Projekt 08448/01

Entwicklung und modellhafte Anwendung eines Karosseriebauteils auf der Basis nachwachsender Rohstoffe

Projektträger

Ingenieurgemeinschaft fĂĽr Landwirtschaft und Umwelt (IGLU) GbR
BĂĽhlstr. 10
37073 Göttingen
Telefon: 0172/5665783

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Projektvorhaben zielt darauf ab, eine umweltentlastende Werkstoffinnovation für Kunststoffanwendungen im Fahrzeugbau zur Praxisreife zu führen. 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 Polycarbonsäureanhydriden) technisch und wirtschaftlich mit glasfaserverstärktem Kunststoff konkurrieren und darüber hinaus zu Umweltentlastungen führen kann. Es soll ein Werkstoff zur Praxisreife für Außenanwendungen im Fahrzeugbau geführt werden, der im Vergleich mit dem gängigen glasaserverstärkten Kunststoff über die folgenden Merkmale verfügt: Heimische Agrarprodukte als Rohstoffbasis, Energiesparpotenzial bei der Herstellung der Vorprodukte, Verarbeitung mit gängigen Verfahren, Arbeitsmedizinische Vorteile bei der Verarbeitung, Potenzial zur Einsparung von Bauteilgewicht, CO2-neutrale thermische Verwertung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEntwicklungsphase Werkstoffscreening und Produktionsversuche: Optimierung der Harzmatrix durch Einbau von plastifizierenden Additiven. Vorauswahl geeigneter nativer Faser- und Füllstoffe Herstellung von Probekörpern mit unterschiedlichen Formulierungen in Form von Flachpressplatten und Prüfung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere E-Modul, Biegefestigkeit und Schlagzähigkeit sowie Brandverhalten. Herstellung von Halbzeugen: Auswahl und Einsatz geeigneter Verbindungen, welche funktionelle Gruppen blockieren, die bei der PTP-Härtung initiierend wirken und bei Temperaturzufuhr zerfallen. Auswahl und Entwicklung geeigneter eindickfähiger PTP-Formulierungen.
Versuche zur Lagerstabilität solcher Halbzeuge und Festlegen des wesentlichen Eigenschaftsprofils. Bauteilherstellung: auf einem Serienwerkzeug und Bauteilprüfung (Lackierversuche, Feinabstimmung herstellungsbedingter Parameter wie Presstaktzeiten, Temperatur, Pressdruck, Trennhilfen, Herstellung von Demo-Bauteilen für den geplanten Praxistest) Erprobungsphase Praxistest von Musterbauteilen, Versuchsmonitoring, Untersuchung der thermischen Verwertungseigenschaften, (Prüfung der Zumischbarkeit des Recyclats in PTP gebundene Formteile - wo und wann erfolgte das?), Einsatzbeurteilung, Stoffstromanalyse, Wirtschaftlichkeitsuntersuchung, Projektpräsentation


Ergebnisse und Diskussion

Problematik
Gegenwärtig erfolgt die Herstellung des ausgewählten GfK-Bauteils über das SMC-Verfahren. Das konventionelle Heisspressverfahren harzimprägnierter Faserfilze ist aufgrund der Bauteilgeometrie nicht möglich. Die Anwendung des SMC-Verfahrens setzt den Einsatz einer eindickfähigen duromeren Harz-matrix voraus. Zu Beginn des Projektes gab es weder ein eindickfähiges 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 eindickfähigen ("Reifefähigen") PTP-Variante, die in ihren rheologischen Anwendungs-Eigenschaften so beschaffen sein musste, damit Naturfasern mit rauen Faseroberflächen während des Verarbeitungsvorgangs in der Kavität durch den Harzfluss transportiert werden können.

Auswahl der Harzmatrix
Die Eigenschaften der gehärteten Harzmassen lassen sich über ein weites Spektrum gezielt steuern. Dieses reicht von Elastomeren bis hin zu harten duromeren Polymerwerkstoffen. Für den geplanten Ein-satz der PTP®-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 gegenwärtig zur industriellen Herstellung von SMC-Halbzeugen eingesetzt werden. Harze, die für die Herstellung von Halbzeugen zur Verarbeitung nach dem SMC-Verfahren eingesetzt werden können, müssen die Fähigkeit besitzen, im Anschluss an die Halbzeugherstellung nach einer definierten Zeit zu einer lederartigen Masse einzudicken. Dieser Vorgang wird auch als "Reifung" 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 reifefähigen Matrixsystems zur Deckung gebracht werden.

Fasertransport im gereiften SMC-Halbzeug
In 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 Kavität transportiert werden, ist eine Grundvoraussetzung um ein solches Halbzeug in der SMC-Technik anzuwenden. Während dies bei Glasfasern mit glatten, einheitlichen Oberflächen problemlos zu realisieren ist, stellt die Verwendung von Naturfasern in einem solchen Produktionsverfahren aufgrund Ihrer Oberflächenbeschaffenheit außerordentliche Probleme dar. Nur durch eine entsprechende Auswahl und Behandlung der Fasern konnte diese Anforderung erfüllt werden. Dabei mussten einerseits sowohl rheologische Anforderungen über eine entsprechende Faserlänge und Faserzuführung berücksichtigt werden, andererseits erforderten die mechanischen Ansprüche des Bauteils eine entsprechende Auswahl an Fasern.

Halbzeugherstellung
Weder 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 zusätzlich komplizierter. Nach umfangreichen Voruntersuchungen wurden sechs Faservarianten mit einer "reifefähigen" PTP-Harz-Paste zu Naturfaser-SMC-Halbzeugen verarbeitet und dann unter Produktionsbedingungen zu Bauteilen verpresst. Von den sechs geprüften Varianten konnten nicht alle befriedigende Ergebnisse erzielen. Bei zwei Varianten kam es zu "Wolkenbildung" durch örtliche Faseransammlungen, welche auf einen unbefriedigenden Fasertransport zurückzuführen waren. Diese inhomogene Faserverteilung spiegelte sich dann auch in den Prüfergebnissen bei durch geringere Zugfestigkeit wieder. Die übrigen Varianten wurden in Hinblick auf die Anforderungen an das Bauteil bezüglich der einzelnen Eigenschaftswerte (mechanische Eigenschaften, Oberflächengüte, Schwankungsamplitude, etc.) gewichtet

Eigenschaften der im SMC-Verfahren hergestellten Bauteile
In der folgenden Tabelle sind die Bauteileigenschaften im Vergleich zu den Werten des glasfaserverstärkten Bauteils und zu den Anforderung der MAN-Norm dargestellt. Diese Norm ist allerdings für glasfaserverstärkte Bauteile festgelegt worden. Nach Rücksprache mit der Materialprüfung der Firma MAN würde diese Norm für Werkstoffe auf Basis Nachwachsender Rohstoffe überarbeitet werden.

Zusammenfassung:

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 erhöht sich die Dichte geringfügig. Mit den hergestellten Bauteilen kann anschaulich bestätigt werden, dass durch den Einsatz von Naturfasern Leichtbau betrieben werden kann.
Bei den Zugeigenschaften sind die Anforderungen der Norm erreichbar. Das Glasfaserbauteil ĂĽbererfĂĽllt die Normanforderungen, allerdings mit sehr starken Standardabweichungen.
Bei der Biegefestigkeit zeigen sich, wie schon bei den Zugeigenschaften beim Glasfaser/Polyester-Bauteil große Inhomogenitäten und Unterschiede in Längs- und Querrichtung. In den absoluten Werten liegen die "NAWARO-Bauteile" jedoch etwas unter den GF-Bauteilen.
Aus Voruntersuchungen wurde deutlich, dass die Schlagzähigkeitseigenschaften der Bauteile bei der Verwendung von steifen Bastfasern gering sind. Sollen Naturfaserverbundwerkstoffe bezüglich der Schlagzähigkeitseigenschaften optimiert werden, müssen Fasern eingesetzt werden, die über eine be-sondere Kraft-Weg-Charakteristik verfügen (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 große Schwankung der Eigenschaften aus. Der Einsatz der Cordenkafasern führt zu einer deutlichen Steigerung der Schlagzähigkeit im Vergleich zu den 100 % hanffaserverstärkten Bauteilen.
Im Vergleich zum Vorgabewert erfüllen 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 hanffaservertärktes Bauteil hergestellt werden, bei dem lediglich eine Brenngeschwindigkeit von 2,56 mm/min gemessen wurde

Life-Cycle-Assessment (LCA)
Ziel der ökobilanziellen Bewertung ist die Bilanzierung und Bewertung der Umweltwirkungen des Referenzbauteils aus herkömmlich verwendeten glasfaserverstärkten ungesättigten Polyesterharz und des neu zu entwickelnden Bauteils aus Nachwachsenden Rohstoffen über deren gesamten Lebenszyklus.
Bei der Wirkungsabschätzung mit dem Eco-indicator 99 werden für drei Schadenskategorien Schadensfaktoren berechnet, die durch Normierung und Gewichtung zu dem Eco-indicator 99-Wert aggregiert werden können. Um die ISO-Konformität zu gewährleisten, werden in dieser Studie die Ergebnisse für die Schadensfaktoren und die anschließende Normierung und Gewichtung getrennt dargestellt.
Das Grundprinzip bei der Ermittlung der Schadensfaktoren besteht darin, dass innerhalb dreier Kategorien fĂĽr die einzelnen Substanzen eine Wirkungs- und Schadensanalyse durchgefĂĽhrt wird.
In der Schadensbewertung werden die folgenden drei Kategorien als Basis gewählt:

¢ Menschliche Gesundheit,
¢ Ökosystem Qualität und
¢ Ressourcen.
Es werden die NFK-Varianten I bis IV im Vergleich zum Referenzbauteil GF-UP betrachtet. Dabei unter-scheiden sich die NFK-Varianten wie folgt:
¢ NFK-I: Hanffaser/PTP®
¢ NFK-II: Hanf- Baumwollfaser/PTP®
¢ NFK-III: Hanffaser/PTP® ® (regenerativer Härter)
¢ NFK-IV: Hanffaser/PTP® Leichtbau (ohne Al(OH)3)

Die Ergebnisse der Schadenskategorien Menschliche Gesundheit, Ökosystem Qualität und Ressourcen werden normiert und gewichtet. Anschließend erfolgt eine Aggregation zu Eco-indicator 99 Punkten.
Die Zusammenführung der Schadenswirkungen der einzelnen Kategorien zum Eco-indicator 99 führt zu einem signifikant positiven Ergebnis für die NFK-Varianten. Für das Referenzprodukt aus glasfaserverstärktem Polyesterharz resultieren 0,74 Eco-indicator 99 Punkte. Die NFK-Varianten I und II erzielen mit 0,36 und 0,38 etwas über die Hälfte 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 für die Leichtbauvariante NFK IV auch für den aggregierten Wert negative Schadenswirkungen festzustellen, die mit -2,6 Eco-indicator 99 Punkten quantifiziert werden können.

Die nationale Umsetzung der Altfahrzeugverordnung bezĂĽglich eines duroplastischen Verbundwerkstoffs
Die Idee, dass Bauteile aus Nachwachsenden Rohstoffen im Sinne der Altfahrzeugverordnung Vorteile gegenüber Bauteilen aus petrochemischen Rohstoffen genießen, bestätigt sich nicht. Auch eine CO2-neutral thermische Verwertung kann nicht der Rezyklierungsquote zugerechnet werden.
Bei den bestehenden Rezyklierungsvarianten ergeben sich fĂĽr Bauteile aus Nachwachsenden Rohstoffen jedoch folgende Vorteile:
Es ergibt sich ein höherer Brennwert der naturfaserverstärkten Kunststoffe im Vergleich zu glasfaserverstärkten Kunststoffen.
Der 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.
Bei dem VW-SiCon-Prozess bringen Bauteile ohne Glasfasern technische Vorteile fĂĽr den Prozess.
Die CO2-Bilanz kann durch regenerative Rohstoffquellen verbessert werden. Dies ist vor dem Hintergrund der aktuellen Diskussionen über einen Emissionshandel ein in der Zukunft nicht zu vernachlässigender Aspekt.

Brennwert des Verbundwerkstoffs
Im 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 ausgewählt.
Aus 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
Um dieses Ergebnis einzuordnen sei darauf verwiesen, dass Heizöl einen Brennwert Ho=41 MJ/kg und Biomasse einen durchschnittlichen Brennwert Ho=16,8 MJ/kg aufweist. Das bedeutet, dass der Werkstoff annähernd CO2-neutral thermisch genutzt werden kann und dabei noch energiedichter ist als für diesen Zweck gezielt angebaute Biomasse. .... wie kommt man auf diese Schlussfolgerung??

Praxistest
Im Dezember 2005 wurde bei der Braunschweiger Verkehrs AG ein Bauteil für einen Praxistest an einen MAN-Stadtbus angebaut. Im normalen Alltagseinsatz des Busses gab es weder bezüglich der konstruktiven Anforderungen noch bei der Oberflächengüte 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 für das Bauteil. Das Bauteil präsentierte sich bis zum Ende der Testphase verzugsfrei, mit unveränderten Spaltmaßen und einer exzellenten Oberfläche. Im Innenbereich traten über die Zeit stellenweise leichte Verfärbungen auf, die jedoch keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils hatten. Insgesamt nahm die Rauigkeit der inneren, unbehandelten Oberfläche leicht zu.
Nach einjährigem Einsatz im Alltagsbetrieb lässt sich also eine positive Bilanz ziehen. Das Konsortium hat sich nach Rückfrage mit den Braunschweiger Verkehrs AG dazu entschieden, das Bauteil nicht zu demontieren. Es soll an dem Fahrzeug verbleiben bis entweder Mängel des Bauteils selbst, oder ein Sachschaden durch einen Unfall eine Demontage notwendig werden lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichnugen
Leistungsfähige und nachhaltige Werkstoffkonzepte aus Nachwachsenden Rohstoffen für Karosserieanwendungen
- Herstellung und Verarbeitung von SMC-Halbzeugen -
Fachkongress naturfaserverstärkte Kunststoffe:
Einsatzmöglichkeiten, Hemmschwellen, Perspektiven
- Vorsprung durch Information -
8. und 9. Juni 2004 / HĂĽrth

Neue faserverstärkte Produkte - vielseitig und funktionssicher
Vortrag im Satorius College am 09.11.2004
Veranstalter: RIKO

Halbzeugentwicklung auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe fĂĽr
SMC-Anwendungen
8. Internationalen AVK-TV Tagung für verstärkte Kunststoffe und duroplastische Formmassen am 27. September 2005

Exterior components based on renewable resources produced with SMC technology
- considering a bus component as example
journal of industrial crops and products

AVK-Preis: 2. Platz Umweltpreis 2005

Naturfaserverbundwerkstoff in einer AuĂźenanwendung auf der Basis Nachwachsender Rohstoffe produziert mit der SMC-Technik
- Beispielhafte Demonstration an einem Busbauteil -
green tec

Naturfaserverstärkte Konstruktionswerkstoffe für SMC-Anwendungen
Vortrag im Rahmen der AGRI TECHNIKA 10. November 2005
Neue industrielle Fertigungsverfahren und Anwendungen
Veranstalter: RIKO

Karosserie aus Naturfasern und Pflanzenöl
Kunststoffe 3/2007

Use of renewable materials for SMC (Sheet Moulding Compound) bus component
JEC


Fazit

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 Außendarstellung 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 Produktionskapazitäten und es steht an, das Produkt in den nächsten Jahren im Markt zu etablieren.

Ăśbersicht

Fördersumme

477.329,83 €

Förderzeitraum

01.10.2001 - 31.07.2005

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik