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Forschungsprojekt

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

Zusammen mit Porsche Motorsport und dem Rennteam Four Motors entwickeln wir biobasierte Leichtbauteile aus naturfaserverstärkten Kunststoffen für die Automobilindustrie und testen die Serientauglichkeit im Renneinsatz unter Extrembedingungen. Sie sind eine nachhaltige, kostenneutrale Alternative zu herkömmlichen Leichtbau-Karosseriematerialien und bieten technische Vorteile. Künftig sollen die Bio-Karosseriebauteile erst bei Fahrzeugen für den Motorsport, dann in Großserie für Alltagsfahrzeuge zum Einsatz kommen.

Porsche-Rennwagen steht mit geöffneter Beifahrertür am Rande der Fahrbahn des Nürburgrings.
© Fraunhofer WKI | René Schaldach
Der mit Bio-Karosserieteilen ausgestattete Rennwagen »Bioconcept-Car« wird am Nürburgring getestet.

Vor allem in der Automobilindustrie, aber auch in der Luft- und Raumfahrt sowie dem Schienen- und Schiffsverkehrs, spielen effiziente Leichtbaulösungen eine immer größere Rolle. Diese reduzieren das Gesamtgewicht und tragen somit zur Energieeinsparung und zur Verringerung der Emissionen bei. Bisher kommen beim Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen in erster Linie Hochleistungsfasern wie Carbonfasern zum Einsatz. 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.

Aktuell rücken Naturfasern aus Flachs, Hanf, Holz oder Jute als nachhaltige Alternative in den Fokus. Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen interessant, denn Naturfasern sind günstiger als Carbonfasern. Naturfasern weisen im Vergleich zwar geringere Steifigkeiten und Festigkeiten auf, jedoch sind diese Werte für viele Anwendungen ausreichend. Durch ihre natürlich gewachsene Struktur dämpfen Naturfasern Schall und Schwingungen besser. Ihre geringere Splitterneigung kann dabei helfen, die Verletzungsgefahr bei Unfällen zu reduzieren. Außerdem lösen sie bei der Verarbeitung keine Hautirritationen aus.

In diesem Projekt entwickeln wir leichte Karosserieteile aus naturfaserverstärktem Kunststoff für den Automobilbau. Unser Ziel ist es, durch den biogenen Anteil die ökologische Bilanz der industriellen Hochleistungsverbundwerkstoffe während der Herstellungs-, Gebrauchs- und Entsorgungsphase zu verbessern. Wir betrachten die Bereitstellungskette ganzheitlich: von der Definition des Anforderungsprofils über die Optimierung der einzelnen Materialkomponenten und Bauteilaufbauten bis hin zur praktischen Erprobung sowie der Charakterisierung möglicher Eigenschaftsveränderungen während der Einsatzphase. Im finalen Schritt des Projekts werden wir anhand unseres Herstellungsprozesses im Technikumsmaßstab darstellen, wie eine industrielle Großserienproduktion aussehen könnte. Neben Upscaling-Ansätzen für die in höherer Stückzahl zu produzierenden Bauteile betrachten wir dabei auch Verwertungsstrategien und Recyclingkonzepte.

Das Versuchsfahrzeug in der aktuellen Projektphase ist ein Porsche Cayman GT 4 Clubsport. In Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Porsche Motorsport und dem Rennteam Four Motors identifizieren wir Bauteile der Außenhaut aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) und ersetzen sie durch naturfaserverstärkten Kunststoff (NFK). Gemeinsam mit den Projektpartnern erfolgt dann die Neuauslegung dieser Teile, die praktische Erprobung auf der Rennstrecke als Ergänzung standardisierter Prüfverfahren sowie eine Lebenszyklusanalyse (LCA) und ökonomische Bewertung im Rahmen einer Kleinserie. Die NFK-Bauteile dürfen in ihrer neuen Ausführung das Gewicht eines gleichwertigen Bauteils aus CFK nicht überschreiten. Sie müssen jedoch kostenneutral die an das Bauteil gestellten technischen Anforderungen erfüllen und im besten Fall eine verringerte CO2-Emission aufweisen.

Projektergebnisse (Zwischenstand)

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).

Als Bauteil wurden die Türen sowie der Heckflügel als dynamisch belastetes Bauteil ausgewählt. Anschließend identifizierten wir die kritischen bzw. lasttragenden Punkte der Bauteile. Dies ist beispielsweise ein bestimmtes Maß an Biegesteifigkeit in der Türwurzel, dem Übergang vom Tür- bzw. Fensterrahmen in das Türblatt. Für einen schnellen und reproduzierbaren Vergleich verschiedener Laminataufbauten stellten wir die Laminate der beiden Schalen an den kritischen Stellen als zweidimensionale Prüfplatte her. Durch den Vergleich bestehender Laminataufbauten aus CFK konnten wir Benchmarkwerte hinsichtlich relevanter Eigenschaften festlegen. Mit diesen Werten als Grundlage erfolgte die Neuauslegung mittels verschiedener Halbzeuge auf Basis nachwachsender Rohstoffe, was u. a. Naturfasern und biobasierte Sandwichmaterialien beinhaltet. Dabei betrachteten wir die verschiedenen Eigenschaften der Laminataufbau-Varianten, darunter mechanische Eigenschaften, Splitterverhalten und Brandverhalten und ergänzten ökonomische Kennzahlen.

Aus den vielversprechenden Aufbauten stellten wir dann mithilfe von bestehenden Werkzeugen und Vakuuminfusion Türen und Heckflügel her. Diese wurden am Testfahrzeug im Praxiseinsatz getestet und auf ihre Eignung evaluiert. Dies umfasste u. a. Dimensions- und Gewichtsänderungen und eine Änderung des Spaltmaßes über bis zu 24 Stunden Einsatz am Fahrzeug. Unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten in der Kleinserienfertigung erfolgte daraufhin die Übertragung der erfolgreichsten Aufbauten in eine neue Werkzeug- bzw. Bauteilgeometrie. Die Tür wurde im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) hergestellt. Die Fertigung des Heckflügels erfolgte im Prepreg-Autoklav-Verfahren. Beide Bauteile wurden internen Dauerlauftests bei Porsche Motorsport unterzogen und abschließend positiv bewertet.

Anfang 2019 wurde der Porsche 718 Cayman GT 4 Clubsport als das weltweit erste in Serie produzierte Rennfahrzeug mit Naturfaser-Karosseriebauteilen der Öffentlichkeit vorgestellt. Aktuell erarbeiten wir Recyclingkonzepte als weitere Grundlage für die noch ausstehende Lebenszyklusanalyse der Bauteile.

Mit unserem Projekt tragen wir dazu bei, dass Bio-Karosserieteile künftig in der industriellen Großserienproduktion von Alltagsfahrzeugen zum Einsatz kommen.

Projektpartner

  • Porsche Motorsport
  • Four Motors

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