Die Automobilhersteller und ihre Zulieferer sind auf der intensiven Suche nach neuen Werkstoffen und nachhaltigen Werkstoffkombinationen, um die CO2-Bilanz ihrer Fahrzeuge zu verbessern. Diese brauchen allerdings auch die notwendigen mechanischen Eigenschaften.
Wie lassen sich CO2-Emissionen bereits in der Produktionsphase verringern?
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"Während bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die Nutzungsphase die CO2-Emissionen im Lebenszyklus dominiert, teilen sich diese bei batterieelektrischen Fahrzeugen abhängig vom Strommix für das Laden auf die Produktions- und Nutzungsphase auf", schreiben die Autoren des Fachbeitrags "Abschätzung des kumulierten Energieaufwands von Karosseriebauteilen" in der Springer-Fachzeitschrift "ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift" (Ausgabe 6/2020). Daher seien die Hersteller und Zulieferer nun bestrebt, ebenso wie in der Nutzungsphase eines Fahrzeugs, auch eine Reduktion von CO2-Emissionen in der Produktionsphase zu erzielen. "Die Umweltwirkungen in der Produktionsphase lassen sich hauptsächlich auf die Materialherstellung zurückführen", schreiben sie weiter, "etwa 30 Prozent von diesen werden durch die Materialherstellung der Karosserie bedingt. Zur Reduktion der Umweltwirkungen steht somit die Wahl des Werkstoffs im Fokus." Volkswagen und die Technische Universität Braunschweig würden aus diesem Grund an einer Methodik arbeiten, mit der bereits in der Konzeptphase eine abschätzende Umweltbewertung auf Basis des kumulierten Energieaufwands (KEA) möglich werden soll.
Wie sich Energie in der Produktionsphase einsparen lässt, wird zum Beispiel am Einsatz neuer Materialien bei Seat im Artikel "Nachwachsender Rohstoff aus Reishülsen für die Herstellung von Interieurteilen" der ATZ-Ausgabe 4/2021 beschrieben. Die Autoren erläutern darin den Einsatz des Biomaterials Oryzite als Ersatz für die im Auto noch mehrheitlich aus Erdöl hergestellten Kunststoffbauteile. Sie schreiben: "Oryzite ist ein solches Material, das helfen kann, nachhaltige, CO2-neutrale Produkte herzustellen. Darüber hinaus ist die Entwicklung dieses Werkstoffs ein Beleg dafür, dass Nachhaltigkeit bei gleichzeitiger wirtschaftlicher Effizienz durchaus möglich ist." Oryzite wird aus Reishülsen hergestellt. Eigentlich sind diese ein Nebenprodukt, das meist verbrannt wird. Fügt man den Reishülsen jedoch Enzyme hinzu, die ebenfalls aus der Reispflanze stammen, entsteht ein natürliches Polymer, für dessen Herstellungsprozess 0,0625 kWh Energie pro Kilogramm erzeugtem Oryzite benötigt wird. Zum Vergleich: Für die Produktion von Polypropylen werden zwischen 0,25 und 0,36 kWh pro Kilogramm gebraucht.
Ressourcenschonendere Produktion ist das Ziel
Die Autoren schreiben nun weiter: "Das innovative Material kann verschiedenen thermoplastischen Verbundstoffen zugemischt werden – je nach verwendetem Polymer sind in einigen Fällen Mischverhältnisse mit einem Oryzite-Anteil von bis zu 85 Prozent möglich." Der entstehende Biofüllstoff biete viele physikalische Vorteile für die späteren Kunststoffteile, wie zum Beispiel bessere mechanische Eigenschaften, Formbeständigkeit oder Flammschutz. Darüber hinaus würden Oryzite zu Einsparungen beim Gewicht und bei den Rohstoff- und Produktionszykluskosten der Fahrzeugteile führen. Erforscht würde der Oryzite-Einsatz derzeit im Ladeboden des Gepäckraums, im Dachhimmel oder bei Radabdeckungen.
Ein weiteres Beispiel wird im Fachbeitrag "Biopolymere - Nachhaltigkeit für die automobile Wertschöpfungskette" der ATZ-Ausgabe 11/2020 beschrieben. Demnach sind auch für Röchling Automotive Biokunststoffe der nächste Schritt in Richtung ressourcenschonender Produktion. Gemeinsam mit Partnern entschied man sich für Milchsäure und Polylactide (PLA), entwickelt wurde das Biopolymer Röchling-BioBoom. "Alle Biopolymerprodukte sind im Motorraum einsetzbar und resistent gegen Kühlflüssigkeit, Reinigungsmittel, Batteriesäure, Motoröl und Kraftstoff. Es können sogar die gleichen Oberflächenveredelungen wie bei konventionellen Kunststoffen realisiert werden - auch im Innenraum", schreiben die Autoren des Beitrags zu dem so entstandenen Produkt.
Holzkonzept für einen Seitenaufprallträger
Im Beitrag "Naturfaserverstärkte Kunststoffe als Baustein einer nachhaltigen Mobilität?" der ATZproduktion (Ausgabe 3-4/2020) geht es um Porsche: "Der neue 718 Cayman GT4 Clubsport verfügt über Karosseriebauteile aus Biofaser-Verbundwerkstoffen, die im Anwendungszentrum für Holzfaserforschung Hofzet des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut entwickelt wurden." Ziel des Projekts war es herauszufinden, unter welchen Rahmenbedingungen Naturfasern Carbonfasern in einem Faserkunststoffverbund substituieren können, um einen ökologisch optimierten Leichtbau zu realisieren. So konnte aus ökologischer Sicht für die Herstellungsphase eine Anwendungsmöglichkeit von Naturfasern (Flachs) für die Verwendung in automobilen Leichtbaustrukturen aufgezeigt werden.
Und schließlich noch ein weiterer Rohstoff, der vermehrt im Autobau Einlass findet: Holz. Im ausgewählten Beispiel des Forschungsprojekts WoodCar wiesen Virtual Vehicle, die Technische Universität Graz und die Universität für Bodenkultur Wien die Eignung von Holzverbundwerkstoffen unter Crashbelastung nach. Die Autoren des Beitrags "Crashsichere Holzverbundwerkstoffe in Leichtbaukarosserien der Zukunft" in Ausgabe 11/2019 der ATZ Automobiltechnische Zeitschrift erklären: "Moderne Holzverbundwerkstoffe besitzen gute mechanische Eigenschaften bei vergleichbar geringer Dichte. Gleichzeitig verbessern sie die CO2-Bilanz von Fahrzeugen. Richtig eingesetzt, ist Holz gleichwertig zu faserverstärkten Kunststoffen und Metallen." Entwickelt wurde in dem Projekt unter anderem ein Seitenaufprallträger, dessen Aufbau folgendermaßen beschrieben wird: "Der Holzkonzept-Seitenaufprallträger hat einen Sandwichaufbau, der aus Birkenfurnierlagen, Viskosegewebe und einem Kartonwabenkern besteht." Zu Validierungszwecken wurde das Konzept an einem extra dafür entwickelten Prüfstand quasi-statisch und dynamisch getestet. Mit dem Ergebnis: "Die Versuche zeigten, dass der holzbasierte Demonstrator in der Lage ist, annähernd die gleiche kinetische Energie aufzunehmen wie der Referenzträger aus hochfestem Stahl. Der aktuelle Holzkonzept-Seitenaufprallträger erreicht im Vergleich aber nicht die hohe Anfangssteifigkeit des stahlbasierten Seitenaufprallträgers, was wiederum zu einer erhöhten Intrusion im Versuchsverlauf führt."
Betriebsfestigkeit muss garantiert sein
Zusammenfassend ziehen die Autoren schließlich das Fazit, dass der Anwendungsfall Seitenaufprallträger gezeigt habe, dass statisch und dynamisch hochbelastete Bauteile aus Holzverbundwerkstoffen mit geringem Gewicht und gleichem Energieaufnahmepotenzial hergestellt werden können. Gezeigt worden sei außerdem, dass die Prognosefähigkeit der entwickelten virtuellen Methoden und Modelle von Holzkonzept-Bauteilen in statischen und Crashlastfällen sehr gut sei. "Holz kann als Konstruktionswerkstoff dazu beitragen, ökologische und soziale Ziele zu erreichen. Es kann dazu dienen, den CO2-Fußabdruck durch Speicher- und Substitutionseffekte zu reduzieren. Des Weiteren kann Holz als Leichtbauwerkstoff durch die Reduktion von Bauteil- und Strukturmasse zur weiteren Vermeidung von CO2-Emissionen während der Nutzung beitragen."
Laut bioökonomie.de, einer Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, könnten sich aufgrund der zunehmenden Verwendung von Plastik im Automobil-Leichtbau auch biobasierte Kunststoffe und Biohybridmaterialien wie naturfaserverstärkte Verbundmaterialien immer besser am Markt platzieren. So würden derzeit etwa 90.000 Tonnen Wood-Plastic-Composites im europäischen Automobilsektor abgesetzt. Wobei eine der großen Herausforderungen bei den Biokunststoffen in der Verarbeitungsfähigkeit bestehe.
Egal welche Rohstoffe schließlich zum Einsatz kommen, immer geht es darum, den Trends im Fahrzeugbau Rechnung zu tragen: der Nachhaltigkeit und Materialverfügbarkeit, dem Multimaterialmix sowie dem Leichtbau. Immer wird es jedoch auch um die Statik gehen sowie um die dynamische und plötzliche Beanspruchung der Materialien – die Betriebsfestigkeit, alle innerhalb der geplanten Lebensdauer auftretenden Beanspruchungen sind schadensfrei zu ertragen. "Zur Dimensionierung von Bauteilen oder Produkten muss also immer eine Gegenüberstellung von Beanspruchung durch äußere Lasten und Beanspruchbarkeit des Bauteils erfolgen", wie im Kapitel "Anforderungen an den Leichtbau im Fahrzeug" des Springer-Fachbuchs "Leichtbau in der Fahrzeugtechnik“ erklärt wird.