Wissenschaftler erforschen Holz im Fahrzeugbau
Multimaterialsystemen (MMS) gehört die Zukunft im automobilen Leichtbau. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Verbundprojekt „Hammer“ soll nun untersuchen, ob auf Holz basierende MMS sich für den Einsatz in Automobilstrukturen eignen und wie sie mit ihnen verbunden werden können.
„Holz ist ein natürlicher Faserverbundwerkstoff, den wir praktisch frei Haus bekommen“, erklärt Gunther Hasse, im VDI Technologiezentrum zuständig für das Hammer-Projekt (Holzformteile als Multimaterialsysteme für den Einsatz im Fahrzeugrohbau).
Versuche, den „grünen“ Werkstoff für den Automobilbau zu nutzen, gab es immer wieder bis hin zum legendären „Holzauto“ des britischen Herstellers Ariel im Jahr 1952. Auch heute kommt Holz als Faserformteil, z. B. im Bereich der Türverkleidung, oder als Verbundwerkstoff, etwa für Ladeböden, zum Einsatz. Morgan Motor nutzt traditionell sogar noch Rahmen aus Eschenholz.
Die beteiligten Projektpartner trauen dem Werkstoff Holz noch einiges mehr zu. Sie wollen strukturelle, crashrelevante und tragende Bauteile aus Holzformteilen und deren Einbaumöglichkeiten erforschen und entwickeln.
Holz könnte Kunststoffe im Fahrzeugbau ersetzen
„Überall dort, wo es nach unserer heutigen Kenntnis möglich wäre, Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) als Strukturbauteile einzubauen oder sie schon verwendet werden, könnten im Prinzip holzbasierte Multimaterialsysteme zum Einsatz kommen“, ist Stefan Böhm, Koordinator von Hammer, überzeugt. Es gehe nicht darum, Automobile fast vollständig aus Holz zu bauen, betont der Experte von der Universität Kassel. Doch auch ohne diesen Anspruch sind die Ziele des 1,7 Mio. € schweren Projekts, das zur Hälfte vom Bund finanziert wird, ehrgeizig.
In den nächsten drei Jahren soll der Projektverbund nicht nur geeignete Fahrzeugkomponenten ermitteln und fertigen sowie mögliche Verbindungstechniken erforschen, um den neuen Werkstoff in die Gesamtkonstruktion einfügen zu können. Er soll auch die weitgehend metallbasierten Prozessketten in der Automobilindustrie berücksichtigen, Kennwerte ermitteln, Modelle für die Simulation schaffen und die Frage beantworten, ob holzbasierte MMS auch für die Serienfertigung taugen.
„Die Ansprüche an Material und Verbindungen sind hoch“, sagt Hasse. Der Werkstoff Holz bietet nach Überzeugung der Fachleute jedoch eine Vielzahl von Vorteilen: Im Gegensatz zu Aluminium, dessen Herstellung viel Primärenergie verbraucht und das lange Transportwege benötigt, wächst dieser Rohstoff hierzulande praktisch vor der Haustür, ist eine CO2-neutrale Ressource, benötigt auch bei der Weiterverarbeitung nur wenig Energie, ist leicht recycelbar und kann nach Böhms Einschätzung je nach Qualität Leichtmetallen und faserverstärkten Kunststoffen (FVK) physikalisch sogar überlegen sein. Denn Holz ist leicht, stabil, schlagfest, zäh und zugleich gut verformbar.
Holz federt und dämpft besser als Aluminium
„Bei gleicher Größe hat z. B. Buche nur 10 % des Gewichts von Baustahl, aber ein Drittel seiner Festigkeit“, sagt Ralf Becker, geschäftsführender Gesellschafter der Firma Fritz Becker in Brackel, die im Projektverbund unter anderem zuständig ist für die Herstellung von 3-D-Probekörpern. Besser als Aluminium hält Holz nach den Beobachtungen der Experten wechselnde Belastungen ohne Ermüdungsbrüche aus, federt Stöße ab und dämpft Schwingungen.
„Immer, wenn es auf Dynamik ankommt, ist Holz kaum zu übertreffen“, erklärt Böhm. Anders als bei FVK sei die Technologie bereits abrufbar, um Holzformteile auch in großen Mengen wirtschaftlich produzieren zu können.
Sie bestehen in der Regel aus mehreren Holzarten, wie Ahorn, Birke, Buche, Kiefer oder Pappel. Entscheidend für den Erfolg sei die richtige Kombination der Hölzer und die optimale Ausrichtung der einzelnen Furnierlagen. Zwischen die Holzschichten einlaminierte Metall- oder Polymerfolien sollen zudem dafür sorgen, dass bei einem Unfall die Kräfte aufgefangen, weiter geleitet und kontrolliert abgebaut werden.
„Eine der großen Herausforderungen wird für uns die Minimierung der Toleranzen sein“, sagt Becker. Denn Holz arbeitet immer weiter, vor allem, wenn es Temperaturschwankungen oder Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Der Automobilbau jedoch lässt nur sehr geringe Spielräume zu. Deswegen muss das neue Multimaterialsystem mit zuverlässigen und reproduzierbaren Eigenschaften ausgestattet werden.
Die Becker KG ist im Projekt zuständig für den Schutz der Holzformteile gegen Schädlinge, Schimmel oder Feuer. Als Zulieferer für die Möbelindustrie verfügt sie über jahrzehntelange Erfahrung in der Vorbehandlung und Verarbeitung von Holzwerkstoffen. Rund 12 000 Baumstämme aus zertifizierten heimischen Wäldern mit einem Durchschnittsalter von 120 Jahren verarbeitet das Unternehmen nach Beckers Angaben pro Jahr. Mit einem großen Maschinenpark und dem Know-how der zehnköpfigen Entwicklungsabteilung sei sein Betrieb gut gerüstet für Hammer, sagt der Geschäftsführer.
Für welche Bauteile sich Holz beim Fahrzeugbau eignet, ist noch unklar
Noch ist nicht klar, welche Bauteile für eine spätere Anwendung überhaupt in Frage kommen. Im Prinzip, glaubt Böhm, käme die Verwendung in großen, ebenen Flächen wie der Bodengruppe dem Werkstoff Holz entgegen. Vor allem aber müssen er und sein Team von der Universität Kassel sich nun Gedanken machen, welche Fügeverfahren geeignet sind, um die Holzbauteile in ihre neue Umgebung integrieren zu können.
Kleben könnte hierbei das Mittel der Wahl sein, auch, weil Klebstoffe zusätzliche Funktionen wie Isolation oder Korrosionsschutz mit übernehmen können. Kommen metallische Lasteinleitungsschichten im Formholz zum Einsatz, könnten, so die Experten, theoretisch auch wärmearme Schweißverfahren eingesetzt werden. Geklärt werden müssen jedoch noch zahlreiche offene Punkte, wie die optimale Überlappungslänge der Werkstücke, die Dicke der Klebeschicht, der Einfluss von Alterungsprozessen auf das mechanische Verhalten der Verbindungen oder thermischer Belastungen auf die Klebeschicht.
Spannend ist auch die Frage hinsichtlich der Reparatur und Entsorgung der Verbundmaterialien. Hier müssen praktikable Wege gesucht werden, um bestehende Strukturen wieder aufzulösen, die Holzteile herauszutrennen und zu recyceln. Auch von solchen Aspekten dürfte später der Nutzen für die Kunden abhängen, die, wie Hasse vom VDI-Technologiezentrum betont, ihr Auto mit dem Werkstoff der Zukunft auch finanzieren können müssten.
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