und tragen somit zur Energieeinsparung und zur Verringerung der Emissionen bei. Beim Leichtbau mit Polymerwerkstoffen werden bisher nahezu ausschließlich carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet. Carbonfasern bieten eine sehr gute Steifigkeit und Festigkeit, doch für ihre Herstellung benötigt man fossile Ressourcen und viel Energie. Technische Herausforderungen bestehen beim Handling, der Reparatur und dem Recycling.

Einzelne, weiß lackierte Auto-Tür steht vor einer Wand.
© Fraunhofer WKI | Federico Böhm
Tür des »Bioconcept-Car« aus naturfaserverstärktem Kunststoff (NFK).

Bio-Karosseriebauteile bringen Vorteile für die Gesellschaft und die Automobilindustrie

In diesem Projekt entwickeln wir leichte Karosserieteile aus naturfaserverstärktem Kunststoff (NFK) und biobasiertem Epoxidharz. Auch der dekorative Lack soll biobasiert sein. Unser Ziel ist es, einen biogenen Anteil von mindestens 85 Prozent im ganzen Bauteil zu erreichen. Damit verbessern wir nicht nur die ökologische Bilanz – auch aus wirtschaftlicher Sicht ist der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen interessant, denn Naturfasern sind günstiger als Carbonfasern. Im Vergleich weisen Naturfasern zwar geringere Steifigkeiten und Festigkeiten auf, jedoch sind diese Werte für viele Anwendungen ausreichend. Durch ihre natürlich gewachsene Struktur dämpfen Naturfasern Schall und Schwingungen sogar besser. Außerdem lösen sie bei der Verarbeitung keine Hautirritationen aus. Ihre geringere Splitterneigung kann außerdem dabei helfen, die Verletzungsgefahr bei Unfällen zu reduzieren. Das biobasierte Epoxidharz lässt aufgrund seiner chemischen Struktur ein zähelastisches Verhalten erwarten. Das könnte bei Unfällen ebenfalls vorteilhaft sein.

Porsche-Rennwagen mit geöffneter Beifahrertür im Boxenstopp-Bereich des Nürburgrings
© Christoph Habermann
Der mit Bio-Karosserieteilen ausgestattete Rennwagen »Bioconcept-Car« wird am Nürburgring getestet.

Rennwagen »Bioconcept-Car« als Testfahrzeug und Demonstrationsobjekt

Das Bioconcept-Car des Rennteams Four Motors ist ein rollendes Testlabor für umweltfreundliche Fahrzeugtechnologien: Biokraftstoffe, Bio-Leichtbauteile und reraffiniertes Öl. Im Renneinsatz wird ihre Serientauglichkeit unter Extrembedingungen geprüft. Die Entwicklung der Bio-Leichtbauteile wird vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR) gefördert. Die FNR stellt auf ihrer Projektwebsite Informationen zum Bioconcept-Car sowie Videos zur Verfügung, die die Forschungsarbeit des Fraunhofer WKI veranschaulichen.

Zur Projekt-Website der FNR

Entwicklungsarbeiten des Fraunhofer WKI

Biobasierte Harze für die serielle Verarbeitung faserverstärkter Bauteile; Teilvorhaben 1: Materialentwicklung und Prozessanpassung

  • Pilotfahrzeug (Bioconcept-Car): Porsche Cayman GT 4 Clubsport
  • Entwicklungsleistungen (geplant):
    • Entwicklung, Charakterisierung und Bewertung von biobasierten Harz-Härter-Mischungen in Hinblick auf eine ökonomische Umsetzung im RTM-Verfahren
    • Übertragung und »Proof of concept« der Neuentwicklungen auf das Serienwerkzeug der Tür aus dem Vorläuferprojekt
    • Erprobung und Bewertung der Tür im Labor und im Renneinsatz
    • Ökologische Bewertung von Material und Fertigungsprozess im Vergleich zur Verwendung petrobasierter Kunststoffe
    • Evaluierung des RTM-Prozesses unter energetischen Aspekten sowie erzielbarer Oberflächenqualitäten
    • Entwicklung und Testung eines biobasierten PU-Systems für die dekorative Beschichtung
    • Ausnutzung des geringen Splitterverhaltens von Naturfasern zur Schaffung eines duktilen naturfaserverstärkten Kunststoffes
    • Zusammenführung aller Ergebnisse zu einer Neuauslegung eines Karosseriebauteils und dessen Bewertung unter ausgewählten Aspekten des Einsatzes im Straßenverkehr
  • Ziele:
    • Serienreife Umsetzung einer Serientür des Porsche Cayman GT 4 Clubsport 982 mit einem biogenen Anteil von mindestens 85 Prozent
    • Umfassende Datengrundlage und Konzeptionierung eines Bauteils, die es Automobilherstellern ermöglichen soll, naturfaserverstärkte Kunststoffe unter Kriterien der eine Straßenzulassung in ihrem Auslegungsprozess zu berücksichtigen.

Projektpartner

  • HOBUM Oleochemicals GmbH
  • Porsche AG
  • Four Motors GmbH

Förderung

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)

FNR-Förderkennzeichen: 2220NR094A

Laufzeit: 1.10.2020 bis 30.09.2023

 

Nachhaltiger Biohybrid-Leichtbau für eine zukunftsweisende Mobilität

  • Pilotfahrzeuge (Bioconcept-Car): Porsche Cayman GT 4 Clubsport
  • Entwicklungsleistungen:
    • Herstellung naturfaserverstärkter Kunststoffe sowie anschließende Charakterisierung und Prüfung unter standardisierten und realen Bedingungen
    • Machbarkeitsstudie und empirische Datenerhebung
    • Identifizierung und Neuauslegung geeigneter Karosserieteile
    • Herstellung verschiedener Laminataufbauten und Vergleich, unter anderem hinsichtlich mechanischer Eigenschaften, Splitterverhalten, Brandverhalten, ökonomischer Kennzahlen
    • Erprobung der Bauteile im Labor und auf der Rennstrecke
    • Konzeptionierung und Umsetzung einer Kleinserie der Tür im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) sowie des Heckflügels im Prepreg-Autoklav-Verfahren durch den Projektpartner Porsche
  • Ergebnis: Anfang 2019 wurde der Porsche Cayman GT 4 Clubsport 982 als das weltweit erste in Serie produzierte Rennfahrzeug mit Naturfaser-Karosseriebauteilen der Öffentlichkeit vorgestellt.
Einzelne, weiß lackierte Auto-Tür steht vor einer Wand (links: Außenseite der Tür, rechts: Innenseite der Tür).
© Fraunhofer WKI | Federico Böhm
Tür des »Bioconcept-Car« aus naturfaserverstärktem Kunststoff (NFK).
Das linke Bild zeigt einen flachen Prüfkörper aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (etwa 1 mm dick, 6 cm lang und breit) mit sichtbarer Gewebestruktur und einem Loch in der Mitte; an den Lochrändern steht das Material hoch. Das rechte Bild zeigt einen flachen Prüfkörper aus naturfaserverstärktem Kunststoff (etwa 1 mm dick, 6 cm lang und breit) mit sichtbarer Gewebestruktur und einem Loch in der Mitte; an den Lochrändern steht das Material hoch.
© Fraunhofer WKI | Ole Hansen
Kugeldurchschlag in einem Prüfkörper (links: CFK, rechts: NFK).
Die linke Mikroskopsaufnahme zeigt 16 schwarze, längliche, dünne Teile mit speerartiger Form und einer ungefähren Länge von 3 mm bis 12 mm. Die rechte Mikroskopaufnahme zeigt drei hellbraune Teile mit faseriger Struktur und einer ungefähren Länge von 1 mm.
© Fraunhofer WKI | Ole Hansen
Splitter nach Kugeldurchschlag (links: CFK, rechts: NFK).

Projektpartner

  • Porsche AG
  • Four Motors GmbH

Förderung

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)

Projektträger: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)

FNR-Förderkennzeichen: 22007717

Laufzeit: 15.6.2017 bis 14.6.2020

 

Projektanbahnung

  • Pilotfahrzeug (Bioconcept-Car): VW Scirocco 2.0L TDI
  • Entwicklungsleistungen: Bereitstellung eines Heckdeckels