Fraunhofer PAZ: Faserverstärkte Kunststoffe für mobile Leichtbauanwendungen

Automatisierte Fertigungszelle für die Herstellung von thermoplastbasierten Leichtbaustrukturen am Fraunhofer PAZ - (Bild: Fraunhofer PAZ).

Unsere Autos werden leistungsstärker, bieten mehr Komfort und sind zunehmend mit dem Internet verbunden. Zusätzliche Funktionen gehen aber oft mit höheren verbrauchs- und herstellungsbedingten Emissionen einher. Um sie zu reduzieren, setzt man im Fraunhofer Pilotanlagenzentrum PAZ in Schkopau auf den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen – nicht nur wie bisher in Verkleidungsteilen, sondern gleichermaßen in der Struktur des Fahrzeugs.

Um die individuelle Mobilität zu erhalten, müssen Kosten und die Belastungen für die Umwelt gesenkt werden. Das wissen auch namhafte Autohersteller und haben schon frühzeitig Kontakt mit dem Fraunhofer PAZ aufgenommen, einer Gemeinschaftseinrichtung des Fraunhofer IWM Halle und des Fraunhofer IAP in Potsdam. Dort entwickeln die Forscher besonders leichte und robuste Kunststoffteile: UD-Tapes, also faserverstärkte Hybridstoffe aus zwei oder mehreren Materialien. Ziel dieser Auftragsforschung ist es, schwere und energieintensive Metallkonstruktionen zu ersetzen.

Professor Peter Michel und seine Mitarbeiter nutzen hierbei die Elementeigenschaften der Verstärkungsfaser: Deren Ausrichtung kann direkt an den Lastverlauf angepasst und die auf das Bauteil einwirkende Last somit genau verteilt werden – ein großer Vorteil gegenüber metallischen Elementen. Diese Verteilung ermöglicht es, die besonders beanspruchten Stellen partiell zu verstärken und andere, weniger belastete Teile materialsparend herzustellen.

So ist man in der Lage, Gewicht zu reduzieren, Emissionen einzusparen und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen zu erhöhen. "Wir wollen nicht nur Metalle durch Kunststoffe ersetzen, sondern über gänzlich neuartige Verbindungen nachdenken. Hybride Kunststoffe bieten viele Möglichkeiten", beschreibt Michel die Potenziale. Ziel sei es, den Masseanteil von Kunststoff im Auto zu erhöhen. So sind heute bereits mehr als 25 Prozent Kunststoffe in einem Pkw verbaut, beim Vorreiter BMW i3 sogar 40 Prozent. Nach Einschätzung von Michel lässt sich dieser Wert noch auf knapp 50 Prozent steigern.

Für die Entscheidung, welches Material eingesetzt wird, ist allerdings nicht nur das Verhalten eines Bauteils entscheidend, sondern auch der energie- und kostenintensive Herstellungsprozess. "Die CO2-Bilanz eines Fahrzeugs muss bereits bei dessen Entstehung betrachtet werden. Es hilft nichts, wenn bei der Herstellung des Bauteils bereits so viel Energie aufgewendet wird, dass auch ein geringer Verbrauch den CO2-Footprint negativ bleiben lässt", erklärt Michel. Deshalb sucht man am Fraunhofer PAZ ebenfalls nach Wegen, um leistungsfähige Kunsthybride möglichst energiesparend herstellen zu können.

Vor allem thermoplastische Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffverbünden haben dabei Potenzial: Hierbei werden bereits konsolidierte Faser-Kunststoff-Verbunde erhitzt in ein Formwerkzeug gegeben und im gleichen Arbeitsgang funktionalisiert. Im Gegensatz zum duroplastischen Verfahren benötigen thermoplastisch verarbeitete Kunststoffhybride eine zehn Mal kürzere Produktionszeit.

Stofflich nutzen die Wissenschaftler in Schkopau vor allem Kohlenstofffaser, Glasfaser oder naturfaserverstärkte Kunststoffe, sogenannte Biopolymere. Besonders bei den Rezepturen der Glasfaser sieht Michel noch sehr viel Potenzial, den CO2-Footprint schon in der Herstellung positiv zu beeinflussen. Folgerichtig liegt der Fokus auf der Pilotierung besserer Herstellungsprozesse von thermoplastischen Kunststoffhybriden. In langjährigen Partnerschaften mit bekannten Maschinen-Herstellern wie KraussMaffei entwickeln die Fraunhofer-Forscher integrierte Prozesse für die Herstellung von Leichtbauteilen. In den nächsten Jahren möchte Michel diese Aktivitäten weiter ausbauen.

Über das Fraunhofer PAZ
Seit 2005 werden im Fraunhofer-Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ in Schkopau neue Polymer-Produkte und innovative Technologien entlang der gesamten Wertschöpfungskette entwickelt – vom Monomer über die Polymersynthese und Kunststoffverarbeitung im Pilotmaßstab bis hin zum geprüften Bauteil nach Maß. Im Auftrag von Kunden etwa aus der Kunststoff- oder Automobilindustrie werden auf einer Technikums- und Laborfläche von derzeit rund 1.700 Quadratmetern unterschiedliche Polymersynthese- und Verarbeitungsverfahren maßgeschneidert bis in den industrienahen Maßstab umgesetzt. Dazu gehören auch der Umgang mit Leichtbau- und bio-basierten Materialien, die erdölbasierte Polymere ersetzen können.

Das Fraunhofer PAZ ist eine gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP in Potsdam-Golm und für Werkstoffmechanik IWM in Halle. Unter der Leitung von Prof. Michael Bartke (IAP) bündeln beide Einrichtungen ihre Kompetenzen in der Polymersynthese (IAP) und Polymerverarbeitung (IWM).

Weitere Informationen: www.iap.fraunhofer.de, www.iwm.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP, Potsdam-Golm + Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM, Halle

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