Das Ziel bis 2030 die CO2-Emissionen zu halbieren ist nur zu erreichen, wenn an sämtlichen Stellschrauben zur Minderung der Treibhausgasemissionen gedreht wird. Das versuchen die Partner im Forschungsprojekt „Cooperate“ – kurz für CO2-neutrale, lebensdaueroptimierte, kurzfaserverstärkte Thermoplaste für dynamische Applikationen. Die Forschenden arbeiten an der Reduktion von CO2-Emissionen beim Design mechanisch und dynamisch stark beanspruchter Leichtbau-Bauteile im Fahrzeugbereich. Dazu gehören beispielsweise lasttragende Kunststoffbauteile wie Motorlager oder Koppelstangen als Teil des Fahrwerks.
Um die CO2-Emissionen bei der Produktion der Kunststoffbauteile zu verringern, verfolgen und kombiniere die Projektpartner zwei Ansätze:
- Substition erdölbasierter durch biobasierte Kunststoffe beziehungsweise faserverstärkte Biopolymere. Diese werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, welche zum Beispiel als Nebenprodukte in der Landwirtschaft entstehen.
Im Projekt wird aus Leinöl gewonnenes Biopolyamid für langlebige, schwingungsbelastete Leichtbau-Bauteile optimiert. - Senken der Treibhausgasemissionen durch Leichtbau – in dieser Anwendung durch eine werkstoffgerechte Auslegung und Verringerung des Materialeinsatzes.
Hierfür entwickeln die Partner verbesserte Methoden zur materialsparenden Auslegung von Bauteilen. Angestrebt werden 20 bis 30 Prozent weniger Material. Weniger zu verarbeitendes Material bedeutet in der Folge auch einen energieeffizienteren Prozess, da weniger Energie zum Aufheizen und Aufschmelzen der Werkstoffe benötigt wird.
Zusätzliche positive Effekte ergeben sich, so der Forscher, durch den Minderbedarf an Antriebsenergie für leichtere Fahrzeuge.
„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.“
Georg Stoll, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF in Darmstadt.
An der Optimierung des Designprozesses und der Substitution fossiler Werkstoffe arbeitet das Fraunhofer LBF gemeinsam mit der Boge Elastmetall, mit Tecnaro und dem Lehrstuhl für Carbon Composites (LCC) der TU München. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK fördert das Vorhaben.
Als Nebenresultat der Forschung entstehen neue Berechnungsmethoden, die 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.
Das Charakterisieren der Proben-Geometrien liefert Erkenntnisse zum Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und Kerbradien in der Bauteilgeometrie auf die Steifigkeit und Betriebsfestigkeit des Materials.
Dabei wird auch das akustische und Vibrationsverhalten 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.
„Biobasierte Kunststoffe werden zunehmend leistungsfähiger und erreichen heutzutage fast vergleichbare Eigenschaften wie ihre über viele Jahrzehnte hoch optimierten, fossilen Pendants. Ein nachhaltiges Bauteil zu designen, das die gleichen Lasten bei weniger Gewicht tragen kann als ein Bauteil aus treibhausgasintensiven Werkstoffen, ist dennoch eine große Herausforderung.“
Georg Stoll, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer LBF in Darmstadt.
Mit den ressourceneffizienten Methoden und den verbesserten gewichtsparenden Materialeigenschaften wollen die Projektpartner den Weg für den Einsatz von biobasierten Kunststoffen in weitere Technologie- und Anwendungsfeldern wie etwa den Maschinenbau ebnen.
Quelle und weitere Infos: Pressemitteilung
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