Gesamtschlussbericht zum Vorhaben HyEnd-Wood "Hybridized engineered wood - Entwicklung eines hybridisierten Holzwerkstoffs für Strukturbauteile durch Umformung eines strandbasierten Verbundhalbzeugs"

Abstract

Im Verbundvorhaben HyEnd-Wood wurden zwei holz-basierte Werkstoffe entwickelt, die in den zweistufigen Fertigungsprozessen "Bulk Moulding Compound" bzw. "Sheet Moulding Compound" zunächst zu lagerfähigen halbzeugen und schließlich zu endkonturnahen Bauteilen für semi-strukturelle Fahrzeuganwendungen verarbeitet werden können. Besonders beim BMC-Werkstoff (BMC) wird eine hohe freie Formbarkeit für komplexe Geometrien bei mittleren bis guten mechanischen Eigenschaften erreicht. Die Performance des SMC-Werkstoffes (SMC) ist vergleichsweise besser jedoch bei geringerer Formbarkeit. Zur Steigerung der Nachhaltigkeit wurden Buchenholzstrands als Ausgangswerkstoff verwendet - eine feinere Fraktion zur Herstellung des neu entwickelten holz-basierenden BMC und eine gröbere zur Herstellung des SMC. Dabei wurden Größe und Geometrie sowie parallel dazu auch das Klebstoffsystem hinsichtlich gleiten und mechanischer Performance optimiert. Der Gewichtsanteil an darrtrockenem Holz beträgt dabei 68 % bzw. 62 %, während sich die verbleibenden Anteile aus dem Klebstoffsystem inklusive Additive, Wasser sowie eine Hydrophobierung zusammensetzten. Die eingesetzte Hydrophobierung steigert die mechanische Performance und schützt erfolgreich vor Alterung bei wechselnden Umgebungsbedingungen. Weitere Untersuchungen hinsichtlich Brandschutz zeigen, dass die Werkstoffe einen inhärenten Brandschutz aufweisen. Ein zusätzliches Brandschutzkonzept kann die Performance weiter verbessern und je nach Bauteil und dessen Anforderungen ggf. notwendig sein. Der Einsatzes von Powder in-Mould Coating zum direkten Applizieren einer Holzschutz- und Farbschicht in der Fertigung war nicht erfolgreich. Hier muss an die Chemie der Beschichtung geändert werden, was in diesem Projekt nicht darstellbar war. Auf Basis der mechanischen Kennwerte wurden gemäß Ashby die Performance Indizes für unterschiedliche Lasten bestimmt und das theoretisches Leichtbaupotential gegenüber klassischen Werkstoffen bestimmt. Bspw. kann bei der Substitution des im Automobilsektor verwendeten Werkstoffs Polypropylen mit 30 % Anteil an Glasfasern (PP GF 30) durch BMC 4,4 % an Gewicht eingespart werden, wenn die Steifigkeit der limitierende Faktor ist. Bei festigkeitsgetriebenen Bauteile ist jedoch mit einem erheblichen Mehrgewicht des BMC-Bauteils zu rechnen. Bei der Substitution von OSB-Platten verhält sich dies umgekehrt, während steifigkeitsgetriebene BMC-Bauteile bis zu 25 % schwerer ausfallen, können festigkeitsgetriebene Bauteile bis zu 24 % leichter ausgeführt werden. Zur Abbildung der Werkstoffe in der numerischen Simulation sowie zur lastflussgerechten und damit ressourcenschonenden Auslegung von BMC- und SMC-Bauteilen wurde eine passende FE-Methode ausgewählt und Simulationsmodelle sowie Materialkarten entwickelt und verifiziert. Am Beispiel einer generischen Trennwand für ein Transportfahrzeug aus PP GF 30 wurde das theoretische Leichtbaupotential in der Simulation überprüft und in diesem Anwendungsfall zu mindestens 3,6 % bestimmt. Zur Anbindung von BMC- und SMC-Bauteilen an die umgebende Struktur wurden das Einbringen von Blechen, mehrere bekannte mechanische Fügekonzepte sowie das Eingießen von Inserts untersucht. Die Hybridisierung mit Blechen im Fertigungsprozess war nicht erfolgreich, ein späteres Aufkleben ist jedoch möglich. Als bestes Fügeverfahren für Holz auf Blech zeigte sich das Fließlochschrauben, während die Verwendung von metrischen Schrauben in Inserts das beste Fügeverfahren für Blech auf Holz ist. Das Eingießen von lokalen Fügestellen wurde erfolgreich in der serienahen Fertigung des Technologiedemonstrators gezeigt. Der CO2-Fußabdruck (engl. Global Warming Potential; GWP) bestimmt sich bei der Verwendung von Restholz zu 1,00 kg CO2äq pro kg hydrophobiertem BMC-Werkstoffs bzw. 1,36 kg CO2äquivalent pro kg hydrophobiertem SMC-Werkstoffs - jeweils ohne Betrachtung der Speicherwirkung des Holzes. Weitere Untersuchungen im Projekt zeigen, dass sich die Nachhaltigkeit durch eine kaskadische Nutzung von Altholz sowie durch ein Downcycling von SMC zu BMC oder einer Kreislaufführung von Bauteilen aus BMC steigern lässt - ohne merkliche Auswirkungen auf die mechanische Performance. Zur Technologiedemonstration wurde final die Mittelarmlehne hinten eines Mittelklasse PKW als potenzielle Fahrzeugstruktur identifiziert, in der Simulation optimiert und als Demonstrator aufgebaut. Dieser besteht aus einer BMC-Wanne und einem SMC-Deckel. Die Fertigung der Wanne bei Fa. MiTRAS GmbH brachte wertvolle Erkenntnisse und zeigte Herausforderungen auf, die es für eine serienreifen Prozess noch zu meistern gilt. Die hergestellten Technologiedemonstratoren sind insgesamt etwas schwerer als theoretisch ermittelt. Gründe hierfür wurden ermittelt und Verbesserungspotentiale aufgezeigt. Der Vergleich der gefertigten holz-basierten Armlehne mit der Referenzarmlehne zeigt eine Reduktion der CO2-Emissionen von 53,8 % in der Produktion ohne Berücksichtigung der Speicherwirkung des Holzes. Eine gewichtsoptimierte Variante könnte die Reduktion auf 59,6 % steigern. Im Projekt wurden nach eigener Einschätzung folgende TRL erreicht:

TRL 5-6 für den holzbasierten, lagerfähigen und später freiformbaren BMC-Werkstoff TRL 7 für die industrietaugliche Herstellung des BMC-Halbzeugs TRL 6 für die industrietaugliche Verarbeitung des BMC-Halbzeugs zu einem endkonturnahem Bauteil in der BMC-Route TRL 5-6 für den holzbasierten, lagerfähigen SMC-Werkstoff TRL 4 für die industrietaugliche Herstellung des SMC-Halbzeugs TRL 6 für industrietaugliche Verarbeitung Halbzeug zu endkonturnahem Bauteil in der BMC-Route