Entwicklung eines hybridisierten Holzwerkstoffs für (Semi-) Strukturbauteile durch Umformung eines strandbasierten Verbundhalbzeugs für Mobilitätsanwendungen
Das Projekt »HyEnd-Wood« widmete sich der Herausforderung, konventionelle Materialien in der Automobilindustrie durch einen innovativen, nachhaltigen Holzwerkstoff zu ersetzen. Finanziert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), bündelte ein Konsortium aus sechs Industrie- und Wissenschaftspartnern drei Jahre lang ihr Fachwissen.
Das Kernziel des Projekts war die Entwicklung und Bewertung eines neuartigen, hybridisierten Holzwerkstoffs, der für (Semi-) Strukturbauteile in Fahrzeugen konzipiert war und einen signifikanten Holzanteil von über 60 % aufwies. Die zentralen Projektziele umfassten dabei den Leichtbauaspekt, der die Realisierung eines gewichtsneutralen Technologiedemonstrators mit gleicher oder überlegener Funktionalität gegenüber bestehenden Referenzbaugruppen vorsah. Ein weiterer Fokus lag auf hoher Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung. Dies wurde durch eine lastflussgerechte Auslegung mittels Simulation sowie die Möglichkeit zur kaskadischen Nutzung erreicht. Abschließend mussten anspruchsvolle Anforderungen erfüllt werden, wozu relevante mechanische Vorgaben sowie umfassende Sicherheits-, Brand- und Holzschutzkonzepte zählten.
Herstellung des entwickelten Materials
Das entwickelte Material nutzt eine Kombination aus Strands, einem speziellen Klebstoffsystem inklusive Additiven sowie einem Finish zum Holzschutz. Das Ergebnis ist ein freiformbarer, "grüner" Strukturwerkstoff, der sich in einem zweistufigen Prozess – angelehnt an die bekannten BMC- und SMC-Verfahren aus dem CFK- und GFK-Bereich – verarbeiten lässt. Grundsätzlich kann dafür Frisch-, Rest- und Altholz genutzt werden, ohne dass die Materialeigenschaften signifikant abweichen.
Bei den buchenholzbasierten Werkstoffen handelt es sich zum einen um ein Halbzeug, das aus rieselfähigen beleimten Buchenspänen besteht. In einem Heißpressverfahren wird dieser zu Bauteilen komplexer Geometrie geformt, die bereits sehr nah an der endgültigen Form liegen. Der Holzanteil dieser Bauteile liegt bei 68 Prozent; ihre mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit oder besser als die von OSB/3-Platten.
Der zweite Werkstoff enthält 62 Prozent Holz und besteht aus Buchenstreifen die zunächst zu losen Plattenhalbzeug verarbeitet werden und schließlich zu endkonturnahen Bauteilen. Er punktet mit höherer Festigkeit und Stabilität gegenüber dem ersten Material bei jedoch schlechterer Freiformbarkeit.
Als konkretes Demonstratorbauteil wurde eine Mittelarmlehne eines Mittelklasse-Pkw gewählt.
Zwei Materialvarianten im Detail:
Verfahren
Holzanteil
Ausgangsstoff
Eigenschaften
BMC-Prozess
68 %
Rieselfähige Buchenspäne
Hohe Freiformbarkeit in Heißpressverfahren für komplexe Geometrien; Eigenschaften vergleichbar mit OSB/3-Platten.
SMC-Prozess
62 %
Buchenstreifen
Bessere Festigkeit und Stabilität als die BMC-Variante bei verminderter Freiformbarkeit.
Bild: 1/3, Credit:
MiTRAS Composites Systems GmbH
Bild: 2/3, Credit:
MiTRAS Composites Systems GmbH
Bild: 3/3, Credit:
MiTRAS Composites Systems GmbH
Ergebnisse und Fazit: Nachgewiesene technische Machbarkeit
Die Projektbeteiligten kommen zu dem Ergebnis, dass konventionelle Werkstoffe unter Berücksichtigung von Formbarkeit, Steifigkeit und Fertigungsrestriktionen in geeigneten Bauteilen erfolgreich ersetzt werden können. Die neuen Holzwerkstoffe erfüllen viele der geforderten mechanischen Eigenschaften und liegen leistungstechnisch zwischen typischen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (WPC) und reinen Holzplattenprodukten.
Oberseite der Armlehne im Rohzustand und gepolsterte und mit Stoff bezogene Armlehne
Credit:
DLR/Volkswagen AG
Ökologische Wirkung und Potenzial:
Die ökologische Bilanz macht diese Werkstoffe zu einer vielversprechenden Option für zukünftige Fahrzeugkomponenten.
Die CO₂-Bilanzen zeigen bereits jetzt Einsparungen von etwa 75 Prozent in der Produktionsphase im Vergleich zur herkömmlichen Armlehne.
Die Bauteile besitzen ein messbares Leichtbaupotenzial und ermöglichen Recycling- bzw. Downcycling-Prozesse.
Obwohl der Technologiedemonstrator aktuell noch leicht schwerer ist als die Referenz (1,635 kg gegenüber 1,542 kg), besteht großes Potenzial für weitere Gewichtsoptimierungen. Vor einer Markteinführung müssen spezifische Material- und Prozessschwächen, wie das Klebstoffsystem oder der Holzschutz bei Staunässe, behoben werden. Die technische Umsetzbarkeit und die Nachhaltigkeit sind jedoch eindeutig nachgewiesen. Zukünftige Hybridisierungen mit konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium zur lokalen Verstärkung sind denkbar, wo dies technisch sinnvoll ist.
Als Partner im Projekt arbeiteten die MiTRAS Composites Systems GmbH, das Fraunhofer-Institut für Holzforschung Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, das Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren der Universität Kassel gemeinsam mit dem Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (Projektleitung) an o.g. technologischen Entwicklungen. Sie wurden tatkräftig durch die assoziierten Partner Volkswagen AG und Jowat SE unterstützt.
