Leichtbau mit strukturierten Werkstoffen - Cottbus

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Aufbauend auf den Ergebnissen des InnoProfile-Vorhabens InnoStructure, welches die Grundlagen für die schneid-, umform- und fügetechnische Verarbeitung von strukturierten Blechen erarbeitet hat, liegt der Fokus des InnoProfile-Transfer-Projektes „Leichtbau mit strukturierten Werkstoffen“ auf der Entwicklung von nachhaltigen, ressourcenschonenden und energieeffizienten Leichtbauweisen.
 

 

Die Makrostrukturierung von Werkstoffen, z. B. mit regelmäßig angeordneten Nebenformelementen, stellt eine konstruktive Maßnahme zur Steigerung der Komponentensteifigkeit dar und bietet hohes, bisher kaum erschlossenes Leichtbaupotential. So besitzen strukturierte Materialien gegenüber glatten – je nach Strukturtyp und -muster – dreifach höhere Steifigkeitseigenschaften, wodurch sich einhergehend das Bauteilgewicht erheblich reduzieren lässt. Im Mehrschichtverbund kann die Komponentensteifigkeit sogar um mehr als das 15-fache gesteigert werden. Jedoch gilt die Weiterverarbeitung zum Bauteil mit den bekannten umform- und fügetechnischen Prozessen der Metallverarbeitung sowie die rechnergestützte Entwicklung von makrostrukturierten Bauteilen mittels CAD- und FEM-Softwaren aufgrund der mehrdimensionalen Oberflächentopologie als komplex und teilweise ungelöst, sodass sich der Leichtbauvorteil bisher nur in geringem Maße ausnutzen lässt.

 

Die Ziele

Die interdisziplinäre Nachwuchsgruppe wird neuartige Bauweisen mit strukturierten Werkstoffsystemen erarbeiten und deren Einsatz durch den Test von anwendungsnahen Demonstratoren unter realen Umgebungsrandbedingungen verifizieren. Hierfür ist die Entwicklung und Konstruktion von drei branchenübergreifenden Demonstratoren vorgesehen:

Die Umsetzung der Demonstratoren mit hohem Praxisbezug erfordert im Einzelnen die Erreichung folgender Teilziele:

  • Methoden zur CAD-Modellierung von strukturierten Freiformflächen und deren Implementierung in CAD-Software,
  • Fertigungsstrategien zur Herstellung von strukturierten Funktionsoberflächen mittels generativer Fertigung,
  • Fügekonzepte zur Integration von einschaligen strukturierten Bauteilen und Mehrschichtverbunden in bestehende Konstruktionsumgebungen
  • Simulation der Umformprozesse, der generativen Fertigung sowie der zum Einsatz kommenden Fügeverfahren,
  • Entwicklung von Prüfmethoden zur Ermittlung der technologisch-mechanischen Bauteileigenschaften unter statischen, schwingenden und dynamischen Belastungen,
  • Struktursimulation der Fügeverbindungen an strukturierten Mehrschichtverbunden,
  • Qualifizierung von Festigkeitskonzepten (Nenn- und Kerbspannungskonzept) zur Auslegung von gefügten Bauteilen hinsichtlich ihrer statischen Festigkeit, Schwingfestigkeit sowie die Bereitstellung von Modellierungsgrundlagen für den Einsatz in dynamischen Crash und Impactsimulationen,
  • Erstellung eines Konstruktionskataloges mit Konstruktionsrichtlinien und Gestaltungshinweisen,
  • Qualifizierung eines angepassten Planungs- und Innovationsmodells.

Die Entwicklungstätigkeiten an den Demonstratoren sollen zu einem kontinuierlichen Wissenstransfer zwischen den Unternehmen und der Nachwuchsgruppe beitragen. Neben der Umsetzung von innovativen Leichtbaulösungen steht dabei auch die Gewinnung und Qualifizierung von Fachkräften auf dem Gebiet der Leichtbauforschung mit strukturierten Werkstoffen, Mehrschichtverbunden sowie Bauteilen mit strukturierten Funktionsflächen im Vordergrund.

 

Die thematischen Schwerpunkte

Die Aufgabengebiete AG 1 bis 5 des InnoProfile-Transfer-Projektes Leichtbau mit strukturierten Werkstoffen repräsentieren mit ihren Arbeitsinhalten die Phasen der Produktentwicklung bei der Umsetzung von strukturierten Leichtbauteilen:

 

AG 1:  Planungs- und Innovationsmanagement

  • Entwicklung und Qualifizierung eines Managementwerkzeuges als Entscheidungsmodell für die Einführung von Technologieinnovationen mit strukturierten Werkstoffen
  • Analyse von Wirkzusammenhängen zwischen Betriebsgröße, Organisationsform und Innovationsstrategie
  • Erstellung eines Kennzahlensystems für den Innovationstransfer in die Unternehmen

 

AG 2: CAD- und Umformprozesssimulationen

  • CAD - Konstruktion und Modellautomatisierung von Leichtbaustrukturen
  • Umform- und Prozesssimulation von Bauteilen in Mehrschichtverbundbauweise
  • Analyse der Bauteilsteifigkeit und -festigkeit unter Berücksichtigung der anwendungsrelevanten Lastfälle
  • Bauteilentwicklung, -fertigung und -erprobung

 

AG 3: Gestaltung, Auslegung und Fertigung gefügter Bauteile

  • Konstruktion und Fertigung belastungsgerechter Verbindungsknoten
  • Entwicklung strukturgerechter Füge- und Trenntechnologien
  • Crash- und Impactsimulation von Mehrschichtverbunden (MSV) und Anbindungsknoten in Bauteilen
  • Bewertung von Verbindungsknoten und strukturgerechter
  • Lasteinleitungspunkte in MSV (statisch, schwingend, dynamisch/crash)

 

AG 4: Generative Fertigung komplexer Bauteile

  • Herstellung und Qualifizierung von Halbzeugen, Bauteilen oder -bereichen mit strukturierten Funktionsflächen
  • Numerische Prozessbeschreibung und Erarbeitung von fertigungsgerechten Auftragsstrategien
  • Fertigungsverfahren: Lichtbogenschweißverfahren, Laser-Pulver-Auftragschweißen (pulverbettlos) und Laserstrahlschmelzen (pulverbettbasiert)
  • Qualifizierung von Werkstoffen für strukturierte Funktionsoberflächen
  • Bewertung von Demonstratoren mit strukturierten Funktionsoberflächen

 

AG 5: Prüfung und Charakterisierung,

  • Härtemessungen metallischer Werkstoffe
  • Durchführung von Zugversuchen, Rauhigkeitsmessungen und Dauerschwingversuchen
  • Untersuchungen am Rasterelektronenmikroskop (REM) mit Sekundär- (SE) bzw. Rückstreuelektronen (BSE)
  • Durchführung von Klimawechseluntersuchungen und Versuchen zum tribologischem Verhalten
  • Entwicklung einer modulare Prüfvorrichtung zur Prüfung von Demonstratoren

 

Die Partner

Die Stiftungsprofessur wurde am Institut für Produktionsforschung, der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus - Senftenberg eingerichtet und wird durch folgende Unternehmen unterstützt:

  • Forster System-Montage-Technik GmbH,
  • Kraftwerks-Service-Cottbus Anlagenbau GmbH,
  • inpro Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH,
  • Panta Rhei gGmbH,
  • UNITEC GmbH - Gesellschaft für Innovationsförderung und Technologietransfer an der Brandenburgischen Technischen Universität,
  • M-TECH Cottbus,
  • Bauschlosserei & Stahlbau Harry Käthner.

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Holger Seidlitz
Konrad-Wachsmann-Alle 17
03046 Cottbus
Raum Panta Rhei Halle 1.28
Tel.: 0355 69 2344
Fax: 0355 69 5152
holger.seidlitz(at)b-tu.de
www.b-tu.de/fg-leichtbau
 

Zum Beitrag "Abspeck-Kur für die Straßenbahn" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"

Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt InnoStructure finden Sie hier.