Natürlich leicht: Bionik meets Leichtbau

Auf den ersten Blick scheint es ein nahezu unauflösbarer Widerspruch zu sein, dem die meist nur wenige Mikrometer großen und im Wasser lebenden Kieselalgen, im Fachterminus Diatomeen genannt, gegenüberstehen: Um sich vor Fressfeinden zu schützen, sind sie auf eine robuste Schale angewiesen. Allerdings muss diese so leicht sein, dass die Kleinstlebewesen nahe der Wasseroberfläche schweben können, um eine effziente Photosynthese zu betreiben. Die Algen fanden die passende Antwort auf diese Zwickmühle: einen ultraleichten Panzer
mit rillenförmigen sogenannten Sandwichelementen sowie Waben und Verästelungen als Versteifungsstrukturen. „Im Laufe der Evolution haben die Diatomeen Schalen aus Siliziumdioxid entwickelt, deren Festigkeit und Leichtigkeit sie zu einem idealen Vorbild für den Strukturleichtbau machen“, erläutert Paul Bomke, Mitglied eines Teams von Biologen und Ingenieuren am Alfred-Wegener-­Institut (AWI) in Bremerhaven. Ihre Versuche lieferten erstaunliche Werte: Einige Arten widerstehen einem Druck von 700 Tonnen pro m², bevor der Panzer bricht. Modellrechnungen ergaben sogar, dass der Druck an bestimmten Punkten der Schale noch hundertmal höher sein könnte. Ebenso bemerkenswert ist die Elastizität: Wenn der Druck kurz vor dem Bruch der Schale wieder abgebaut wird, nimmt sie wieder die alte Form an.

Vor etwa 15 Jahren entstand am AWI die Idee, den Leichtbaucharakter der Diatomeen technisch nutzbar zu machen. Inzwischen hat das Institut den Aufbau einiger der 120.000 Kieselalgenarten untersucht und daraufhin den Leichtbauprozess ELiSE (Evolutionary Light Structure Engineering) entwickelt. ELiSE konstruiert Leichtbaustrukturen nach natürlichen Leitbildern und setzt sie in Produkte um. Nach Analyse der Randbedingungen für das zu optimierende Werkstück werden passende Strukturen für Teilbereiche ausgewählt und individuell optimiert. Mit herkömmlichen CAD­-Methoden wäre die Konstruktion der bionischen Strukturen mit enormem Zeitaufwand verbunden, weshalb ELiSE bald als Konstruktions­ und Optimierungs­-Software angeboten werden soll. Aber auch die herkömmlichen Fertigungstechniken versagen bei den komplexeren Leichtbaustrukturen. Deshalb nutzen die AWI­-Bioniker die additive Fertigungmittels 3D­-Druck. Hier entstehen dreidimensionale Werkstücke computergesteuert mithilfe von Schmelz­ und Härtungsprozessen schichtweise aus Kunststoffen, Keramiken oder Metallen. „Erst diese Verfahren machen die bionische Strukturoptimierung in vollem Umfang technisch verfügbar“, weiß Paul Bomke. „Zusätzlich verleihen sie uns ganz neue Freiheiten in der Gestaltung von Leichtbauteilen.“

Eindrucksvolles Beispiel ist eine additiv gefertigte A­Säulenversteifung, die das ELiSE-­Team in Kooperation mit Volkswagen entwickelt hat. Das Gewicht des Verstärkungsteils, welches das Einknicken der A­-Säule zwischen Autodach und vorderer Fahrgastzelle bei einem unfallbedingten Überschlag verhindert, konnte um 74 % reduziert werden. Was im bionischen Leichtbau möglich ist, zeigt auch das Bionic Bike. Die Querschnitte des Aluminiumrahmens wurden bei diesem Faltrad in einem evolutiven Prozess Stück für Stück auf ein jeweils maximales Verhältnis von Belastbarkeit zu Gewicht optimiert. Das führt zu weitgehend variablen Wandstärken und Durchmessern. An hoch belasteten Stellen, etwa an der Sattelstütze sowie im Bereich des Tretlagers, ist der Rahmen zusätzlich mit Diatomeenstrukturen versteift. Ergebnis sind ein ästhetisch geschwungenes Design und eine Gewichtsreduzierung auf 2,5 kg – 60 % weniger als für einen konventionellen Faltradrahmen.

An eine Vermarktung wird allerdings nicht gedacht, weil ein solches Rad weit über 10.000 € kosten würde. Hier liegt auch die Krux des Bionik-­Leichtbaus: die hohen Kosten des 3D­-Drucks bei Serienfertigung. Bioniker Paul Bomke sieht eine weitere Hürde: „Bei der Herangehensweise an die Bauteilkonstruktion brauchen wir ein Umdenken weg von herkömmlichen Methoden und hin zu additiven Verfahren, die natürliche Wachstumsprozesse durch schichtweises Auftragen technisch nachbilden – und da stehen wir noch ganz am Anfang.“

Biokunststoffe auf dem Vormarsch

Doch eine Entwicklung ist spür-­ und messbar. Allein in der Transportbranche soll das Marktvolumen für Leichtbau von 2016 bis 2020 weltweit von 80 auf über 140 Mrd. € steigen. Auch Schiffs-­ und Flugzeugbau, Sportindustrie, Maschinen-­ und Gerätebau sowie die Medizintechnik proftieren von neuen Verfahren, etwa durch hochbelastbare Rotorblätter oder Implantate. Starke Impulse für den Leichtbau erwarten Experten dabei gerade von der beschriebenen Bionik, die zu den dynamischsten Wachstumsmärkten überhaupt zählt. Das Marktvolumen könnte von heute 10 bis 20 Mrd. US­$ bis 2025 auf 1 Billion US­$ ansteigen. Und das ist auch nötig: Denn etwa im Automobilsektor muss der Anteil an Leichtbauteilen im Fahrzeug bis 2030 von heute 30 auf 70 % steigen, nur um die Zunahme des Gewichts durch Elektroantrieb und effizientere Motoren zu kompensieren. Hierbei werden auch Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine bedeutende Rolle spielen. Im Jahr 2015 betrug ihr Anteil an den weltweit 322 Mio. t produzierter Kunststoffe zwar noch weniger als 1 %. Doch bis 2020 wird die Biokunststoffproduktion sich nahezu verfünffachen. Ein Vorreiter dieses Trends ist das Reutlinger Rennsportteam Four Motors mit ihrem Bioconcept­Car. Sie entlehnen der Natur keine innovativen Konzepte und bilden diese technisch nach wie etwa beim AWI, sondern verwenden biobasierte Werkstoffe direkt im Produkt. In Zusammenarbeit mit dem IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe der Hochschule Hannover – sowie dem Anwendungszentrum für Holzfaserforschung HOFZET des Fraunhofer WKI wurde für das Bioconcept­-Car zunächst ein Scirocco 2.0l TDI mit verschiedensten Bauteilen aus biobasierten Werkstoffen ausgerüstet. Mittlerweile ist es ein Porsche Cayman GT4 Clubsport. Dabei werden nicht nur das Fahrzeuggewicht und damit der Kraftstoffverbrauch deutlich gesenkt. Zusätzlich verbessern Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen auch die CO₂-­Bilanz des Boliden.

„Als ich den grünen Rennwagen von Four Motors vor sieben Jahren zum ersten Mal sah“, erinnert sich Prof. Dr.-­Ing. Hans-­Josef Endres, Leiter des IfBB und HOFZET, „sagte ich spontan: Da geht noch mehr!“ Bis dahin hatte sich Four Motors insbesondere auf den Einsatz alternativer Kraftstoffe konzentriert. Anfänglich wurden großflächige Karosserieteile wie Heckklappe, Motorhaube und Türen aus Duromeren gefertigt. Diese formstabilen Kunststoffe wurden mit Pflanzenfasern aus Flachs, Hanf oder Viskose anstelle von Carbon-­ und Glasfasern verstärkt. Inzwischen sind auch komplexer geformte Bauteile wie Tankdeckel, Gehäuse für Spiegel und Lampen sowie Bauteile aus dem Motorraum biobasiert. Die Kraftstoffleitungen bestehen beispielsweise aus thermoplastischen Bioelastomeren. Vor und nach dem Einsatz im Rennwagen prüft das IfBB im Labor, wie die Biomaterialien auf die hohen Belastungen im Motorsport reagieren, um sie gegebenenfalls weiter zu optimieren.

Viele Bauteile haben inzwischen mehrere Langstreckenmeisterschaften auf dem Nürburgring, mit dem 24­-Stunden­-Rennen als Höhepunkt, ohne Funktionseinbuße überstanden. Von Saison zu Saison konnte der Bioanteil der Baukomponenten sukzessive erhöht werden, ohne die Werkstoffund Verarbeitungseigenschaften negativ zu beeinflussen. Attraktiv für die Übertragung dieser Erfahrungen auf den industriellen Fahrzeugbau ist, dass das IfBB alle Bauteile aus nachwachsenden Rohstoffen mit den gleichen Anlagen und Werkzeugen produziert, mit denen auch die petrochemischen Originale entstehen. Ein Katalog dokumentiert deshalb Bauteile, Produktionsprozesse und Zusammensetzung der verwendeten Materialien und soll der Automobilbranche somit zukünftig helfen, den passenden Biokunstoff oder Bioverbund schnell, sicher und kostengünstig an der richtigen Stelle einzusetzen.

Hans­-Josef Endres ist zuversichtlich: „Mit dem Bioconcept­-Car ist es uns gelungen, die Fahrzeugindustrie von der Leistungsfähigkeit der Biowerkstoffe zu überzeugen. Jetzt können wir in enger Kooperation mit industriellen Partnern die Aufgabe angehen, diese nachhaltigen Materialkonzepte serientauglich zu machen.“ Noch behindern die geringen Erfahrungswerte sowie teilweise etwas höheren Preise infolge geringer Produktionsmengen den Serieneinsatz. Zudem verlangen die Autohersteller langjährige Liefergarantien und Haftungsübernahmen bei möglichst mehreren Lieferanten. Eine dazu befähigte Zulieferindustrie muss sich erst formieren. Der kurzfristige Durchbruch für Bioleichtbauwerkstoffe als Massenprodukt wird von Materialspezialisten deshalb eher auf anderen Einsatzgebieten prognostiziert, zum Beispiel in der Verpackungsindustrie. Für Endres steht dennoch fest: „Biowerkstoffe sind als nachhaltige Leichtbauwerkstoffe für eine zukunftsweisende Mobilität unverzichtbar – auf der Straße, auf der Schiene, in der Luft und zu Wasser.“ Allerdings müsse die Politik zusätzliche Anreize schaffen, um ihre Markteinführung zu beschleunigen.

Text: Dr. Ralf Schrank
Copyright Fotografie: Julien Crespin / SEM facility of the Weizmann Institute