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Leichtbau im Automobil (LiA) Bildinformationen anzeigen
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Leichtbau im Automobil (LiA)

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Projekt "Eigenschaftsoptimierte Holzverbundwerkstoffe für den ökologischen Leichtbau von Automobilen"

Die Reduzierung der CO2-Emissionen ist eine zentrale Aufgabe des Klimaschutzes. Ein wichtiger Beitrag kann hierbei vom Kraftfahrwesen geleistet werden, so dass im Automobilbau seit Jahren ein Forschungsschwerpunkt durch den Leichtbau gebildet wird. Er verfolgt das Ziel, durch Maßnahmen im Bereich der Konstruktion oder des Werkstoffeinsatzes das Gewicht von Bauteilen unter Beibehaltung der übrigen Eigenschaften zu reduzieren.

Um Leichtbau zu realisieren werden verschiedene Ansätze verfolgt. Im Werkstoffleichtbau werden vermehrt höchst- und ultrahöchstfeste metallische Werkstoffe eingesetzt. Das größte Gewichteinsparpotential bietet in der Regel der Einsatz von Faserverbundkunststoffen. Die hohen Herstellungs- und Verarbeitungskosten sowie eine äußerst energieintensive Produktion von Kohlenstofffasern verhindern aktuell jedoch einen Masseneinsatz.

Neben klassischen Faserverbundwerkstoffen bieten sich insbesondere nachwachsende Rohstoffe wie Holz aufgrund ihrer neutralen CO2-Bilanz, ihrer sehr guten Verfügbarkeit sowie hochautomatisierten Verarbeitungsverfahren an, Leichtbau bewegter Massen auch in großen Serien zu realisieren. Moderne Holzverbundwerkstoffe erreichen dabei spezifische mechanische Eigenschaften, die im Bereich von glasfaser- und teilweise sogar kohlenstofffaserverstärkten Verbundkunststoffen liegen.

Der Lehrstuhl hat sich der Aufgabe angenommen, den nachwachsenden Rohstoff Holz für den gezielten Einsatz in Fahrzeugstrukturen zu optimieren. Seit April 2016 bearbeitet das LiA zusammen mit fünf Industriepartnern das Forschungsprojekt „Eigenschaftsoptimierte Holzverbundwerkstoffe für den ökologischen Leichtbau von Automobilen“, kurz „EHoLA“ (Abbildung 1).

Abbildung 1: Projektplan EHoLA

Im Rahmen des Projekts werden zunächst in einem umfassenden Screening grundlegende Untersuchungen an verschiedenen Holz- und Holzverbundwerkstoffen durchgeführt (u. a. Werkstoffcharakterisierung für Auslegung mittels FEM). Hierzu werden unterschiedliche Prüfkörper gefertigt und mit geeigneten Testverfahren unter Berücksichtigung relevanter Informationen aus der Automobilindustrie geprüft (z. B. quasistatische oder crashartige Untersuchungen). Die Ergebnisse des Screenings fließen anschließend in die Entwicklung der für die jeweilige Anwendungen bzw. Anforderungsprofile optimierten Holzwerkstoffe ein. Im Folgenden wird anhand der Entwicklung und Umsetzung von Demonstratoren die Eignung der neuen Holzverbundwerkstoffe dargelegt und das Leichtbaupotential aufgezeigt. Um die Breitenwirkung der Ergebnisse zu erhöhen, wird die Entwicklung und Auslegung der Demonstratoren unter Beachtung realer Anforderungsprofile durchgeführt. Hierbei kommt z. B. die Finite Elemente Methode zum Einsatz, um das Verhalten der Bauteile vorhersagen zu können. Die Grundlagen sowie geeignete Materialmodelle sind ebenfalls Gegenstand des Projekts. Als Demonstratoren dienen ein crashrelevantes Bauteil (z. B. Crashbox), und Verstärkungselemente (z. B. Sitzrückwand oder Sitzseitenstruktur). Bei der Auslegung wird nach Bedarf ein reiner Holzwerkstoff oder ein Holz-Hybridverbund mit lokalen Verstärkungselementen aus Metallen oder Faserverbundkunststoffen eingesetzt. Neben den mechanischen Eigenschaften ist insbesondere die Witterungs- und Langzeitbeständigkeit im Verbund nachzuweisen.

Die grundsätzliche Eignung von Holzwerkstoffen für crashrelevante Fahrzeugteile wurde anhand verschiedener Holzmodelle einer Crashbox getestet (Abbildung 2). Auf dem Schlittenprüfstand des Lehrstuhls für Leichtbau im Automobil wurden verschiedene Crashboxen aus Holzwerkstoffen und zum Vergleich auch Serienbauteile aus Stahl und Aluminium Crashtests bei automobiltypischen Geschwindigkeiten unterzogen. Die wesentlichen Kennwerte dieser Tests sind die von der Crashbox absorbierte kinetische Energie und ein möglichst konstantes Kraftniveau, auf dem die Crashenergie abgebaut wird.

Abbildung 2: Schlittenprüfstand (links), Holzcrashbox vor (Mitte) und während (rechts) eines Versuchs

Aus den Voruntersuchungen wurde ersichtlich, dass ein großes Potential, aber auch eine Vielzahl an Optimierungsmöglichkeiten vorhanden ist. Wesentlich sind dabei die Entwicklung eines eigenschaftsoptimierten Werkstoffsystems sowie die Fähigkeit, eine numerische Auslegung der Strukturen durchführen zu können. Weitere Kenntnisse im Bereich des Versagensverhalten und konstruktiver Besonderheiten sowie neuer Freiheitsgrade bei der Werkstoff- und Produktentwicklung müssen ebenso erarbeitet werden, um das tatsächliche Verbesserungspotential von modernen Holzwerkstoffen nutzbar machen zu können.

Dieses Vorhaben wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.

Ansprechpartner

Swetlana Schweizer

Leichtbau im Automobil

Swetlana Schweizer
Telefon:
+49 5251 60-5338
Fax:
+49 5251 60-5333
Büro:
IW1.854

Sprechzeiten:

nach Vereinbarung

Kooperationspartner

Jowat SE

Hanses Sägewerkstechnik GmbH & Co KG

Pollmeier Massivholz GmbH &Co KG

Benteler Automobiltechnik GmbH

Johnsons Controls GmbH

Die Universität der Informationsgesellschaft