{"id":21598,"date":"2024-11-27T10:32:57","date_gmt":"2024-11-27T09:32:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dbu.de\/projektdatenbank\/08448-01\/"},"modified":"2024-11-27T10:32:59","modified_gmt":"2024-11-27T09:32:59","slug":"08448-01","status":"publish","type":"projektdatenbank","link":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/projektdatenbank\/08448-01\/","title":{"rendered":"Entwicklung und modellhafte Anwendung eines Karosseriebauteils auf der Basis nachwachsender Rohstoffe"},"content":{"rendered":"<p>Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n<p>Projektvorhaben zielt darauf ab, eine umweltentlastende Werkstoffinnovation f\u00fcr Kunststoffanwendungen im Fahrzeugbau zur Praxisreife zu f\u00fchren. Anhand eines Bauteils einer Omnibusaussenverkleidung soll gezeigt werden, dass ein Werkstoffsystem aus Naturfasern und dem  auf pflanzlicher Basis herstellbaren Reaktionsharz PTP (Polymerwerkstoff aus Triglyceriden und Polycarbons\u00e4ureanhydriden) technisch und wirtschaftlich mit glasfaserverst\u00e4rktem Kunststoff konkurrieren und dar\u00fcber hinaus zu Umweltentlastungen f\u00fchren kann. Es soll ein Werkstoff zur Praxisreife f\u00fcr Au\u00dfenanwendungen im Fahrzeugbau gef\u00fchrt werden, der im Vergleich mit dem g\u00e4ngigen glasaserverst\u00e4rkten Kunststoff \u00fcber die folgenden Merkmale verf\u00fcgt: Heimische Agrarprodukte als Rohstoffbasis, Energiesparpotenzial bei der Herstellung der Vorprodukte, Verarbeitung mit g\u00e4ngigen Verfahren, Arbeitsmedizinische Vorteile bei der Verarbeitung, Potenzial zur Einsparung von Bauteilgewicht, CO2-neutrale thermische Verwertung.<\/p>\n<p>Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEntwicklungsphase Werkstoffscreening und Produktionsversuche: Optimierung der Harzmatrix durch Einbau von plastifizierenden Additiven. Vorauswahl geeigneter nativer Faser- und F\u00fcllstoffe Herstellung von Probek\u00f6rpern mit unterschiedlichen Formulierungen in Form von Flachpressplatten und Pr\u00fcfung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere E-Modul, Biegefestigkeit und Schlagz\u00e4higkeit sowie Brandverhalten. Herstellung von  Halbzeugen: Auswahl und Einsatz geeigneter Verbindungen, welche funktionelle Gruppen blockieren, die bei der PTP-H\u00e4rtung initiierend wirken und bei Temperaturzufuhr zerfallen. Auswahl und Entwicklung geeigneter eindickf\u00e4higer PTP-Formulierungen.<br \/>\nVersuche zur Lagerstabilit\u00e4t solcher  Halbzeuge und Festlegen des wesentlichen Eigenschaftsprofils. Bauteilherstellung: auf einem Serienwerkzeug und Bauteilpr\u00fcfung (Lackierversuche, Feinabstimmung herstellungsbedingter Parameter wie Presstaktzeiten, Temperatur, Pressdruck, Trennhilfen, Herstellung von Demo-Bauteilen f\u00fcr den geplanten Praxistest) Erprobungsphase Praxistest von Musterbauteilen, Versuchsmonitoring, Untersuchung der thermischen Verwertungseigenschaften, (Pr\u00fcfung der Zumischbarkeit des Recyclats in PTP gebundene Formteile &#8211; wo und wann erfolgte das?), Einsatzbeurteilung, Stoffstromanalyse, Wirtschaftlichkeitsuntersuchung, Projektpr\u00e4sentation<\/p>\n<p>Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n<p>Problematik<br \/>\nGegenw\u00e4rtig erfolgt die Herstellung des ausgew\u00e4hlten GfK-Bauteils \u00fcber das SMC-Verfahren. Das konventionelle Heisspressverfahren harzimpr\u00e4gnierter Faserfilze ist aufgrund der Bauteilgeometrie nicht m\u00f6glich. Die Anwendung des SMC-Verfahrens setzt den Einsatz einer eindickf\u00e4higen duromeren Harz-matrix voraus. Zu Beginn des Projektes gab es weder ein  eindickf\u00e4higes Harz-Matrixsystem aus Nach-wachsenden Rohstoffen noch waren Naturfasern aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften bisher  in diesem wichtigen Verarbeitungsverfahren (SMC) erfolgreich eingesetzt worden. Ausgangspunkt war da-her die Selektierung geeigneter Naturfasern im Hinblick auf ihre applikatorischen und Ihre mechanischen Eigenschaften. Parallel dazu erfolgte die Entwicklung einer eindickf\u00e4higen (&#8220;Reifef\u00e4higen&#8221;) PTP-Variante, die in ihren rheologischen Anwendungs-Eigenschaften so beschaffen sein musste, damit Naturfasern mit rauen Faseroberfl\u00e4chen w\u00e4hrend des Verarbeitungsvorgangs in der Kavit\u00e4t durch den Harzfluss transportiert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n<p>Auswahl der Harzmatrix<br \/>\nDie Eigenschaften der geh\u00e4rteten Harzmassen lassen sich \u00fcber ein weites Spektrum gezielt steuern. Dieses reicht von Elastomeren bis hin zu harten duromeren Polymerwerkstoffen. F\u00fcr den geplanten Ein-satz der PTP\u00ae-Matrix zur Entwicklung eines Naturfaser-Halbzeuges und deren Verarbeitung in der SMC-Technologie wurde eine Formulierung erarbeitet, die an das Eigenschaftsprofil von Reaktionsharzen heranreicht, die gegenw\u00e4rtig zur industriellen Herstellung von SMC-Halbzeugen eingesetzt werden. Harze, die f\u00fcr die Herstellung von Halbzeugen zur Verarbeitung nach dem SMC-Verfahren eingesetzt werden k\u00f6nnen, m\u00fcssen die F\u00e4higkeit besitzen, im Anschluss an die Halbzeugherstellung nach einer definierten Zeit zu einer lederartigen Masse einzudicken. Dieser Vorgang wird auch als &#8220;Reifung&#8221; bezeichnet. Das gereifte Halbzeug besitzt bei definierter Temperatur ein bestimmtes Verarbeitungsfenster. Hierbei mussten die mechanischen Eigenschaften in Verbindung mit dem Verhalten bei thermischer Beanspruchung vor dem Hintergrund eines reifef\u00e4higen Matrixsystems  zur Deckung gebracht werden.<\/p>\n<p>Fasertransport im gereiften SMC-Halbzeug<br \/>\nIn einem weiteren Arbeitsschritt wurde an der  Verbesserung des Fasertransports bei der Verarbeitung der gereiften SMC-Halbzeuge  gearbeitet. Dass die Fasern mit der Matrix zusammen  durch Druck und Temperatur in der Kavit\u00e4t transportiert werden, ist eine Grundvoraussetzung um ein solches  Halbzeug in der SMC-Technik anzuwenden. W\u00e4hrend dies bei Glasfasern mit glatten, einheitlichen Oberfl\u00e4chen problemlos zu realisieren ist, stellt die Verwendung von Naturfasern in einem solchen Produktionsverfahren aufgrund Ihrer Oberfl\u00e4chenbeschaffenheit au\u00dferordentliche Probleme dar. Nur durch eine entsprechende Auswahl und Behandlung der Fasern konnte diese Anforderung erf\u00fcllt werden. Dabei mussten einerseits sowohl rheologische Anforderungen \u00fcber eine entsprechende Faserl\u00e4nge und Faserzuf\u00fchrung ber\u00fccksichtigt werden, andererseits erforderten die mechanischen Anspr\u00fcche des Bauteils eine entsprechende Auswahl an Fasern.<\/p>\n<p>Halbzeugherstellung<br \/>\nWeder die Anforderungen an das Matrixsystem, noch die erforderlichen Fasereigenschaften konnten isoliert betrachtet werden. Das komplexe  Zusammenspiel von Wirkungen und  Folgen wurde  durch die Kombination der Matrix\/Faser- Komponenten  zus\u00e4tzlich komplizierter. Nach umfangreichen Voruntersuchungen wurden sechs Faservarianten mit einer &#8220;reifef\u00e4higen&#8221; PTP-Harz-Paste zu  Naturfaser-SMC-Halbzeugen verarbeitet und dann unter Produktionsbedingungen zu Bauteilen verpresst. Von den sechs gepr\u00fcften Varianten konnten nicht alle befriedigende Ergebnisse erzielen.  Bei zwei Varianten kam es zu &#8220;Wolkenbildung&#8221;  durch \u00f6rtliche Faseransammlungen, welche auf einen unbefriedigenden Fasertransport zur\u00fcckzuf\u00fchren waren. Diese  inhomogene Faserverteilung spiegelte sich dann auch in  den Pr\u00fcfergebnissen  bei  durch geringere Zugfestigkeit wieder. Die  \u00fcbrigen Varianten wurden in Hinblick auf die Anforderungen an das Bauteil bez\u00fcglich der einzelnen Eigenschaftswerte (mechanische Eigenschaften, Oberfl\u00e4cheng\u00fcte, Schwankungsamplitude, etc.) gewichtet <\/p>\n<p>Eigenschaften der im SMC-Verfahren hergestellten Bauteile<br \/>\nIn der folgenden Tabelle sind die Bauteileigenschaften im Vergleich zu den Werten des glasfaserverst\u00e4rkten Bauteils und zu den Anforderung der MAN-Norm dargestellt. Diese Norm ist allerdings f\u00fcr glasfaserverst\u00e4rkte Bauteile festgelegt worden. Nach R\u00fccksprache mit der Materialpr\u00fcfung der Firma MAN w\u00fcrde diese Norm f\u00fcr Werkstoffe auf Basis Nachwachsender Rohstoffe \u00fcberarbeitet werden.<\/p>\n<p>Zusammenfassung:<\/p>\n<p>Es wird deutlich, dass durch den Einsatz der Naturfasern die Dichte im Vergleich zum Glasfaser\/Polyester-Bauteil deutlich reduziert werden kann. Durch den Einsatz des Brandschutzmittels erh\u00f6ht sich die Dichte geringf\u00fcgig. Mit den hergestellten Bauteilen kann anschaulich best\u00e4tigt werden, dass durch den Einsatz von Naturfasern Leichtbau betrieben werden kann.<br \/>\nBei den Zugeigenschaften sind die Anforderungen der Norm erreichbar. Das Glasfaserbauteil \u00fcbererf\u00fcllt die Normanforderungen, allerdings mit sehr starken Standardabweichungen.<br \/>\nBei der Biegefestigkeit zeigen sich, wie schon bei den Zugeigenschaften beim Glasfaser\/Polyester-Bauteil gro\u00dfe Inhomogenit\u00e4ten und Unterschiede in L\u00e4ngs- und Querrichtung. In den absoluten Werten liegen die &#8220;NAWARO-Bauteile&#8221; jedoch etwas unter den GF-Bauteilen.<br \/>\nAus Voruntersuchungen wurde deutlich, dass die Schlagz\u00e4higkeitseigenschaften der Bauteile bei der Verwendung von steifen Bastfasern gering sind. Sollen Naturfaserverbundwerkstoffe bez\u00fcglich der Schlagz\u00e4higkeitseigenschaften optimiert werden, m\u00fcssen Fasern eingesetzt werden, die \u00fcber eine be-sondere Kraft-Weg-Charakteristik verf\u00fcgen (z. B. Cotton- oder Cordenkafasern). Wie die Ergebnisse zeigen, liegen alle Hanfbauteile deutlich unterhalb der Richtwerte. Wie bereits bei den Zug- und Biegeeigenschaften zeichnet sich das Glasfaser\/Polyester-Bauteil durch eine gro\u00dfe Schwankung der Eigenschaften aus. Der Einsatz der Cordenkafasern f\u00fchrt zu einer deutlichen Steigerung der Schlagz\u00e4higkeit im Vergleich zu den 100 % hanffaserverst\u00e4rkten Bauteilen.<br \/>\nIm Vergleich zum Vorgabewert erf\u00fcllen alle Bauteile im Brandversuch ihre Funktion. Vor dem Hintergrund, dass bei einigen Bauteilen auf ein Brandschutzmittel verzichtet wurde, ist dieses Ergebnis besonders erfreulich. Durch den Einsatz des mineralischen Brandschutzmittels konnte ein hanffaservert\u00e4rktes Bauteil hergestellt werden, bei dem lediglich eine Brenngeschwindigkeit von 2,56 mm\/min gemessen wurde<\/p>\n<p>Life-Cycle-Assessment (LCA)<br \/>\nZiel der \u00f6kobilanziellen Bewertung ist die Bilanzierung und Bewertung der Umweltwirkungen des Referenzbauteils aus herk\u00f6mmlich verwendeten glasfaserverst\u00e4rkten unges\u00e4ttigten Polyesterharz und des neu zu entwickelnden Bauteils aus Nachwachsenden Rohstoffen \u00fcber deren gesamten Lebenszyklus.<br \/>\nBei der Wirkungsabsch\u00e4tzung mit dem Eco-indicator 99 werden f\u00fcr drei Schadenskategorien Schadensfaktoren berechnet, die durch Normierung und Gewichtung zu dem Eco-indicator 99-Wert aggregiert werden k\u00f6nnen. Um die ISO-Konformit\u00e4t zu gew\u00e4hrleisten, werden in dieser Studie die Ergebnisse f\u00fcr die Schadensfaktoren und die anschlie\u00dfende Normierung und Gewichtung getrennt dargestellt.<br \/>\nDas Grundprinzip bei der Ermittlung der Schadensfaktoren besteht darin, dass innerhalb dreier Kategorien f\u00fcr die einzelnen Substanzen eine Wirkungs- und Schadensanalyse durchgef\u00fchrt wird.<br \/>\nIn der Schadensbewertung werden die folgenden drei Kategorien als Basis gew\u00e4hlt:<\/p>\n<p>\u00a2\tMenschliche Gesundheit,<br \/>\n\u00a2\t\u00d6kosystem Qualit\u00e4t und<br \/>\n\u00a2\tRessourcen.<br \/>\nEs werden die NFK-Varianten I bis IV im Vergleich zum Referenzbauteil GF-UP betrachtet. Dabei unter-scheiden sich die NFK-Varianten wie folgt:<br \/>\n\u00a2\tNFK-I: Hanffaser\/PTP\u00ae<br \/>\n\u00a2\tNFK-II: Hanf- Baumwollfaser\/PTP\u00ae<br \/>\n\u00a2\tNFK-III: Hanffaser\/PTP\u00ae \u00ae (regenerativer H\u00e4rter)<br \/>\n\u00a2\tNFK-IV: Hanffaser\/PTP\u00ae Leichtbau (ohne Al(OH)3)<\/p>\n<p>Die Ergebnisse der Schadenskategorien Menschliche Gesundheit, \u00d6kosystem Qualit\u00e4t und Ressourcen werden normiert und gewichtet. Anschlie\u00dfend erfolgt eine Aggregation zu Eco-indicator 99 Punkten.<br \/>\nDie Zusammenf\u00fchrung der Schadenswirkungen der einzelnen Kategorien zum Eco-indicator 99 f\u00fchrt zu einem signifikant positiven Ergebnis f\u00fcr die NFK-Varianten. F\u00fcr das Referenzprodukt aus glasfaserverst\u00e4rktem Polyesterharz resultieren 0,74 Eco-indicator 99 Punkte. Die NFK-Varianten I und II erzielen mit 0,36 und 0,38 etwas \u00fcber die H\u00e4lfte der Punktzahl. Die NFK-Variante III weist im Vergleich zum Referenzsystem einen um den Faktor 3 reduzierten Wert auf. Analog zu den Ergebnissen in den einzelnen Schadenskategorien sind f\u00fcr die Leichtbauvariante NFK IV auch f\u00fcr den aggregierten Wert negative Schadenswirkungen festzustellen, die mit -2,6 Eco-indicator 99 Punkten quantifiziert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n<p>Die nationale Umsetzung der Altfahrzeugverordnung bez\u00fcglich eines duroplastischen Verbundwerkstoffs<br \/>\nDie Idee, dass Bauteile aus Nachwachsenden Rohstoffen im Sinne der Altfahrzeugverordnung Vorteile gegen\u00fcber Bauteilen aus petrochemischen Rohstoffen genie\u00dfen, best\u00e4tigt sich nicht. Auch eine CO2-neutral thermische Verwertung kann nicht der Rezyklierungsquote zugerechnet werden.<br \/>\nBei den bestehenden Rezyklierungsvarianten ergeben sich f\u00fcr Bauteile aus Nachwachsenden Rohstoffen jedoch folgende Vorteile:<br \/>\nEs ergibt sich ein h\u00f6herer Brennwert der naturfaserverst\u00e4rkten Kunststoffe im Vergleich zu glasfaserverst\u00e4rkten Kunststoffen.<br \/>\nDer Asche- und Schlackegehalt bei der Verwertung von SMC aus Nachwachsenden Rohstoffen kann im Gegensatz zu den klassischen SMC mit Glasfaser um bis zu 20% reduziert werden.<br \/>\nBei dem VW-SiCon-Prozess bringen Bauteile ohne Glasfasern technische Vorteile f\u00fcr den Prozess.<br \/>\nDie CO2-Bilanz kann durch regenerative Rohstoffquellen verbessert werden. Dies ist vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussionen \u00fcber einen Emissionshandel ein in der Zukunft nicht zu vernachl\u00e4ssigender Aspekt. <\/p>\n<p>Brennwert des Verbundwerkstoffs<br \/>\nIm Hinblick auf eine thermische Verwertung nach der Nutzungsphase wurde eine Probe der Faserver-bundwerkstoffs auf Ihren Brennwert, den Aschegehalt und die Analysenfeuchte hin untersucht. Dabei wurde die Variante mit Aluminiumhydroxid Al(OH)3 als Brandschutzzusatz ausgew\u00e4hlt.<br \/>\nAus dieser Untersuchung resultierte ein Brennwert Ho=18,97 MJ\/kg und ein wasserfrei gerechneter Brennwert von Ho,wf= 19,59 MJ\/kg. Es wurde eine Analysenfeuchte von 3,2% und ein Aschegehalt von 17,6% festgestellt<br \/>\nUm dieses Ergebnis einzuordnen sei darauf verwiesen, dass Heiz\u00f6l einen Brennwert Ho=41 MJ\/kg und Biomasse einen durchschnittlichen Brennwert Ho=16,8 MJ\/kg aufweist. Das bedeutet, dass der Werkstoff ann\u00e4hernd CO2-neutral thermisch genutzt werden kann und dabei noch energiedichter ist als f\u00fcr diesen Zweck gezielt angebaute Biomasse. &#8230;. wie kommt man auf diese Schlussfolgerung??<\/p>\n<p>Praxistest<br \/>\nIm Dezember 2005 wurde bei der Braunschweiger Verkehrs AG ein Bauteil f\u00fcr einen Praxistest an einen MAN-Stadtbus angebaut. Im normalen Alltagseinsatz des Busses gab es weder bez\u00fcglich der konstruktiven Anforderungen noch bei der Oberfl\u00e4cheng\u00fcte irgendwelche Beanstandungen. Der Praxiseinsatz unter den winterlichen Bedingungen mit besonders niedrigen Temperaturen und hoher Streusalzbelastung war erfolgreich. Auch der Einsatz im Sommer unter starker Sonneneinstrahlung, welche eine hohe Temperaturbelastung des Materials nach sich zieht, hatte keine negativen Folgen f\u00fcr das Bauteil. Das Bauteil pr\u00e4sentierte sich bis zum Ende der Testphase verzugsfrei, mit unver\u00e4nderten Spaltma\u00dfen und einer exzellenten Oberfl\u00e4che. Im Innenbereich traten \u00fcber die Zeit stellenweise leichte Verf\u00e4rbungen auf, die jedoch keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils hatten. Insgesamt nahm die Rauigkeit der inneren, unbehandelten Oberfl\u00e4che leicht zu.<br \/>\nNach einj\u00e4hrigem Einsatz im Alltagsbetrieb l\u00e4sst sich also eine positive Bilanz ziehen. Das Konsortium hat sich nach R\u00fcckfrage mit den Braunschweiger Verkehrs AG dazu entschieden, das Bauteil nicht zu demontieren. Es soll an dem Fahrzeug verbleiben bis entweder M\u00e4ngel des Bauteils selbst, oder ein Sachschaden durch einen Unfall eine Demontage notwendig werden lassen.<\/p>\n<p>\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n<p>Ver\u00f6ffentlichnugen<br \/>\nLeistungsf\u00e4hige und nachhaltige Werkstoffkonzepte aus Nachwachsenden Rohstoffen f\u00fcr Karosserieanwendungen<br \/>\n&#8211; Herstellung und Verarbeitung von SMC-Halbzeugen &#8211;<br \/>\nFachkongress naturfaserverst\u00e4rkte Kunststoffe:<br \/>\nEinsatzm\u00f6glichkeiten, Hemmschwellen, Perspektiven<br \/>\n&#8211; Vorsprung durch Information &#8211;<br \/>\n8. und 9. Juni 2004 \/ H\u00fcrth<\/p>\n<p>Neue faserverst\u00e4rkte Produkte &#8211; vielseitig und funktionssicher<br \/>\nVortrag im Satorius College am 09.11.2004<br \/>\nVeranstalter: RIKO<\/p>\n<p>Halbzeugentwicklung auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe f\u00fcr<br \/>\nSMC-Anwendungen<br \/>\n8. Internationalen AVK-TV Tagung f\u00fcr verst\u00e4rkte Kunststoffe und duroplastische Formmassen am 27. September 2005<\/p>\n<p>Exterior components based on renewable resources produced with SMC technology<br \/>\n&#8211; considering a bus component as example<br \/>\njournal of industrial crops and products<\/p>\n<p>AVK-Preis: 2. Platz Umweltpreis 2005<\/p>\n<p>Naturfaserverbundwerkstoff in einer Au\u00dfenanwendung auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe produziert mit der SMC-Technik<br \/>\n&#8211; Beispielhafte Demonstration an einem Busbauteil &#8211;<br \/>\ngreen tec<\/p>\n<p>Naturfaserverst\u00e4rkte Konstruktionswerkstoffe f\u00fcr SMC-Anwendungen<br \/>\nVortrag im Rahmen der AGRI TECHNIKA 10. November 2005<br \/>\nNeue industrielle Fertigungsverfahren und Anwendungen<br \/>\nVeranstalter: RIKO<\/p>\n<p>Karosserie aus Naturfasern und Pflanzen\u00f6l<br \/>\nKunststoffe 3\/2007<\/p>\n<p>Use of renewable materials for SMC (Sheet Moulding Compound) bus component<br \/>\nJEC<\/p>\n<p>Fazit<\/p>\n<p>Das Projekt Entwicklung und modellhafte Anwendung eines Karosseriebauteils auf der Basis nachwachsender Rohstoffe konnte sehr erfolgreich abgeschlossen werden. Die Ziele im Projekt wurden weitestgehend erreicht und das Bauteil befindet sich mittlerweile im dritten Jahr der Anwendung. Die Reaktionen auf die Au\u00dfendarstellung des Projektes waren sehr erfreulich. Eine Vielzahl von Unternehmen haben sich nach dem material erkundigt. Es sind schon einige sehr zukunftsweisende Kontakte daraus entstanden. Die Firma. Bio-Composites and More GmbH erweitert zur Zeit Ihre Produktionskapazit\u00e4ten und es steht an, das Produkt in den n\u00e4chsten Jahren im Markt zu etablieren.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Projektvorhaben zielt darauf ab, eine umweltentlastende Werkstoffinnovation f\u00fcr Kunststoffanwendungen im Fahrzeugbau zur Praxisreife zu f\u00fchren. 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