Methoden für nachhaltige Konstruktionen: Material verstehen, Modell entwickeln, Bauteil optimieren
Um Kunststoffbauteile nachhaltig zu gestalten, müssen Materialien und Bauteile stets im Zusammenspiel betrachtet werden. Besonders bei dynamisch beanspruchten Komponenten entscheidet die Auslegung über Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Im Projekt »COOPERATE« entwickelten wir eine umfassende Methodik, um auch biobasierte, nachhaltige Materialien präzise zu charakterisieren, in realitätsnahe Materialmodelle zu überführen und damit langlebige, CO₂‑reduzierte Bauteile zu konstruieren.
Materialcharakterisierung jenseits standardisierter Annahmen
Die im Projekt eingesetzten biobasierten Polyamide unterscheiden sich im mechanischen Verhalten, bei der Verarbeitung sowie in ihrer Lebensdauer von den petrochemischen Referenzwerkstoffen. Für eine belastbare Nutzung dieser Materialien war es daher notwendig, ihr Verhalten über umfangreiche Zug‑, Schwing‑ und Temperaturversuche detailliert zu erfassen.
Experten aus dem Fraunhofer LBF entwickelten erweiterte Materialmodelle für die Abbildung der Materialeigenschaften in der Struktursimulation, darunter angepasste nichtlineare Verfestigungsansätze und anisotrope Beschreibungen, die die Faserorientierung aus der Spritzgusssimulation einbeziehen. Diese Modelle bilden das reale Verhalten kurzfaserverstärkter Biopolyamide unter Betriebsbedingungen ab und schaffen die Grundlage für eine zuverlässige Bauteilauslegung.
Simulation und Auslegung: Nachhaltigkeit durch intelligente Konstruktion
Auf Basis der modellierten Materialeigenschaften konnte das Forscherteam die Fahrwerkskoppel virtuell optimieren. Statt sich auf hohe Rohmaterialsteifigkeit zu verlassen, erlaubten die validierten Modelle eine gezielte geometrische Auslegung, eine verbesserte Lastverteilung und die Berücksichtigung von Prozess‑ und Faserorientierungseffekten.
So entstand eine Konstruktion, die trotz unterschiedlicher Materialeigenschaften eine vergleichbare Lebensdauer erreicht – ohne deutliche Materialmehrmengen. Damit demonstriert »COOPERATE«, dass die Entwicklung nachhaltiger Bauteile vor allem auf methodischer Kompetenz und präziser Auslegung und nicht von perfekten Materialeigenschaften abhängig ist.
Validierung am Demonstrator: Biobasiert und belastbar
Die optimierten Koppelstangen wurden am Fraunhofer LBF und im Konsortium quasistatisch und dynamisch geprüft. Die Ergebnisse zeigen: Die Kombination aus umfassender Charakterisierung, modellbasierter Auslegung und konstruktiver Anpassung ermöglicht eine seriennahe Performance auch mit biobasierten Werkstoffen. Besonders bei dynamischer Beanspruchung erwies sich das neue Design als robust und erfüllte die definierten Lebensdauerkriterien.
Nachhaltigkeitsbewertung und Ausblick
In der Lebenszyklusanalyse zeigte das entwickelte Material COP1 einen reduzierten CO₂‑Fußabdruck gegenüber dem Referenzpolyamid. Unsere entwickelte Methodik erlaubt es künftig, Materialien nicht nur nach technischen Kennwerten, sondern auch nach Nachhaltigkeitskriterien auszuwählen und anschließend über Simulation und Auslegung gezielt zu optimieren.
Die Vorgehensweise ist auf weitere dynamisch belastete Spritzgussteile übertragbar. – und stärkt die Rolle des Fraunhofer LBF als Entwicklungspartner für werkstoffübergreifende, nachhaltige Leichtbaulösungen.
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF