3DHyBeBe
Carbonfasern im Betonbau nutzen: Effiziente Bewehrung durch automatisierte Fertigung
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
31.05.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Vliesstoffe, Matten, Textilfaserverstärkter Beton, Sonstige (Mineralisch gebundene Carbonfasern)
Hintergrund
Die Bauindustrie ist für einen großen Teil der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, insbesondere durch die Produktion von Beton. Dabei wird häufig mehr Material verwendet, als tatsächlich für die Tragfähigkeit eines Bauwerks notwendig ist. Traditionelle Bewehrungen aus Stahl führen zu hohem Gewicht und erhöhter Ressourcennutzung.
Zusätzlich werden diese auch weiterhin vor allem manuell zusammengefügt und verbaut. Eine Digitalisierung und Automatisierung der Verfahren der Bauindustrie fand bisher kaum statt. Leichtbautechnologien, wie der Einsatz von Carbonfasern, bieten hier eine umweltfreundlichere Lösung. Zum einen sind diese Materialien leichter, leistungsfähiger und langlebiger als herkömmliche metallische Bewehrungen und ermöglichen dadurch Ressourceneinsparungen im Betonverbrauch. Zum anderen sollen die Verfahren zur Bewehrungsproduktion zukünftig automatisiert umgesetzt werden. Damit wird eine effiziente und kostengünstige Produktion von Carbonbewehrungen für Betonbauteile realisierbar.
Die Bauindustrie ist für einen großen Teil der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich, insbesondere durch die Produktion von Beton. Dabei wird häufig mehr Material verwendet, als tatsächlich für die Tragfähigkeit eines Bauwerks notwendig ist. Traditionelle Bewehrungen aus Stahl führen zu hohem Gewicht und erhöhter Ressourcennutzung.
Zusätzlich werden diese auch weiterhin vor allem manuell zusammengefügt und verbaut. Eine Digitalisierung und Automatisierung der Verfahren der Bauindustrie fand bisher kaum statt. Leichtbautechnologien, wie der Einsatz von Carbonfasern, bieten hier eine umweltfreundlichere Lösung. Zum einen sind diese Materialien leichter, leistungsfähiger und langlebiger als herkömmliche metallische Bewehrungen und ermöglichen dadurch Ressourceneinsparungen im Betonverbrauch. Zum anderen sollen die Verfahren zur Bewehrungsproduktion zukünftig automatisiert umgesetzt werden. Damit wird eine effiziente und kostengünstige Produktion von Carbonbewehrungen für Betonbauteile realisierbar.
Ziel
Im Forschungsprojekt 3DHyBeBe will das Projektteam eine automatisierte Fertigungslösung entwickeln, die den präzisen und kostengünstigen Einsatz von Carbonfasern als Bewehrung im Betonbau ermöglicht. Der Schlüssel zur Lösung liegt darin, Baurobotik und effiziente Fertigung zu verbinden. Durch die gezielte, robotergestützte Platzierung der Fasern wollen die Forschenden die Tragfähigkeit der Betonbauteile erhöhen und gleichzeitig den Materialeinsatz optimieren.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen den Ressourcenverbrauch reduzieren und die CO₂-Bilanz von Betonbauteilen deutlich verbessern. Eine entscheidende Herausforderung dabei ist es, eine Lösung zu schaffen, die skalierbar und wirtschaftlich umsetzbar ist, sodass sie eine nachhaltige Alternative zur konventionellen Stahlbewehrung im Betonbau darstellen kann.
Im Forschungsprojekt 3DHyBeBe will das Projektteam eine automatisierte Fertigungslösung entwickeln, die den präzisen und kostengünstigen Einsatz von Carbonfasern als Bewehrung im Betonbau ermöglicht. Der Schlüssel zur Lösung liegt darin, Baurobotik und effiziente Fertigung zu verbinden. Durch die gezielte, robotergestützte Platzierung der Fasern wollen die Forschenden die Tragfähigkeit der Betonbauteile erhöhen und gleichzeitig den Materialeinsatz optimieren.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen den Ressourcenverbrauch reduzieren und die CO₂-Bilanz von Betonbauteilen deutlich verbessern. Eine entscheidende Herausforderung dabei ist es, eine Lösung zu schaffen, die skalierbar und wirtschaftlich umsetzbar ist, sodass sie eine nachhaltige Alternative zur konventionellen Stahlbewehrung im Betonbau darstellen kann.
Vorgehen
Das Forschungsteam konzentriert sich zunächst auf die Entwicklung eines Algorithmus, der einen idealen Verlauf der Fasern in Abhängigkeit von den strukturellen Anforderungen des Bauteils ermittelt. Somit werden die Carbonfasern optimal für die Aufnahme von Zugkräften im Bauteil ausgelegt. Diese Berechnungen übersetzen die Forschenden in Steuerbefehle für eine spezielle Fertigungsmaschine, die es ermöglicht, die Fasern präzise in das Betonmaterial zu integrieren. Der im Projekt entwickelte Prototyp umfasst eine Fertigungstrecke für die Faserbewehrung und einen Gelenkarmroboter zur automatisierten Umsetzung der Bewehrungsstrukturen.
Basis für die Bewehrungsfertigung ist die optimierte Zusammensetzung der Materialien. Das Projektteam kombiniert Carbonfasern mit verschiedenen Matrices, um den Verbund zum Beton sicherzustellen. Zum einen untersuchen die Forschenden eine zementbasierte Matrix zur Anwendung in konventionellen, zementbasierten Betonen. Zum anderen eine Geopolymermatrix – ein synthetisches Material, welches viele Vorteile in der Verarbeitung und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Einflüssen bietet. So wollen sie die Kraftübertragung zwischen Bewehrung und Beton verbessern.
Die demonstrative Fertigung von Bewehrungsstrukturen zeigt, dass die Methode den Materialverbrauch um etwa ein Drittel reduziert, während sie gleichzeitig die technische und wirtschaftliche Machbarkeit sicherstellt.
Das Forschungsteam konzentriert sich zunächst auf die Entwicklung eines Algorithmus, der einen idealen Verlauf der Fasern in Abhängigkeit von den strukturellen Anforderungen des Bauteils ermittelt. Somit werden die Carbonfasern optimal für die Aufnahme von Zugkräften im Bauteil ausgelegt. Diese Berechnungen übersetzen die Forschenden in Steuerbefehle für eine spezielle Fertigungsmaschine, die es ermöglicht, die Fasern präzise in das Betonmaterial zu integrieren. Der im Projekt entwickelte Prototyp umfasst eine Fertigungstrecke für die Faserbewehrung und einen Gelenkarmroboter zur automatisierten Umsetzung der Bewehrungsstrukturen.
Basis für die Bewehrungsfertigung ist die optimierte Zusammensetzung der Materialien. Das Projektteam kombiniert Carbonfasern mit verschiedenen Matrices, um den Verbund zum Beton sicherzustellen. Zum einen untersuchen die Forschenden eine zementbasierte Matrix zur Anwendung in konventionellen, zementbasierten Betonen. Zum anderen eine Geopolymermatrix – ein synthetisches Material, welches viele Vorteile in der Verarbeitung und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Einflüssen bietet. So wollen sie die Kraftübertragung zwischen Bewehrung und Beton verbessern.
Die demonstrative Fertigung von Bewehrungsstrukturen zeigt, dass die Methode den Materialverbrauch um etwa ein Drittel reduziert, während sie gleichzeitig die technische und wirtschaftliche Machbarkeit sicherstellt.
3DLight_OnSite
Betonwände in CO₂-reduzierter Leichtbauweise herstellen: mobile 3D-Betondruckroboter
Förderlaufzeit:
Start
01.02.22
Ende
31.01.25
Anwendung:
Material:
Kurzfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Die Verfahren in der Bauindustrie sind bisher wenig digitalisiert und automatisiert. Standardisierte und unflexible Prozesse führen häufig zu einem ineffizienten Einsatz von Material, Energie, Zeit und Arbeitskraft. Insbesondere der ressourcenintensive Betonbau verursacht so erhebliche CO₂-Emissionen. Einen Lösungsansatz bietet die Additive Fertigung von Beton, die gezielt dimensionierte Querschnitte zulässt und die Logistik auf Baustellen maßgeblich vereinfacht. Automatisierung, Digitalisierung sowie neue Materialansätze werden dabei gemeinsam betrachtet.
Die Verfahren in der Bauindustrie sind bisher wenig digitalisiert und automatisiert. Standardisierte und unflexible Prozesse führen häufig zu einem ineffizienten Einsatz von Material, Energie, Zeit und Arbeitskraft. Insbesondere der ressourcenintensive Betonbau verursacht so erhebliche CO₂-Emissionen. Einen Lösungsansatz bietet die Additive Fertigung von Beton, die gezielt dimensionierte Querschnitte zulässt und die Logistik auf Baustellen maßgeblich vereinfacht. Automatisierung, Digitalisierung sowie neue Materialansätze werden dabei gemeinsam betrachtet.
Ziel
Im Vorhaben 3DLight_OnSite entwickeln Forschende ein innovatives Konzept für den 3D-Betondruck. Ziel der Projektpartner ist es, mittels individuell beweglicher Druckroboter tragwerksoptimierte Betonwände in CO₂-reduzierter Leichtbauweise herzustellen und so Nachhaltigkeit, Baurobotik und effiziente Fertigung zu verbinden. Um die wirtschaftlichen und ökologischen Potenziale des „Concrete Printing“ optimal zu nutzen, setzen sie dabei auf eine durchgängig digitalisierte und hochautomatisierte Fertigung.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen es ermöglichen, dass sich mobile Roboterflotten zukünftig flexibel auf der Baustelle bewegen und die Betonelemente direkt vor Ort drucken. Im Gegensatz zu stationären Drucksystemen, die weniger flexibel und schlechter skalierbar sind, wird so eine schnellere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Additive Fertigung möglich.
Im Vorhaben 3DLight_OnSite entwickeln Forschende ein innovatives Konzept für den 3D-Betondruck. Ziel der Projektpartner ist es, mittels individuell beweglicher Druckroboter tragwerksoptimierte Betonwände in CO₂-reduzierter Leichtbauweise herzustellen und so Nachhaltigkeit, Baurobotik und effiziente Fertigung zu verbinden. Um die wirtschaftlichen und ökologischen Potenziale des „Concrete Printing“ optimal zu nutzen, setzen sie dabei auf eine durchgängig digitalisierte und hochautomatisierte Fertigung.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens sollen es ermöglichen, dass sich mobile Roboterflotten zukünftig flexibel auf der Baustelle bewegen und die Betonelemente direkt vor Ort drucken. Im Gegensatz zu stationären Drucksystemen, die weniger flexibel und schlechter skalierbar sind, wird so eine schnellere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Additive Fertigung möglich.
Vorgehen
Der von den Projektbeteiligten entwickelte Prototyp umfasst ein Raupenfahrwerk sowie einen Industrieroboter mit speziellem Düsenkopf für das 3D-Druckverfahren. Um die Roboter optimal einsetzen zu können, digitalisieren die Forschenden den gesamten Planungs- und Produktionsprozess. Alle relevanten Bauwerksdaten werden digital modelliert und direkt an die Roboter übertragen. Digitalisierte Fertigungsmethoden bieten zudem Vorteile über den Bauprozess hinaus. So können Baumaterialien nachverfolgt und Komponenten nachhaltig zurückgebaut und im Sinne des „Urban Mining“ wiederverwendet werden.
Einen weiteren Fokus legen die Forschenden auf Materialeinsparungen durch eine von der Natur inspirierte Leichtbauweise. So sollen CO₂-intensive, hochfeste Betone nur dort eingesetzt werden, wo sie statisch notwendig sind. Hierfür nutzen die Projektbeteiligten Strukturen ähnlich den Bienenwaben, die mit minimalem Materialverbrauch maximale Stabilität bieten. So wird etwa die Wandschale eines Gebäudes aus druckbarem Mörtel aufgebaut und anschließend mit Schaumbeton aufgefüllt, der als Isolierung und Schallschutz dient. Diese Bauweise reduziert den Materialverbrauch und den CO₂-Ausstoß erheblich. Auch streben die Projektpartner die Entwicklung umweltfreundlicherer Betonmischungen an.
Der von den Projektbeteiligten entwickelte Prototyp umfasst ein Raupenfahrwerk sowie einen Industrieroboter mit speziellem Düsenkopf für das 3D-Druckverfahren. Um die Roboter optimal einsetzen zu können, digitalisieren die Forschenden den gesamten Planungs- und Produktionsprozess. Alle relevanten Bauwerksdaten werden digital modelliert und direkt an die Roboter übertragen. Digitalisierte Fertigungsmethoden bieten zudem Vorteile über den Bauprozess hinaus. So können Baumaterialien nachverfolgt und Komponenten nachhaltig zurückgebaut und im Sinne des „Urban Mining“ wiederverwendet werden.
Einen weiteren Fokus legen die Forschenden auf Materialeinsparungen durch eine von der Natur inspirierte Leichtbauweise. So sollen CO₂-intensive, hochfeste Betone nur dort eingesetzt werden, wo sie statisch notwendig sind. Hierfür nutzen die Projektbeteiligten Strukturen ähnlich den Bienenwaben, die mit minimalem Materialverbrauch maximale Stabilität bieten. So wird etwa die Wandschale eines Gebäudes aus druckbarem Mörtel aufgebaut und anschließend mit Schaumbeton aufgefüllt, der als Isolierung und Schallschutz dient. Diese Bauweise reduziert den Materialverbrauch und den CO₂-Ausstoß erheblich. Auch streben die Projektpartner die Entwicklung umweltfreundlicherer Betonmischungen an.
addLight
Innovativen Leichtbau realisieren: pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laser
Förderlaufzeit:
Start
01.03.21
Ende
29.02.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl
Hintergrund
Das pulverbettbasierte Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M-Technologie) baut Bauteile schichtweise auf, indem ein Laser metallisches Pulver punktgenau verschmilzt. So können Elemente mit komplexen inneren Strukturen geschaffen werden, die leicht und trotzdem stabil sind. In der rechnergestützten Konstruktion CAD (Computer-Aided Design) entwerfen Ingenieurinnen und Ingenieure diese Bauteile. Dabei speichern sie die Entwürfe häufig im STL-Format (Standard Triangle Language) ab. STL-Dateien beschreiben Oberflächen als kleine Dreiecke.
Diese Methode funktioniert gut für einfache Geometrien, stößt jedoch bei komplexen, intern optimierten Strukturen, wie Gitter- oder topologieoptimierten Komponenten, schnell an ihre Grenzen. Die Dateigrößen werden enorm und Fehler im Dreiecksnetz können die Qualität und Simulation der Bauteile beeinträchtigen. Bei der Modellierung des Schmelzprozesses liefern klassische, phänomenologische Modelle keine ausreichende Detailgenauigkeit, um die Wechselwirkungen zwischen Laserleistung, Schichtdicke, Abkühlraten und der daraus entstehenden Mikrostruktur zu erfassen. Daher braucht es integrierte Simulationsmethoden und datenbasierte Ansätze, um lokale Materialveränderungen besser zu verstehen.
Das pulverbettbasierte Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (PBF-LB/M-Technologie) baut Bauteile schichtweise auf, indem ein Laser metallisches Pulver punktgenau verschmilzt. So können Elemente mit komplexen inneren Strukturen geschaffen werden, die leicht und trotzdem stabil sind. In der rechnergestützten Konstruktion CAD (Computer-Aided Design) entwerfen Ingenieurinnen und Ingenieure diese Bauteile. Dabei speichern sie die Entwürfe häufig im STL-Format (Standard Triangle Language) ab. STL-Dateien beschreiben Oberflächen als kleine Dreiecke.
Diese Methode funktioniert gut für einfache Geometrien, stößt jedoch bei komplexen, intern optimierten Strukturen, wie Gitter- oder topologieoptimierten Komponenten, schnell an ihre Grenzen. Die Dateigrößen werden enorm und Fehler im Dreiecksnetz können die Qualität und Simulation der Bauteile beeinträchtigen. Bei der Modellierung des Schmelzprozesses liefern klassische, phänomenologische Modelle keine ausreichende Detailgenauigkeit, um die Wechselwirkungen zwischen Laserleistung, Schichtdicke, Abkühlraten und der daraus entstehenden Mikrostruktur zu erfassen. Daher braucht es integrierte Simulationsmethoden und datenbasierte Ansätze, um lokale Materialveränderungen besser zu verstehen.
Ziel
Im Forschungsprojekt addLight will das Projektteam den industriellen Einsatz additiv gefertigter Leichtbaustrukturen beweisen. Die Forschenden entwickeln Bauteile aus Aluminiumlegierungen, die statischen, dynamischen und zyklischen Belastungen standhalten. Sie erstellen konkrete Designregeln für Gitterstrukturen und topologieoptimierte Komponenten, also Bauteile, die Material nur dort einsetzen, wo es für die Tragfähigkeit nötig ist.
Dazu kombiniert das Projektteam physikalische Modelle – die den PBF-LB/M-Prozess theoretisch abbilden – mit datengetriebenen Machine-Learning-Methoden. Diese sogenannten Grey-Box-Modelle verknüpfen Simulation und experimentelle Daten, um lokale Materialeigenschaften und Ermüdungsreaktionen nahezu in Echtzeit vorherzusagen. Darüber hinaus beschreiben die Forschenden Prozessanomalien mittels datengetriebener Modelle und gleichen diese durch eine lokale Prozessadaption aus. Mit den so entstehenden reproduzierbaren Herstellungsprozessen und präzise ermittelten Werkstoffkennwerten wollen die Forschenden so den Weg in die Serienproduktion sicherheitsrelevanter Leichtbauteile ebnen.
Die Partner wollen außerdem einen effizienten Austausch komplexer Geometrien wie Gitterstrukturen zwischen unterschiedlichen Softwarekomponenten (CAD, Simulation, Datenaufbereitung) ohne Informationsverlust ermöglichen.
Im Forschungsprojekt addLight will das Projektteam den industriellen Einsatz additiv gefertigter Leichtbaustrukturen beweisen. Die Forschenden entwickeln Bauteile aus Aluminiumlegierungen, die statischen, dynamischen und zyklischen Belastungen standhalten. Sie erstellen konkrete Designregeln für Gitterstrukturen und topologieoptimierte Komponenten, also Bauteile, die Material nur dort einsetzen, wo es für die Tragfähigkeit nötig ist.
Dazu kombiniert das Projektteam physikalische Modelle – die den PBF-LB/M-Prozess theoretisch abbilden – mit datengetriebenen Machine-Learning-Methoden. Diese sogenannten Grey-Box-Modelle verknüpfen Simulation und experimentelle Daten, um lokale Materialeigenschaften und Ermüdungsreaktionen nahezu in Echtzeit vorherzusagen. Darüber hinaus beschreiben die Forschenden Prozessanomalien mittels datengetriebener Modelle und gleichen diese durch eine lokale Prozessadaption aus. Mit den so entstehenden reproduzierbaren Herstellungsprozessen und präzise ermittelten Werkstoffkennwerten wollen die Forschenden so den Weg in die Serienproduktion sicherheitsrelevanter Leichtbauteile ebnen.
Die Partner wollen außerdem einen effizienten Austausch komplexer Geometrien wie Gitterstrukturen zwischen unterschiedlichen Softwarekomponenten (CAD, Simulation, Datenaufbereitung) ohne Informationsverlust ermöglichen.
Vorgehen
Die Forschenden wählen Bauteile mit hohem Leichtbaupotenzial aus und verfolgen zwei Entwicklungswege. Einerseits optimieren sie Gitterstrukturen, bei denen ein inneres Netz Material spart, andererseits entwickeln sie vollsolide, topologieoptimierte Komponenten. Sie passen den PBF-LB/M-Prozess durch lokale Veränderungen der Prozessparameter an, um konstante Oberflächenqualität und kontrollierte Mikrostrukturen zu erreichen. Moderne Überwachungssysteme erfassen prozessparallel wichtige Parameter wie Laserkennwerte, Positionsdaten und Schmelzbadstrahlung. Die Forschenden entwickeln Methoden, mit denen aus diesen Daten Fehlstellen im Bauteil prädiktiert und lokale Prozessanpassungen zur Verbesserung der Homogenität und Reproduzierbarkeit des Schmelzprozesses berechnet werden.
Die Forschenden überprüfen die Bauteile außerdem durch Zug-, Druck- und zyklische Belastungen. Die gewonnenen Daten fließen in Grey-Box-Modelle ein, die physikalische Simulationen mit datenbasierten Machine-Learning-Methoden verbinden. Mit Hilfe von Computer-Aided Engineering (CAE) validiert das Team abschließend die Modelle und leitet daraus konkrete Konstruktionsrichtlinien für die Serienfertigung ab.
Die Forschenden untersuchen für Gitterstrukturen geeignete Geometrierepresentationen um daraus ein effizientes Dateiformat abzuleiten. Dieses wird in einem Industriekonsortium zur Standardisierung vorgeschlagen, um die Interoperabilität zwischen Softwareprodukten unterschiedlicher Hersteller zu ermöglichen.
Die Forschenden wählen Bauteile mit hohem Leichtbaupotenzial aus und verfolgen zwei Entwicklungswege. Einerseits optimieren sie Gitterstrukturen, bei denen ein inneres Netz Material spart, andererseits entwickeln sie vollsolide, topologieoptimierte Komponenten. Sie passen den PBF-LB/M-Prozess durch lokale Veränderungen der Prozessparameter an, um konstante Oberflächenqualität und kontrollierte Mikrostrukturen zu erreichen. Moderne Überwachungssysteme erfassen prozessparallel wichtige Parameter wie Laserkennwerte, Positionsdaten und Schmelzbadstrahlung. Die Forschenden entwickeln Methoden, mit denen aus diesen Daten Fehlstellen im Bauteil prädiktiert und lokale Prozessanpassungen zur Verbesserung der Homogenität und Reproduzierbarkeit des Schmelzprozesses berechnet werden.
Die Forschenden überprüfen die Bauteile außerdem durch Zug-, Druck- und zyklische Belastungen. Die gewonnenen Daten fließen in Grey-Box-Modelle ein, die physikalische Simulationen mit datenbasierten Machine-Learning-Methoden verbinden. Mit Hilfe von Computer-Aided Engineering (CAE) validiert das Team abschließend die Modelle und leitet daraus konkrete Konstruktionsrichtlinien für die Serienfertigung ab.
Die Forschenden untersuchen für Gitterstrukturen geeignete Geometrierepresentationen um daraus ein effizientes Dateiformat abzuleiten. Dieses wird in einem Industriekonsortium zur Standardisierung vorgeschlagen, um die Interoperabilität zwischen Softwareprodukten unterschiedlicher Hersteller zu ermöglichen.
Aerolight
Aerogele kostengünstig herstellen: innovatives System für Leichtbeton und Dämmputz
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Anorganische Aerogele)
Hintergrund
Um die Energiewende voranzutreiben und die Klimaschutzziele der EU zu erreichen, müssen Energie und Ressourcen eingespart werden. 75 Prozent aller Gebäude in der EU sind nach heutigem Standard nicht energieeffizient. Zugleich fehlen im Bereich des Bauwesens derzeit flexible, funktionale und kostengünstige Werkstoffe zur Wärmedämmung.
Aerogele sind poröse Festkörper, bei denen ein Großteil des Volumens aus Poren bestehen. Die feine Struktur des Aerogels schließt Luftmoleküle fest ein, was zu einer einzigartigen Isolationswirkung führt. Die Nanoporen im Aerogel schränken die wärmeleitenden Luftmoleküle dabei so stark in ihrer Bewegungsfreiheit ein, dass keine Energie an andere Luftmoleküle weitergegeben wird. So wird das Aerogel zum Hochleistungsisolator mit einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit, was zu einer höheren Energieeffizienz in der Nutzungsphase des damit ausgestatteten Bauwerks oder Produkts führt. Die mineralischen Dämmstoffe benötigen kein erdölbasiertes Ausgangsmaterial.
Um die Energiewende voranzutreiben und die Klimaschutzziele der EU zu erreichen, müssen Energie und Ressourcen eingespart werden. 75 Prozent aller Gebäude in der EU sind nach heutigem Standard nicht energieeffizient. Zugleich fehlen im Bereich des Bauwesens derzeit flexible, funktionale und kostengünstige Werkstoffe zur Wärmedämmung.
Aerogele sind poröse Festkörper, bei denen ein Großteil des Volumens aus Poren bestehen. Die feine Struktur des Aerogels schließt Luftmoleküle fest ein, was zu einer einzigartigen Isolationswirkung führt. Die Nanoporen im Aerogel schränken die wärmeleitenden Luftmoleküle dabei so stark in ihrer Bewegungsfreiheit ein, dass keine Energie an andere Luftmoleküle weitergegeben wird. So wird das Aerogel zum Hochleistungsisolator mit einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit, was zu einer höheren Energieeffizienz in der Nutzungsphase des damit ausgestatteten Bauwerks oder Produkts führt. Die mineralischen Dämmstoffe benötigen kein erdölbasiertes Ausgangsmaterial.
Ziel
Das Projektteam entwickelt ein innovatives und nachhaltiges System für Dämmputz und Leichtbeton, das völlig neue Möglichkeiten schafft. Ziel ist es, einen kostengünstigen Herstellungsprozess von Aerogelen sowie neue Rezepturen zu entwickeln. Aerogele sollen dadurch in verschiedenen Anwendungen im Bereich der Wärmedämmsysteme, Leichtbetone und Sandwichelemente für Fassaden und Dachelemente nutzbar gemacht werden. Die Forschenden entwickeln die bereits vorhandene Technikumsanlage für Aerogele weiter, um das Verfahren unter Berücksichtigung ökonomischer Aspekte in den industriellen Maßstab zu überführen und somit im Massenmarkt Wärmedämmung wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen.
Das Projektteam entwickelt ein innovatives und nachhaltiges System für Dämmputz und Leichtbeton, das völlig neue Möglichkeiten schafft. Ziel ist es, einen kostengünstigen Herstellungsprozess von Aerogelen sowie neue Rezepturen zu entwickeln. Aerogele sollen dadurch in verschiedenen Anwendungen im Bereich der Wärmedämmsysteme, Leichtbetone und Sandwichelemente für Fassaden und Dachelemente nutzbar gemacht werden. Die Forschenden entwickeln die bereits vorhandene Technikumsanlage für Aerogele weiter, um das Verfahren unter Berücksichtigung ökonomischer Aspekte in den industriellen Maßstab zu überführen und somit im Massenmarkt Wärmedämmung wirtschaftlich konkurrenzfähig zu machen.
Vorgehen
Die Forschenden untersuchen die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialauswahl und Produktion über die Verfahren bis hin zur Anlagenanpassung. Kernstück der Arbeiten ist die Erweiterung der bestehenden Anlage um eine weitere Pumpentechnik. Zusätzlich sind Abscheider eingeplant, die die Rückgewinnung der einzelnen Fluide, insbesondere des Lösemittels, ermöglichen, um den Prozess wirtschaftlicher zu gestalten.
Es entsteht ein neuartiges Produktionsverfahren für Aerogele, das verschiedene Produktionsschritte zusammenführt. Die Herstellungskosten werden um die Hälfte gesenkt. Die Produktion verringert sich von mehr als zehn auf nur noch vier Stunden und kommt zudem völlig ohne umweltgefährliche Chemikalien aus. Das Verfahren ist im kleinen Maßstab erfolgreich erprobt und soll im nächsten Schritt in den industriellen Maßstab überführt werden.
Die Forschenden untersuchen die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialauswahl und Produktion über die Verfahren bis hin zur Anlagenanpassung. Kernstück der Arbeiten ist die Erweiterung der bestehenden Anlage um eine weitere Pumpentechnik. Zusätzlich sind Abscheider eingeplant, die die Rückgewinnung der einzelnen Fluide, insbesondere des Lösemittels, ermöglichen, um den Prozess wirtschaftlicher zu gestalten.
Es entsteht ein neuartiges Produktionsverfahren für Aerogele, das verschiedene Produktionsschritte zusammenführt. Die Herstellungskosten werden um die Hälfte gesenkt. Die Produktion verringert sich von mehr als zehn auf nur noch vier Stunden und kommt zudem völlig ohne umweltgefährliche Chemikalien aus. Das Verfahren ist im kleinen Maßstab erfolgreich erprobt und soll im nächsten Schritt in den industriellen Maßstab überführt werden.
AFP-Shaft
Leicht und recyclingfähig: Antriebswelle aus thermoplastischem Faserverbund fertigen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
30.04.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Sonstige (FKV), Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Antriebs- und Seitenwellen übertragen die Motorkraft direkt auf die Räder. Hersteller fertigen sie bislang meist aus Stahl. Dieser ist jedoch schwer, anfällig für Korrosion und erfordert zusätzliche Lagerstellen. Als schwere Bauteile im Antriebsstrang erhöhen sie den Energiebedarf beim Fahren.
Leichtere Alternativen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind bereits im Einsatz, basieren aber auf duroplastischen Materialien, die sich kaum recyceln lassen und energieintensiv in der Herstellung sind. Auch eine durchgängig digitalisierte Fertigungssteuerung und Prozessüberwachung fehlt bislang. Hier setzt das Forschungsvorhaben AFP-Shaft an. Das Team entwickelt eine verbesserte CFK-Welle und parallel dazu eine neue, vollständig recyclingfähige Leichtbaulösung mit digitaler Prozessüberwachung.
Antriebs- und Seitenwellen übertragen die Motorkraft direkt auf die Räder. Hersteller fertigen sie bislang meist aus Stahl. Dieser ist jedoch schwer, anfällig für Korrosion und erfordert zusätzliche Lagerstellen. Als schwere Bauteile im Antriebsstrang erhöhen sie den Energiebedarf beim Fahren.
Leichtere Alternativen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind bereits im Einsatz, basieren aber auf duroplastischen Materialien, die sich kaum recyceln lassen und energieintensiv in der Herstellung sind. Auch eine durchgängig digitalisierte Fertigungssteuerung und Prozessüberwachung fehlt bislang. Hier setzt das Forschungsvorhaben AFP-Shaft an. Das Team entwickelt eine verbesserte CFK-Welle und parallel dazu eine neue, vollständig recyclingfähige Leichtbaulösung mit digitaler Prozessüberwachung.
Ziel
Die Projektpartner entwickeln eine neuartige Antriebs- und Seitenwelle aus thermoplastischem FaserKunststoff-Verbund (FKV). Ziel ist eine Gewichtseinsparung von über 65 Prozent gegenüber konventionellen Stahlwellen – bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit. Die neue Welle lässt sich stofflich vollständig recyceln. Damit wird der Materialkreislauf geschlossen.
Parallel optimiert das Projektteam bestehende duroplastische CFK-Wellen, indem es eine digital gesteuerte Prozesskette mit integrierter Sensorik entwickelt. Beide Entwicklungsstränge greifen ineinander: Die digitalen Werkzeuge zur Prozessüberwachung, Materialauslegung und Qualitätssicherung unterstützen sowohl die Weiterentwicklung als auch die Neuentwicklung.
Die Projektpartner entwickeln eine neuartige Antriebs- und Seitenwelle aus thermoplastischem FaserKunststoff-Verbund (FKV). Ziel ist eine Gewichtseinsparung von über 65 Prozent gegenüber konventionellen Stahlwellen – bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit. Die neue Welle lässt sich stofflich vollständig recyceln. Damit wird der Materialkreislauf geschlossen.
Parallel optimiert das Projektteam bestehende duroplastische CFK-Wellen, indem es eine digital gesteuerte Prozesskette mit integrierter Sensorik entwickelt. Beide Entwicklungsstränge greifen ineinander: Die digitalen Werkzeuge zur Prozessüberwachung, Materialauslegung und Qualitätssicherung unterstützen sowohl die Weiterentwicklung als auch die Neuentwicklung.
Vorgehen
Das Projektteam untersucht zunächst bestehende CFK-Wellen mit duroplastischer Matrix. Es analysiert Energieverbrauch, Materialeinsatz und Prozessqualität und entwickelt eine digitale Fertigungskette mit integriertem Sensorsystem. Dieses ermöglicht eine durchgängige Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus.
Parallel entsteht eine neue Welle aus thermoplastischem FKV, gefertigt mit der Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP). Dabei bringt eine automatisierte Anlage die Fasern schichtweise auf eine Form auf – präzise, materialsparend und ohne nachträgliche Aushärtung. Die Forschenden passen das Bauteil exakt an Belastungen wie Biegung, Torsion und Vibration an.
Ein begleitendes Life Cycle Assessment (LCA) bewertet die Umweltwirkungen über den gesamten Produktlebenszyklus. Ziel ist eine serientaugliche, recyclingfähige Leichtbaulösung für den Einsatz in der Automobilindustrie.
Das Projektteam untersucht zunächst bestehende CFK-Wellen mit duroplastischer Matrix. Es analysiert Energieverbrauch, Materialeinsatz und Prozessqualität und entwickelt eine digitale Fertigungskette mit integriertem Sensorsystem. Dieses ermöglicht eine durchgängige Qualitätskontrolle und Rückverfolgbarkeit über den gesamten Lebenszyklus.
Parallel entsteht eine neue Welle aus thermoplastischem FKV, gefertigt mit der Automated-Fiber-Placement-Technologie (AFP). Dabei bringt eine automatisierte Anlage die Fasern schichtweise auf eine Form auf – präzise, materialsparend und ohne nachträgliche Aushärtung. Die Forschenden passen das Bauteil exakt an Belastungen wie Biegung, Torsion und Vibration an.
Ein begleitendes Life Cycle Assessment (LCA) bewertet die Umweltwirkungen über den gesamten Produktlebenszyklus. Ziel ist eine serientaugliche, recyclingfähige Leichtbaulösung für den Einsatz in der Automobilindustrie.
AGRILIGHT
Gewicht von Agrarmaschinen senken: leichtes, funktionsintegriertes Carbonchassis
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Bioverbundwerkstoffe, Aramidfasern, Basaltfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, Duroplaste, Garne, Rovings, Gelege, Gewebe, Gewirke, Vliesstoffe, Matten, Aramidfaserverbundkunststoffe (AFK), Basaltfaserverstärkter Kunststoff, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Geschlossenporig
Hintergrund
Die Leistung landwirtschaftlicher Erntemaschinen ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Gleichzeitig werden die Maschinen stetig größer und schwerer, was die Hersteller vor unterschiedliche Herausforderungen stellt. Zum einen führt das hohe Gewicht zu einer stärkeren Bodenverdichtung, was die Lebensbedingungen für Bodenorganismen verschlechtert und das Wurzelwachstum sowie die Wasseraufnahme einschränkt. In der Folge sinken die Fruchtbarkeit und die Ertragskraft der Agrarflächen. Zum anderen führen die schwereren und größeren Maschinen zu Problemen beim Einhalten straßenverkehrsrechtlicher Vorschriften.
Die Leistung landwirtschaftlicher Erntemaschinen ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Gleichzeitig werden die Maschinen stetig größer und schwerer, was die Hersteller vor unterschiedliche Herausforderungen stellt. Zum einen führt das hohe Gewicht zu einer stärkeren Bodenverdichtung, was die Lebensbedingungen für Bodenorganismen verschlechtert und das Wurzelwachstum sowie die Wasseraufnahme einschränkt. In der Folge sinken die Fruchtbarkeit und die Ertragskraft der Agrarflächen. Zum anderen führen die schwereren und größeren Maschinen zu Problemen beim Einhalten straßenverkehrsrechtlicher Vorschriften.
Ziel
Durch den Einsatz innovativer Leichtbaukonzepte möchte das Team von AGRILIGHT das Gewicht der Erntemaschinen deutlich reduzieren. Sie entwickeln eine funktionsintegrierte Leichtbaustruktur aus Glasfaser- und Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, um den zentralen Stahl-Rahmen der Maschinen zu ersetzen und angrenzende Bauteile – wie etwa Tanks – in das Bauteil zu integrieren. Diese Umstellung soll den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen verringern und gleichzeitig die Bodenverdichtung minimieren. Neben der ökologischen Verbesserung möchten die Forschenden durch das verringerte Gewicht auch die verkehrsrechtliche Zulassung der Maschinen vereinfachen.
Um darüber hinaus die Montagezeiten und -kosten zu senken, entwickelt das Team neue Ansätze für Strukturhybridisierungen für die besonders belasteten Schnittstellen der Maschinen. Ziel ist es, bestehende Fügemethoden aus der Metallverarbeitung auch bei den leichten, faserverstärkten Materialien beibehalten zu können.
Durch den Einsatz innovativer Leichtbaukonzepte möchte das Team von AGRILIGHT das Gewicht der Erntemaschinen deutlich reduzieren. Sie entwickeln eine funktionsintegrierte Leichtbaustruktur aus Glasfaser- und Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen, um den zentralen Stahl-Rahmen der Maschinen zu ersetzen und angrenzende Bauteile – wie etwa Tanks – in das Bauteil zu integrieren. Diese Umstellung soll den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen verringern und gleichzeitig die Bodenverdichtung minimieren. Neben der ökologischen Verbesserung möchten die Forschenden durch das verringerte Gewicht auch die verkehrsrechtliche Zulassung der Maschinen vereinfachen.
Um darüber hinaus die Montagezeiten und -kosten zu senken, entwickelt das Team neue Ansätze für Strukturhybridisierungen für die besonders belasteten Schnittstellen der Maschinen. Ziel ist es, bestehende Fügemethoden aus der Metallverarbeitung auch bei den leichten, faserverstärkten Materialien beibehalten zu können.
Vorgehen
Zu Beginn des Projekts analysiert das Team die bisherige Stahlkonstruktion sowie die angrenzenden Funktionseinheiten der Erntemaschine. Daraufhin entwickelt es die neue funktionsintegrierte Rahmenstruktur aus faserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) und berücksichtigt dabei die spezifischen mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften dieser Materialien.
Für die Strukturhybridisierung nutzt das Team die Multi-Layer-Insert-Technologie, bei der metallische Einleger während der Fertigung in den Faserverbund integriert werden. Damit können bestehende Fügemethoden aus der Metallverarbeitung beibehalten werden und nachgelagerte Arbeitsschritte wie Bohren und Verkleben entfallen, was die Montage deutlich vereinfacht.
Am Ende des Projekts steht eine umfangreiche mechanische Prüfung der neuen Rahmenstruktur, um ihre Serientauglichkeit zu bewerten. Hierzu integriert das Team den Prototyp in einen realitätsnahen Testaufbau und testet den Rahmen auf einem speziellen Prüfstand, um reale Einsatzbedingungen zu simulieren. So stellt das Team sicher, dass die neue Struktur über die gesamte Lebensdauer der Maschine hinweg intakt bleibt.
Der entwickelte Prototyp wird auf der Hannover Messe 2024 erstmals präsentiert und zeigt eine Gewichtsreduktion von über 430 kg gegenüber der herkömmlichen Stahlrahmenkonstruktion. Das Projekt ist als Finalist für den renommierten JEC Innovation Award in der Kategorie Equipment Machinery & Heavy Industries ausgezeichnet.
Zu Beginn des Projekts analysiert das Team die bisherige Stahlkonstruktion sowie die angrenzenden Funktionseinheiten der Erntemaschine. Daraufhin entwickelt es die neue funktionsintegrierte Rahmenstruktur aus faserverstärkten Kunststoffen (GFK/CFK) und berücksichtigt dabei die spezifischen mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften dieser Materialien.
Für die Strukturhybridisierung nutzt das Team die Multi-Layer-Insert-Technologie, bei der metallische Einleger während der Fertigung in den Faserverbund integriert werden. Damit können bestehende Fügemethoden aus der Metallverarbeitung beibehalten werden und nachgelagerte Arbeitsschritte wie Bohren und Verkleben entfallen, was die Montage deutlich vereinfacht.
Am Ende des Projekts steht eine umfangreiche mechanische Prüfung der neuen Rahmenstruktur, um ihre Serientauglichkeit zu bewerten. Hierzu integriert das Team den Prototyp in einen realitätsnahen Testaufbau und testet den Rahmen auf einem speziellen Prüfstand, um reale Einsatzbedingungen zu simulieren. So stellt das Team sicher, dass die neue Struktur über die gesamte Lebensdauer der Maschine hinweg intakt bleibt.
Der entwickelte Prototyp wird auf der Hannover Messe 2024 erstmals präsentiert und zeigt eine Gewichtsreduktion von über 430 kg gegenüber der herkömmlichen Stahlrahmenkonstruktion. Das Projekt ist als Finalist für den renommierten JEC Innovation Award in der Kategorie Equipment Machinery & Heavy Industries ausgezeichnet.
AIBetOn3D
Optimale Baustoffe und -Kombinationen finden: nachhaltiger Betonbau mit KI und 3D-Druck
Förderlaufzeit:
Start
01.06.22
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Beton)
Hintergrund
Die Bauindustrie ist weltweit einer der größte Verbraucher von Rohstoffen und Energie und erzeugt große Mengen Abfälle. Auch ein großer Teil der globalen Treibhausgasemissionen entsteht beim Errichten, Abreißen und Entsorgen von Bauwerken. Insbesondere die Herstellung von Beton – einem der am häufigsten verwendeten Baustoffe – mit seinem Hauptbestandteil Zement verursacht erhebliche CO₂-Emissionen.
Die Bauindustrie ist weltweit einer der größte Verbraucher von Rohstoffen und Energie und erzeugt große Mengen Abfälle. Auch ein großer Teil der globalen Treibhausgasemissionen entsteht beim Errichten, Abreißen und Entsorgen von Bauwerken. Insbesondere die Herstellung von Beton – einem der am häufigsten verwendeten Baustoffe – mit seinem Hauptbestandteil Zement verursacht erhebliche CO₂-Emissionen.
Ziel
Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt AIBetOn3D ist es, die Umweltbelastung durch den Bausektor zu reduzieren. Hierzu stellen sie sich die übergeordnete Frage, wie 3D-Druck im Betonbau eingesetzt werden kann, um CO₂-Emissionen zu minimieren, ohne dabei die Qualität der Bauprodukte zu mindern.
Zum einen entwickeln die Forschenden Simulationsmodelle für 3D-Drucker mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI), die dabei helfen sollen, optimale Baustoffe und Baustoffkombinationen zu identifizieren, indem zuverlässige Vorhersagen zum Materialverhalten und zu CO₂-Einsparpotenzialen ermöglicht werden. Zum anderen arbeiten die Forschenden an einem innovativen 3D-Drucker für Baustoffe und der dazugehörigen Software.
Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt AIBetOn3D ist es, die Umweltbelastung durch den Bausektor zu reduzieren. Hierzu stellen sie sich die übergeordnete Frage, wie 3D-Druck im Betonbau eingesetzt werden kann, um CO₂-Emissionen zu minimieren, ohne dabei die Qualität der Bauprodukte zu mindern.
Zum einen entwickeln die Forschenden Simulationsmodelle für 3D-Drucker mit Unterstützung von Künstlicher Intelligenz (KI), die dabei helfen sollen, optimale Baustoffe und Baustoffkombinationen zu identifizieren, indem zuverlässige Vorhersagen zum Materialverhalten und zu CO₂-Einsparpotenzialen ermöglicht werden. Zum anderen arbeiten die Forschenden an einem innovativen 3D-Drucker für Baustoffe und der dazugehörigen Software.
Vorgehen
Als konkreten Anwendungsfall betrachten die Forschenden Entwässerungsrinnen und Einlaufkästen, die in verschiedenen Varianten – im 3D-Betondruck, kombinierten 3D-Druck mit Beton- und Kunststoffformen sowie tonbasierten 3D-Druck – umgesetzt werden sollen. Neben geometrischen Parametern werden auch werkstofftechnische Modifikationen untersucht.
Sie entwickeln ein Konzept für eine semantisch kausal-korrelierte Material-Fertigungsbibliothek. Die entwickelten KI-basierten Algorithmen und Modelle sind also so gestaltet, dass sie die Bedeutung der Daten verstehen, ihre Beziehungen analysieren und die kausalen Zusammenhänge erkennen und nutzen können, um präzise Vorhersagen und Optimierungen zu ermöglichen. Die Bibliothek soll Informationen zu neuartigen, additiv gefertigten Baustoffen enthalten und dient als lernendes System, um eine Optimierung hinsichtlich Bauteildimensionen, Materialzusammensetzung und CO₂-Lebenszyklusanalyse durchzuführen. Darüber hinaus überprüfen die Forschenden die Praxistauglichkeit des entwickelten Druckers und der zugehörigen Software anhand des konkreten Anwendungsfalls.
Als konkreten Anwendungsfall betrachten die Forschenden Entwässerungsrinnen und Einlaufkästen, die in verschiedenen Varianten – im 3D-Betondruck, kombinierten 3D-Druck mit Beton- und Kunststoffformen sowie tonbasierten 3D-Druck – umgesetzt werden sollen. Neben geometrischen Parametern werden auch werkstofftechnische Modifikationen untersucht.
Sie entwickeln ein Konzept für eine semantisch kausal-korrelierte Material-Fertigungsbibliothek. Die entwickelten KI-basierten Algorithmen und Modelle sind also so gestaltet, dass sie die Bedeutung der Daten verstehen, ihre Beziehungen analysieren und die kausalen Zusammenhänge erkennen und nutzen können, um präzise Vorhersagen und Optimierungen zu ermöglichen. Die Bibliothek soll Informationen zu neuartigen, additiv gefertigten Baustoffen enthalten und dient als lernendes System, um eine Optimierung hinsichtlich Bauteildimensionen, Materialzusammensetzung und CO₂-Lebenszyklusanalyse durchzuführen. Darüber hinaus überprüfen die Forschenden die Praxistauglichkeit des entwickelten Druckers und der zugehörigen Software anhand des konkreten Anwendungsfalls.
air-Kon-Matrizen
Weniger Beton durch aufblasbare Hohlkammern: Fundamentplatten effizienter gestalten
Förderlaufzeit:
Start
01.04.22
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Gewebe, Sonstige (Beton)
Hintergrund
Fundamentplatten verteilen die Last eines Bauwerks gleichmäßig auf den Untergrund. Sie bestehen meist aus massivem Stahlbeton und weisen eine konstante Plattenstärke auf. Die Lastverteilung auf einer Fundamentplatte ist jedoch inhomogen und so gibt es Fundamentbereiche, die für die Standsicherheit von untergeordneter Bedeutung sind, aber trotzdem massiv ausgestaltet sind. Das führt zu unnötigem Ressourcenverbrauch und hohen CO₂-Emissionen.
In Deckenplatten setzen Ingenieurinnen und Ingenieure seit Jahren Hohlkörper ein, um Beton gezielt nur dort zu verwenden, wo er für die Tragfähigkeit erforderlich ist. Diese Leichtbautechnik ließ sich bislang nicht auf Fundamente übertragen. Denn deren große Plattenstärke erfordern auch großvolumige Hohlkörper. Die Herstellung solcher Elemente im Spritzgussverfahren sowie deren Transport und Einbau sind unwirtschaftlich. Ein Forschungsteam schließt nun diese Lücke – mit einer praxisnahen, ressourcenschonenden Lösung speziell für Fundamentplatten.
Fundamentplatten verteilen die Last eines Bauwerks gleichmäßig auf den Untergrund. Sie bestehen meist aus massivem Stahlbeton und weisen eine konstante Plattenstärke auf. Die Lastverteilung auf einer Fundamentplatte ist jedoch inhomogen und so gibt es Fundamentbereiche, die für die Standsicherheit von untergeordneter Bedeutung sind, aber trotzdem massiv ausgestaltet sind. Das führt zu unnötigem Ressourcenverbrauch und hohen CO₂-Emissionen.
In Deckenplatten setzen Ingenieurinnen und Ingenieure seit Jahren Hohlkörper ein, um Beton gezielt nur dort zu verwenden, wo er für die Tragfähigkeit erforderlich ist. Diese Leichtbautechnik ließ sich bislang nicht auf Fundamente übertragen. Denn deren große Plattenstärke erfordern auch großvolumige Hohlkörper. Die Herstellung solcher Elemente im Spritzgussverfahren sowie deren Transport und Einbau sind unwirtschaftlich. Ein Forschungsteam schließt nun diese Lücke – mit einer praxisnahen, ressourcenschonenden Lösung speziell für Fundamentplatten.
Ziel
Im Forschungsprojekt air-Kon-Matrizen entwickelt das Projektteam aufblasbare Hohlkammermatrizen für Betonfundamente. Das Ziel: Den Betonverbrauch dort reduzieren, wo der Baustoff für die Tragfähigkeit nicht benötigt wird. Die Partner nutzen hierfür textile Hohlkörper als Betonverdrängungskörper. Diese erlauben eine flexible geometrische Gestaltung. Für jede Fundamentposition lässt sich so in Abhängigkeit des jeweiligen Belastungszustands die passende Form und Größe wählen, um das maximal mögliche Betonvolumen zu verdrängen. Die textilen Hohlkörper lassen sich platzsparend zur Baustelle transportieren und werden dort an ihrer jeweiligen Position aufgeblasen.
Die Forschenden wollen so bis zu 40 Prozent Beton einsparen – mehr als bislang in vergleichbaren Deckenanwendungen möglich ist. Gleichzeitig sinken die CO₂-Emissionen beim Bauen deutlich. Die Technik kann auf nahezu jedes Bauwerk übertragen werden.
Im Forschungsprojekt air-Kon-Matrizen entwickelt das Projektteam aufblasbare Hohlkammermatrizen für Betonfundamente. Das Ziel: Den Betonverbrauch dort reduzieren, wo der Baustoff für die Tragfähigkeit nicht benötigt wird. Die Partner nutzen hierfür textile Hohlkörper als Betonverdrängungskörper. Diese erlauben eine flexible geometrische Gestaltung. Für jede Fundamentposition lässt sich so in Abhängigkeit des jeweiligen Belastungszustands die passende Form und Größe wählen, um das maximal mögliche Betonvolumen zu verdrängen. Die textilen Hohlkörper lassen sich platzsparend zur Baustelle transportieren und werden dort an ihrer jeweiligen Position aufgeblasen.
Die Forschenden wollen so bis zu 40 Prozent Beton einsparen – mehr als bislang in vergleichbaren Deckenanwendungen möglich ist. Gleichzeitig sinken die CO₂-Emissionen beim Bauen deutlich. Die Technik kann auf nahezu jedes Bauwerk übertragen werden.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt verschiedene Hohlkörpertypen, die sich gezielt an die Belastungen in der Fundamentplatte anpassen lassen. Dafür analysieren die Forschenden typische Kombinationen aus Biegemomenten und Querkräften. Mit Hilfe der „Genetischen Programmierung“, einem Optimierungsverfahren aus der Informatik, entsteht ein digitaler Katalog optimierter Hohlkörperformen für verschiedene Belastungszustände. Basierend auf diesem Katalog entwickelt das Projektteam mittels topologischer Optimierungsverfahren ein allgemeingültiges Verfahren zur Anordnung der individuellen Hohlkammermatrizen in Fundamentplatte. So kann das Team für jedes Projekt die passenden Formen auswählen.
Die Matrizen bestehen aus technischen Textilien, lassen sich leicht transportieren, in die Schalung einbauen und direkt vor Ort aufblasen. Die Tragfähigkeit von Platten mit den neuartigen, aufblasbaren Hohlkörpern wurde im Rahmen von Bauteilversuchen und numerischen Simulationen verifiziert. Parallel digitalisieren die Projektpartner den gesamten Planungs-, Produktions- und Montageprozess für Fundamente mit Hohlkammermatrizen. Dadurch soll z.B. eine einfache Integration der neuen Hohlkörper in der Planung ermöglicht werden (BIM-Anbindung) und die Matrizen trotz individueller Geometrie wirtschaftlich in Serie gefertigt werden können.
Für den positionsgetreuen Einbau der Matrizen auf der Baustelle entwickelt das Projektteam außerdem eine App u.a. mit integrierter Montageanleitung in AR-Umgebung.
Das Projektteam entwickelt verschiedene Hohlkörpertypen, die sich gezielt an die Belastungen in der Fundamentplatte anpassen lassen. Dafür analysieren die Forschenden typische Kombinationen aus Biegemomenten und Querkräften. Mit Hilfe der „Genetischen Programmierung“, einem Optimierungsverfahren aus der Informatik, entsteht ein digitaler Katalog optimierter Hohlkörperformen für verschiedene Belastungszustände. Basierend auf diesem Katalog entwickelt das Projektteam mittels topologischer Optimierungsverfahren ein allgemeingültiges Verfahren zur Anordnung der individuellen Hohlkammermatrizen in Fundamentplatte. So kann das Team für jedes Projekt die passenden Formen auswählen.
Die Matrizen bestehen aus technischen Textilien, lassen sich leicht transportieren, in die Schalung einbauen und direkt vor Ort aufblasen. Die Tragfähigkeit von Platten mit den neuartigen, aufblasbaren Hohlkörpern wurde im Rahmen von Bauteilversuchen und numerischen Simulationen verifiziert. Parallel digitalisieren die Projektpartner den gesamten Planungs-, Produktions- und Montageprozess für Fundamente mit Hohlkammermatrizen. Dadurch soll z.B. eine einfache Integration der neuen Hohlkörper in der Planung ermöglicht werden (BIM-Anbindung) und die Matrizen trotz individueller Geometrie wirtschaftlich in Serie gefertigt werden können.
Für den positionsgetreuen Einbau der Matrizen auf der Baustelle entwickelt das Projektteam außerdem eine App u.a. mit integrierter Montageanleitung in AR-Umgebung.
ALesteK
Luftkühlung für Motorspindeln: Funktionsintegriertes Leichtbau-Gehäuse senkt Energiebedarf
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Werkzeugmaschinen sind eine zentrale Komponente im Maschinen- und Anlagenbau. Diese Anlagen verfügen über zahlreiche Antriebe und Hilfsaggregate. Eine Schlüsselkomponente ist die Motorspindel, die die Fertigungsgenauigkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen maßgeblich beeinflusst - zugleich aber einen hohen Energiebedarf aufweist. Motorspindeln mittlerer und hoher Leistungsklassen werden derzeit meist durch externe, wasserbasierte Kühlaggregate mit klassischen Wärmepumpensystemen gekühlt. Diese Systeme sind nicht nur technisch komplex und aufwendig in der Wartung, sondern zählen auch zu den größten Energieverbrauchern einer Fertigungsanlage.
Gleichzeitig wird Ressourceneffizienz zunehmend zur Voraussetzung für Wettbewerbsfähigkeit. Leichtbau und additive Fertigungstechnologien bieten vielversprechende Ansätze, um industrielle Systeme künftig energieeffizienter, ressourcenschonender und robuster zu gestalten. Sie ermöglichen nicht nur Gewichtseinsparungen, sondern auch die direkte Integration funktionaler Elemente in Bauteile – etwa innovativer Lösungen zur Wärmeabfuhr.
Werkzeugmaschinen sind eine zentrale Komponente im Maschinen- und Anlagenbau. Diese Anlagen verfügen über zahlreiche Antriebe und Hilfsaggregate. Eine Schlüsselkomponente ist die Motorspindel, die die Fertigungsgenauigkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen maßgeblich beeinflusst - zugleich aber einen hohen Energiebedarf aufweist. Motorspindeln mittlerer und hoher Leistungsklassen werden derzeit meist durch externe, wasserbasierte Kühlaggregate mit klassischen Wärmepumpensystemen gekühlt. Diese Systeme sind nicht nur technisch komplex und aufwendig in der Wartung, sondern zählen auch zu den größten Energieverbrauchern einer Fertigungsanlage.
Gleichzeitig wird Ressourceneffizienz zunehmend zur Voraussetzung für Wettbewerbsfähigkeit. Leichtbau und additive Fertigungstechnologien bieten vielversprechende Ansätze, um industrielle Systeme künftig energieeffizienter, ressourcenschonender und robuster zu gestalten. Sie ermöglichen nicht nur Gewichtseinsparungen, sondern auch die direkte Integration funktionaler Elemente in Bauteile – etwa innovativer Lösungen zur Wärmeabfuhr.
Ziel
Im Projekt ALesteK entwickelt das Forschungsteam eine neuartige Luftkühlung für leistungsstarke Motorspindeln. Hierfür nutzen sie Leichtbauprinzipien und die additive Fertigungstechnologie. Anstelle externer, energieintensiver Kühlaggregate integrieren sie die Wärmeableitung direkt in das Motorspindelgehäuse. Dies gelingt durch die Kombination wärmeleitender und isolierender Leichtmetalle, neuartiger Strukturen zur Luftführung und die gestalterische Freiheit additiver Fertigung. Ziel ist es, den Energiebedarf für die Kühlung deutlich zu senken und zugleich das Gehäusegewicht sowie die geometrischen Maße im Vergleich zu klassischen wassergekühlten Motorspindeln beizubehalten. Erste Berechnungen zeigen: Allein durch das neue Konzept und den Verzicht auf klassische Wärmepumpen könnten nahezu 70 Prozent Energie eingespart werden. Gleichzeitig soll das System höchsten Anforderungen an Stabilität, Präzision und Langlebigkeit im Hochleistungsbetrieb genügen.
Im Projekt ALesteK entwickelt das Forschungsteam eine neuartige Luftkühlung für leistungsstarke Motorspindeln. Hierfür nutzen sie Leichtbauprinzipien und die additive Fertigungstechnologie. Anstelle externer, energieintensiver Kühlaggregate integrieren sie die Wärmeableitung direkt in das Motorspindelgehäuse. Dies gelingt durch die Kombination wärmeleitender und isolierender Leichtmetalle, neuartiger Strukturen zur Luftführung und die gestalterische Freiheit additiver Fertigung. Ziel ist es, den Energiebedarf für die Kühlung deutlich zu senken und zugleich das Gehäusegewicht sowie die geometrischen Maße im Vergleich zu klassischen wassergekühlten Motorspindeln beizubehalten. Erste Berechnungen zeigen: Allein durch das neue Konzept und den Verzicht auf klassische Wärmepumpen könnten nahezu 70 Prozent Energie eingespart werden. Gleichzeitig soll das System höchsten Anforderungen an Stabilität, Präzision und Langlebigkeit im Hochleistungsbetrieb genügen.
Vorgehen
Das Team entwickelt eine funktionsintegrierte Motorspindel, deren Gehäuse zugleich als aktiver Kühlkörper dient. Gefertigt wird es aus Leichtmetall im 3D-Druck, wodurch sich komplexe Innenstrukturen realisieren lassen – etwa Kühlkanäle, Rippen und Luftkammern, die gezielt Luftströme lenken und Wärme effizient abführen.
Zur Optimierung der Wärmeverteilung setzen die Forschenden hybride Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit gezielt dort ein, wo thermische Belastungen besonders hoch sind. Gleichzeitig konstruieren sie das Bauteil so, dass es trotz geringeren Materialeinsatzes die nötige mechanische Stabilität aufweist.
Die angepasste Geometrie und ein thermisches Betriebskonzept gewährleisten eine Luftführung mit maximaler Kühlleistung. In Simulationsmodellen und Laborexperimenten validieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Funktionalität des Konzepts, bevor sie es mit einem Prototyp unter realen Bedingungen für die spätere industrielle Anwendung erproben.
Das Team entwickelt eine funktionsintegrierte Motorspindel, deren Gehäuse zugleich als aktiver Kühlkörper dient. Gefertigt wird es aus Leichtmetall im 3D-Druck, wodurch sich komplexe Innenstrukturen realisieren lassen – etwa Kühlkanäle, Rippen und Luftkammern, die gezielt Luftströme lenken und Wärme effizient abführen.
Zur Optimierung der Wärmeverteilung setzen die Forschenden hybride Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit gezielt dort ein, wo thermische Belastungen besonders hoch sind. Gleichzeitig konstruieren sie das Bauteil so, dass es trotz geringeren Materialeinsatzes die nötige mechanische Stabilität aufweist.
Die angepasste Geometrie und ein thermisches Betriebskonzept gewährleisten eine Luftführung mit maximaler Kühlleistung. In Simulationsmodellen und Laborexperimenten validieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Funktionalität des Konzepts, bevor sie es mit einem Prototyp unter realen Bedingungen für die spätere industrielle Anwendung erproben.
AluScaL
Aluminium-Legierungen für die Wasserstoffmobilität verbessern: mit Scandium
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.25
Anwendung:
Material:
Aluminium, Intermetallische Legierungen
Hintergrund
Aluminiumlegierungen sind für den Leichtbau zentral, um Komponenten im Fahrzeug-, Luft- und Schiffsverkehr noch leichter und belastbarer zu machen. Besonders gefragt sind solche Lösungen für die Wasserstoffmobilität, wo Bauteile extremen Druckverhältnissen standhalten müssen – bei gleichzeitig geringem Gewicht. Ein vielversprechender Ansatz ist die gezielte Zugabe kleiner Mengen Scandium. Dieses seltene Element erhöht die Festigkeit, Stabilität bei hohen Temperaturen und Lebensdauer der Legierung deutlich.
Bislang galt der Einsatz als zu teuer. Der Scandiumpreis war hoch, und die Versorgung konzentrierte sich auf wenige Länder. Inzwischen erschließen Unternehmen neue Vorkommen in Kanada, Australien und Europa. Effizientere Gewinnungsmethoden senken die Kosten deutlich. Damit entstehen neue Spielräume für den Einsatz von Aluminium-Scandium-(Al-Sc)-Legierungen in größerem Maßstab – etwa für Wasserstoffventile, die bislang aus Edelstahl oder herkömmlichem Aluminium gefertigt werden. Hier setzt das Projekt AluScaL an: Die Partner prüfen, wie sich diese leistungsfähigen Legierungen gezielt entwickeln und in der Industrie einsetzen lassen.
Aluminiumlegierungen sind für den Leichtbau zentral, um Komponenten im Fahrzeug-, Luft- und Schiffsverkehr noch leichter und belastbarer zu machen. Besonders gefragt sind solche Lösungen für die Wasserstoffmobilität, wo Bauteile extremen Druckverhältnissen standhalten müssen – bei gleichzeitig geringem Gewicht. Ein vielversprechender Ansatz ist die gezielte Zugabe kleiner Mengen Scandium. Dieses seltene Element erhöht die Festigkeit, Stabilität bei hohen Temperaturen und Lebensdauer der Legierung deutlich.
Bislang galt der Einsatz als zu teuer. Der Scandiumpreis war hoch, und die Versorgung konzentrierte sich auf wenige Länder. Inzwischen erschließen Unternehmen neue Vorkommen in Kanada, Australien und Europa. Effizientere Gewinnungsmethoden senken die Kosten deutlich. Damit entstehen neue Spielräume für den Einsatz von Aluminium-Scandium-(Al-Sc)-Legierungen in größerem Maßstab – etwa für Wasserstoffventile, die bislang aus Edelstahl oder herkömmlichem Aluminium gefertigt werden. Hier setzt das Projekt AluScaL an: Die Partner prüfen, wie sich diese leistungsfähigen Legierungen gezielt entwickeln und in der Industrie einsetzen lassen.
Ziel
Das Projektteam will Aluminium-Scandium-Legierungen so weiterentwickeln, dass sie sich für hochbeanspruchte Leichtbaukomponenten in der Wasserstoffmobilität eignen. Ziel ist es, Werkstoffe zu schaffen, die sich mit gängigen Verfahren verarbeiten lassen, in Serie gefertigt werden können und zugleich die mechanischen Anforderungen erfüllen. Die Forschenden untersuchen, welche Zusammensetzungen und Prozessrouten sich technisch und wirtschaftlich eignen – für das Schmieden, Strangpressen und die additive Fertigung.
Damit schließen sie eine Lücke zwischen Materialforschung und industrieller Umsetzung. Bisher fehlten belastbare Daten zu Eigenschaften, Herstellbarkeit und Langzeitverhalten unter Wasserstoffeinfluss. Das Projekt liefert diese Daten und überträgt sie in konkrete Anwendungen. So entsteht die Grundlage für den Serieneinsatz neuer Leichtbauwerkstoffe, die Gewicht, Kosten und Emissionen reduzieren – und gleichzeitig höhere Bauteilanforderungen erfüllen als bisherige Aluminiumlegierungen.
Das Projektteam will Aluminium-Scandium-Legierungen so weiterentwickeln, dass sie sich für hochbeanspruchte Leichtbaukomponenten in der Wasserstoffmobilität eignen. Ziel ist es, Werkstoffe zu schaffen, die sich mit gängigen Verfahren verarbeiten lassen, in Serie gefertigt werden können und zugleich die mechanischen Anforderungen erfüllen. Die Forschenden untersuchen, welche Zusammensetzungen und Prozessrouten sich technisch und wirtschaftlich eignen – für das Schmieden, Strangpressen und die additive Fertigung.
Damit schließen sie eine Lücke zwischen Materialforschung und industrieller Umsetzung. Bisher fehlten belastbare Daten zu Eigenschaften, Herstellbarkeit und Langzeitverhalten unter Wasserstoffeinfluss. Das Projekt liefert diese Daten und überträgt sie in konkrete Anwendungen. So entsteht die Grundlage für den Serieneinsatz neuer Leichtbauwerkstoffe, die Gewicht, Kosten und Emissionen reduzieren – und gleichzeitig höhere Bauteilanforderungen erfüllen als bisherige Aluminiumlegierungen.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt neue Aluminium-Scandium-Legierungen, die sich für das Schmieden, Strangpressen und die additive Fertigung eignen. Die Forschenden variieren Scandiumgehalte, untersuchen das Umformverhalten und optimieren die Wärmebehandlungen. Im Zentrum steht ein Wasserstoffventil für Hochdruckspeicher – eine sicherheitsrelevante Komponente, die bisher aus Edelstahl oder Standard-Aluminium gefertigt wird. Dieses Bauteil stellt das Team in verschiedenen Varianten her und überprüft es unter mechanischer Belastung.
Die gewonnenen Daten fließen in Simulationsmodelle ein, um Bauteile und Fertigungsprozesse digital abbilden und weiterentwickeln zu können. Parallel bewerten die Forschenden neue Rohstoffquellen – etwa Nebenprodukte aus der Titanoxidproduktion – und prüfen deren Einbindung in eine industrielle Lieferkette.
Das Projektteam entwickelt neue Aluminium-Scandium-Legierungen, die sich für das Schmieden, Strangpressen und die additive Fertigung eignen. Die Forschenden variieren Scandiumgehalte, untersuchen das Umformverhalten und optimieren die Wärmebehandlungen. Im Zentrum steht ein Wasserstoffventil für Hochdruckspeicher – eine sicherheitsrelevante Komponente, die bisher aus Edelstahl oder Standard-Aluminium gefertigt wird. Dieses Bauteil stellt das Team in verschiedenen Varianten her und überprüft es unter mechanischer Belastung.
Die gewonnenen Daten fließen in Simulationsmodelle ein, um Bauteile und Fertigungsprozesse digital abbilden und weiterentwickeln zu können. Parallel bewerten die Forschenden neue Rohstoffquellen – etwa Nebenprodukte aus der Titanoxidproduktion – und prüfen deren Einbindung in eine industrielle Lieferkette.
AnoWaAS
Optimierte Wagenkästen für alternative Antriebe: Leichtbau für klimaschonende Züge nutzen
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Der Verkehrssektor gehört zu den größten Verursachern von CO₂-Emissionen. Während elektrifizierte Bahnstrecken bereits klimafreundliche Alternativen zum Straßenverkehr bieten, werden viele Nebenstrecken weiterhin mit Diesel betrieben, da die notwendige Infrastruktur, wie Oberleitungen, fehlt und oft nicht wirtschaftlich umsetzbar ist.
Alternative Antriebe wie Batterien oder Brennstoffzellen bieten zwar eine emissionsarme Lösung, bringen jedoch neue Herausforderungen mit sich: Bestehende Fahrzeugstrukturen sind nicht für die Integration dieser Technologien optimiert. Zusätzliche Batterien oder Wasserstofftanks beanspruchen entweder zusätzlichen Bauraum, erhöhen das Gewicht oder bewirken beides. In der Folge steigt die strukturelle Masse des Fahrzeugs oder es steht weniger Raum für Nutzlast zur Verfügung. Beides wirkt sich negativ auf die Effizienz aus: Das Fahrzeug verbraucht mehr Energie pro Kilometer – unabhängig davon, wie viel tatsächlich transportiert wird. Ohne eine gezielte Anpassung der Fahrzeugstrukturen bleiben das Potenzial zur Gewichtsreduktion und die Vorteile des Leichtbaus weitgehend ungenutzt. Durch gezielte Optimierungen und Leichtbauansätze kann das Gewicht reduziert beziehungsweise der Bauraum erhöht werden. Hier setzt das Projekt AnoWaAS an.
Der Verkehrssektor gehört zu den größten Verursachern von CO₂-Emissionen. Während elektrifizierte Bahnstrecken bereits klimafreundliche Alternativen zum Straßenverkehr bieten, werden viele Nebenstrecken weiterhin mit Diesel betrieben, da die notwendige Infrastruktur, wie Oberleitungen, fehlt und oft nicht wirtschaftlich umsetzbar ist.
Alternative Antriebe wie Batterien oder Brennstoffzellen bieten zwar eine emissionsarme Lösung, bringen jedoch neue Herausforderungen mit sich: Bestehende Fahrzeugstrukturen sind nicht für die Integration dieser Technologien optimiert. Zusätzliche Batterien oder Wasserstofftanks beanspruchen entweder zusätzlichen Bauraum, erhöhen das Gewicht oder bewirken beides. In der Folge steigt die strukturelle Masse des Fahrzeugs oder es steht weniger Raum für Nutzlast zur Verfügung. Beides wirkt sich negativ auf die Effizienz aus: Das Fahrzeug verbraucht mehr Energie pro Kilometer – unabhängig davon, wie viel tatsächlich transportiert wird. Ohne eine gezielte Anpassung der Fahrzeugstrukturen bleiben das Potenzial zur Gewichtsreduktion und die Vorteile des Leichtbaus weitgehend ungenutzt. Durch gezielte Optimierungen und Leichtbauansätze kann das Gewicht reduziert beziehungsweise der Bauraum erhöht werden. Hier setzt das Projekt AnoWaAS an.
Ziel
Das Projektteam hat das Ziel, eine neue Generation von Wagenkästen für Schienenfahrzeuge mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb zu entwickeln, die optimal auf die Anforderungen der alternativen Antriebe ausgerichtet sind. Anstatt bestehende Strukturen lediglich anzupassen, setzen die Forschenden auf eine vollständige Neugestaltung: Ein modularer Leichtbau-Wagenkasten soll Bauraum und Lastverteilung so optimieren, dass alternative Antriebe samt ihrer Einbindung in die Fahrzeugstruktur integriert werden können. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren, die Energieeffizienz zu steigern und gleichzeitig Kostenneutralität gegenüber herkömmlichen Konstruktionen zu gewährleisten.
Neben dem Schienenverkehr sollen Synergien zur Nutzfahrzeugbranche ausgeschöpft werden, um das Konzept auf weitere Mobilitätsanwendungen zu übertragen. Nachhaltigkeit spielt eine zentrale Rolle: Der Wagenkasten soll ressourcenschonend konstruiert, aus recycelbaren Materialien gefertigt und auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sein. Die Forschenden setzen auf innovative Fügetechniken, die Materialeinsatz und Fertigungsaufwand minimieren.
Das Projektteam hat das Ziel, eine neue Generation von Wagenkästen für Schienenfahrzeuge mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb zu entwickeln, die optimal auf die Anforderungen der alternativen Antriebe ausgerichtet sind. Anstatt bestehende Strukturen lediglich anzupassen, setzen die Forschenden auf eine vollständige Neugestaltung: Ein modularer Leichtbau-Wagenkasten soll Bauraum und Lastverteilung so optimieren, dass alternative Antriebe samt ihrer Einbindung in die Fahrzeugstruktur integriert werden können. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren, die Energieeffizienz zu steigern und gleichzeitig Kostenneutralität gegenüber herkömmlichen Konstruktionen zu gewährleisten.
Neben dem Schienenverkehr sollen Synergien zur Nutzfahrzeugbranche ausgeschöpft werden, um das Konzept auf weitere Mobilitätsanwendungen zu übertragen. Nachhaltigkeit spielt eine zentrale Rolle: Der Wagenkasten soll ressourcenschonend konstruiert, aus recycelbaren Materialien gefertigt und auf eine lange Lebensdauer ausgelegt sein. Die Forschenden setzen auf innovative Fügetechniken, die Materialeinsatz und Fertigungsaufwand minimieren.
Vorgehen
Das Team betrachtet die gesamte Entwicklungskette. Zunächst untersucht es verschiedene Packaging-Ansätze für Batterie- und Wasserstoffsysteme und analysiert, wie sich Energiespeicher optimal in die Tragstruktur integrieren lassen, um Bauraum effizient zu nutzen und die Fahrzeugmasse gleichmäßig zu verteilen. Dazu analysieren die Forschenden theoretische Topologieoptimierungen und überführen sie in praxistaugliche Bauweisen, um das Potenzial aufzuzeigen.
Parallel dazu entwickeln sie ein neuartiges Wagenkastenkonzept: Statt ausschließlich konventioneller Aluminium-Strangpressprofile kommen unter anderem leichtere Sandwichmaterialien beziehungsweise angepasste Bauweisen entsprechend der identifizierten Belastungen zum Einsatz. Dadurch wird die strukturelle Festigkeit mit geringem Gewicht verbunden. Die theoretischen Überlegungen validieren sie anschließend in einem fertigbaren und zulassungsfähigen Gesamtfahrzeug. Mit modernen Fügeverfahren wie dem Rührreibschweißen ermöglichen sie dabei eine stabile und zugleich materialeffiziente Konstruktion. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung struktureller Schnittstellen zwischen Antriebskomponenten und Wagenkasten.
Am Ende des Projekts entwickeln die Forschenden einen Prototyp, der das Potenzial der neuen Bauweisen demonstriert. Mit einer ökologischen und wirtschaftlichen Bewertung stellen sie sicher, dass die entwickelten Lösungen auch in der Praxis nachhaltig und wirtschaftlich sinnvoll sind.
Das Team betrachtet die gesamte Entwicklungskette. Zunächst untersucht es verschiedene Packaging-Ansätze für Batterie- und Wasserstoffsysteme und analysiert, wie sich Energiespeicher optimal in die Tragstruktur integrieren lassen, um Bauraum effizient zu nutzen und die Fahrzeugmasse gleichmäßig zu verteilen. Dazu analysieren die Forschenden theoretische Topologieoptimierungen und überführen sie in praxistaugliche Bauweisen, um das Potenzial aufzuzeigen.
Parallel dazu entwickeln sie ein neuartiges Wagenkastenkonzept: Statt ausschließlich konventioneller Aluminium-Strangpressprofile kommen unter anderem leichtere Sandwichmaterialien beziehungsweise angepasste Bauweisen entsprechend der identifizierten Belastungen zum Einsatz. Dadurch wird die strukturelle Festigkeit mit geringem Gewicht verbunden. Die theoretischen Überlegungen validieren sie anschließend in einem fertigbaren und zulassungsfähigen Gesamtfahrzeug. Mit modernen Fügeverfahren wie dem Rührreibschweißen ermöglichen sie dabei eine stabile und zugleich materialeffiziente Konstruktion. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung struktureller Schnittstellen zwischen Antriebskomponenten und Wagenkasten.
Am Ende des Projekts entwickeln die Forschenden einen Prototyp, der das Potenzial der neuen Bauweisen demonstriert. Mit einer ökologischen und wirtschaftlichen Bewertung stellen sie sicher, dass die entwickelten Lösungen auch in der Praxis nachhaltig und wirtschaftlich sinnvoll sind.
AntiStatic
Antistatische Rohre für die Luftfahrt: Verbundwerkstoffe ersetzen Metall
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Sonstige (Antistatische Werkstoffe), Geflechte, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
In der Luftfahrt sind Leitungssysteme für Kraftstoff, Hydraulik und Belüftung essenziell. Derzeit werden sie meist aus Metall gefertigt, was zu einem hohen Gewicht und einer eingeschränkten Designfreiheit führt. Verbundwerkstoffe bieten hier großes Potenzial: Sie sind leichter, korrosionsbeständig und ermöglichen eine höhere Gestaltungsfreiheit.
Allerdings erfüllen sie bislang nicht alle Anforderungen, insbesondere in Hinblick auf elektrische Leitfähigkeit und die wirtschaftliche Herstellung komplexer Rohrgeometrien. Bisherige Lösungen stoßen an ihre Grenzen, wenn es um die Kombination aus Funktionalität, Sicherheit und Effizienz geht. Hier setzt das Forschungsprojekt AntiStatic an und sucht nach einer neuen technologischen Lösung.
In der Luftfahrt sind Leitungssysteme für Kraftstoff, Hydraulik und Belüftung essenziell. Derzeit werden sie meist aus Metall gefertigt, was zu einem hohen Gewicht und einer eingeschränkten Designfreiheit führt. Verbundwerkstoffe bieten hier großes Potenzial: Sie sind leichter, korrosionsbeständig und ermöglichen eine höhere Gestaltungsfreiheit.
Allerdings erfüllen sie bislang nicht alle Anforderungen, insbesondere in Hinblick auf elektrische Leitfähigkeit und die wirtschaftliche Herstellung komplexer Rohrgeometrien. Bisherige Lösungen stoßen an ihre Grenzen, wenn es um die Kombination aus Funktionalität, Sicherheit und Effizienz geht. Hier setzt das Forschungsprojekt AntiStatic an und sucht nach einer neuen technologischen Lösung.
Ziel
Das Projektteam will antistatische Leitungssysteme aus Verbundwerkstoffen entwickeln, die herkömmliche Metallrohre ersetzen können. Die Innovation liegt in der Kombination von geringem Gewicht, hoher mechanischer Stabilität und elektrischer Leitfähigkeit. Die Rohre sollen sowohl gerade als auch gebogene Abschnitte umfassen und dabei spezifische Anforderungen der Luftfahrtindustrie erfüllen.
Im Fokus stehen eine ressourcenschonende Fertigung und ein modulares Design des Rohrleitungssystems. Durch den Einsatz dieser Technologie könnten Gewichtseinsparungen von bis zu 50 Prozent erzielt und damit der CO₂-Ausstoß in der Luftfahrt erheblich reduziert werden.
Das Projektteam will antistatische Leitungssysteme aus Verbundwerkstoffen entwickeln, die herkömmliche Metallrohre ersetzen können. Die Innovation liegt in der Kombination von geringem Gewicht, hoher mechanischer Stabilität und elektrischer Leitfähigkeit. Die Rohre sollen sowohl gerade als auch gebogene Abschnitte umfassen und dabei spezifische Anforderungen der Luftfahrtindustrie erfüllen.
Im Fokus stehen eine ressourcenschonende Fertigung und ein modulares Design des Rohrleitungssystems. Durch den Einsatz dieser Technologie könnten Gewichtseinsparungen von bis zu 50 Prozent erzielt und damit der CO₂-Ausstoß in der Luftfahrt erheblich reduziert werden.
Vorgehen
Das Projektteam hat die Fertigungsverfahren Flecht-Pultrusion und Flecht-RTM (Resin Transfer Moulding) kombiniert. Mit der Flecht-Pultrusion werden gerade Rohre produziert, die durch kontinuierliche Fertigung besonders stabil und leicht sind. Für gebogene Rohrabschnitte kommt das Flecht-RTM-Verfahren zum Einsatz, das die Herstellung komplexer Geometrien erlaubt.
Außerdem haben die Forschenden ein Harzsystem entwickelt, das mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) gefüllt ist. Dieses verleiht den Bauteilen ihre antistatischen Eigenschaften, ohne die mechanischen Merkmale zu beeinträchtigen. Mit einem modularen Fügeprozess hat das Team die einzelnen Rohrsegmente dann miteinander verbunden. Mit einem Demonstrator belegen die Forschenden nun die Praxistauglichkeit und Effizienz der entwickelten Technologie.
Das Projektteam hat die Fertigungsverfahren Flecht-Pultrusion und Flecht-RTM (Resin Transfer Moulding) kombiniert. Mit der Flecht-Pultrusion werden gerade Rohre produziert, die durch kontinuierliche Fertigung besonders stabil und leicht sind. Für gebogene Rohrabschnitte kommt das Flecht-RTM-Verfahren zum Einsatz, das die Herstellung komplexer Geometrien erlaubt.
Außerdem haben die Forschenden ein Harzsystem entwickelt, das mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) gefüllt ist. Dieses verleiht den Bauteilen ihre antistatischen Eigenschaften, ohne die mechanischen Merkmale zu beeinträchtigen. Mit einem modularen Fügeprozess hat das Team die einzelnen Rohrsegmente dann miteinander verbunden. Mit einem Demonstrator belegen die Forschenden nun die Praxistauglichkeit und Effizienz der entwickelten Technologie.
APART
Sandwichbauteile automatisiert fertigen: Roboter steigern Effizienz und Nachhaltigkeit
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Holz, Aramidfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Duroplaste, Geflechte, Gelege, Gewebe, Aramidfaserverbundkunststoffe (AFK), Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Sonstige (Sandwich), Offenporig
Hintergrund
Composite-Sandwichstrukturen sind aus mehreren Materialien mit verschiedenen Eigenschaften zusammengesetzte Bauteile. Durch die Kombination aus einer starken Innenlage, einem leichten Stützstoff und einer äußeren Schicht sind sie stärker als die einzelnen Materialien und bieten hohe Festigkeiten bei geringem Gewicht.
Bisher ist das Herstellen dieser Sandwichstrukturen jedoch aufwendig und erfordert viel Handarbeit, weshalb die Sandwichbauweise vor allem für Prototypen und Kleinserien genutzt wird. Um die Nutzung von Composite-Sandwichstrukturen auf weitere Anwendungsbereiche auszuweiten, muss die Produktion der Bauteile stärker automatisiert werden.
Composite-Sandwichstrukturen sind aus mehreren Materialien mit verschiedenen Eigenschaften zusammengesetzte Bauteile. Durch die Kombination aus einer starken Innenlage, einem leichten Stützstoff und einer äußeren Schicht sind sie stärker als die einzelnen Materialien und bieten hohe Festigkeiten bei geringem Gewicht.
Bisher ist das Herstellen dieser Sandwichstrukturen jedoch aufwendig und erfordert viel Handarbeit, weshalb die Sandwichbauweise vor allem für Prototypen und Kleinserien genutzt wird. Um die Nutzung von Composite-Sandwichstrukturen auf weitere Anwendungsbereiche auszuweiten, muss die Produktion der Bauteile stärker automatisiert werden.
Ziel
Im Projekt APART entwickeln die Projektpartner eine vollautomatische Produktionsanlage für hochfeste und leichte Sandwichbauteile. Besonders an der Anlage ist die Verwendung nachwachsender Rohstoffe wie Kiribaum oder Sisal für die Stützschicht. Damit will das Team ein CO₂-reduzierendes, nachhaltiges Verfahren schaffen, das sich für die Serienproduktion von Composite-Sandwichstrukturen eignet.
Neben der deutlich verkürzten Herstellungszeit der Bauteile, soll die Automatisierung auch die Produktionsqualität steigern und Ausschuss verringern. Dies erhöht nicht nur die Effizienz in der Fertigung, sondern fördert auch den Leichtbau in Bereichen, in denen die Sandwichbauweise bisher aufgrund des hohen manuellen Aufwands nicht eingesetzt werden konnte .
Im Projekt APART entwickeln die Projektpartner eine vollautomatische Produktionsanlage für hochfeste und leichte Sandwichbauteile. Besonders an der Anlage ist die Verwendung nachwachsender Rohstoffe wie Kiribaum oder Sisal für die Stützschicht. Damit will das Team ein CO₂-reduzierendes, nachhaltiges Verfahren schaffen, das sich für die Serienproduktion von Composite-Sandwichstrukturen eignet.
Neben der deutlich verkürzten Herstellungszeit der Bauteile, soll die Automatisierung auch die Produktionsqualität steigern und Ausschuss verringern. Dies erhöht nicht nur die Effizienz in der Fertigung, sondern fördert auch den Leichtbau in Bereichen, in denen die Sandwichbauweise bisher aufgrund des hohen manuellen Aufwands nicht eingesetzt werden konnte .
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln eine Roboteranlage, die mehrere Schritte der Sandwichherstellung automatisiert, darunter das Schneiden, Zuführen und Legen der Bio-Chips für die Stützschicht. Die Bio-Chips werden in unterschiedlichen Formen und Größen beispielsweise aus Balsa, Kiriholz oder Sisalfasern in Kombination mit einem Bio-Kleber hergestellt. Eine Vier-Achs-Portalanlage, ausgestattet mit Sensoren zur Bildverarbeitung und Ultraschalltechnik, übernimmt die präzise Platzierung der Bio-Chips. Dabei erkennt die Portalanlage inhomogene Bio-Chips, und sortiert fehlerhafte Stücke aus, um die Qualität und Festigkeit zu optimieren.
Um die Praxistauglichkeit der Anlage zu prüfen, testen die Projektpartner die Technologie in den Anwendungsfeldern Vakuum- und Heißpressen und bringen die Ergebnisse in die Feinabstimmung des Verfahrens ein. Durch die so mögliche Optimierung der Produktionsschritte entwickeln sie eine für die Serienfertigung taugliche Technologie.
Die Forschenden entwickeln eine Roboteranlage, die mehrere Schritte der Sandwichherstellung automatisiert, darunter das Schneiden, Zuführen und Legen der Bio-Chips für die Stützschicht. Die Bio-Chips werden in unterschiedlichen Formen und Größen beispielsweise aus Balsa, Kiriholz oder Sisalfasern in Kombination mit einem Bio-Kleber hergestellt. Eine Vier-Achs-Portalanlage, ausgestattet mit Sensoren zur Bildverarbeitung und Ultraschalltechnik, übernimmt die präzise Platzierung der Bio-Chips. Dabei erkennt die Portalanlage inhomogene Bio-Chips, und sortiert fehlerhafte Stücke aus, um die Qualität und Festigkeit zu optimieren.
Um die Praxistauglichkeit der Anlage zu prüfen, testen die Projektpartner die Technologie in den Anwendungsfeldern Vakuum- und Heißpressen und bringen die Ergebnisse in die Feinabstimmung des Verfahrens ein. Durch die so mögliche Optimierung der Produktionsschritte entwickeln sie eine für die Serienfertigung taugliche Technologie.
ATREA
Leichte und schnelldrehende E-Motoren effizient fertigen: mit Kupferdruckguss und 3D-Druck
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Rotoren mit 3D-Strukturen und einer Leitfähigkeit > 56 MS/m), Sonstige (Kupfer sowie Kupferlegierungen | Nickellegierung Inconel 718)
Hintergrund
Elektrofahrzeuge stehen vor der Herausforderung, möglichst energieeffizient, ressourcenschonend und leistungsstark zu sein. Besonders herausfordernd ist dabei die Antriebstechnik. Bislang dominieren Maschinen mit Permanentmagneten – doch deren Abhängigkeit von Seltenen Erden ist ökologisch und geopolitisch problematisch. Asynchronmaschinen (ASM) gelten als robuste und kostengünstige Alternative, doch bei hohen Drehzahlen stoßen sie schnell an technische Grenzen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Leistung und Ressourceneffizienz. Genau hier setzt das Projekt ATREA an. Ziel ist es, elektrische Antriebe zukunftsfähig zu machen – mit neuen Konstruktionsansätzen und modernen Fertigungstechnologien.
Elektrofahrzeuge stehen vor der Herausforderung, möglichst energieeffizient, ressourcenschonend und leistungsstark zu sein. Besonders herausfordernd ist dabei die Antriebstechnik. Bislang dominieren Maschinen mit Permanentmagneten – doch deren Abhängigkeit von Seltenen Erden ist ökologisch und geopolitisch problematisch. Asynchronmaschinen (ASM) gelten als robuste und kostengünstige Alternative, doch bei hohen Drehzahlen stoßen sie schnell an technische Grenzen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Leistung und Ressourceneffizienz. Genau hier setzt das Projekt ATREA an. Ziel ist es, elektrische Antriebe zukunftsfähig zu machen – mit neuen Konstruktionsansätzen und modernen Fertigungstechnologien.
Ziel
Die Forschenden wollen Asynchronmaschinen für den Einsatz in Hochdrehzahlantrieben – etwa in Elektroautos – weiterentwickeln und so das volle Potenzial für die Elektromobilität ökologisch sinnvoll erschließen. Dafür kombinieren sie zwei Schlüsseltechnologien. Zum einen die additive Fertigung mechanisch belastbarer 3D-Tragstrukturen. Zum anderen den Kupferdruckguss für Rotorläufer – also den drehenden Teil des Elektromotors, in dem der Strom zur Bewegung erzeugt wird. Diese Verbindung soll zu einer neuen Generation leichter, effizienter und nachhaltiger Elektromotoren führen. Im Fokus steht nicht nur die Erhöhung der Leistungsdichte – also mehr Kraft bei weniger Masse – sondern auch die Reduktion der Materialkosten und der Verzicht auf kritische Rohstoffe wie Seltene Erden. Das Projektteam möchte zeigen, dass Asynchronmaschinen mit Kupferrotoren eine Alternative zu heutigen Standardantrieben darstellen. Durch die Kombination innovativer Materialien, angepasster Designs und neuer Fertigungswege streben die Forschenden eine serienreife Lösung an.
Die Forschenden wollen Asynchronmaschinen für den Einsatz in Hochdrehzahlantrieben – etwa in Elektroautos – weiterentwickeln und so das volle Potenzial für die Elektromobilität ökologisch sinnvoll erschließen. Dafür kombinieren sie zwei Schlüsseltechnologien. Zum einen die additive Fertigung mechanisch belastbarer 3D-Tragstrukturen. Zum anderen den Kupferdruckguss für Rotorläufer – also den drehenden Teil des Elektromotors, in dem der Strom zur Bewegung erzeugt wird. Diese Verbindung soll zu einer neuen Generation leichter, effizienter und nachhaltiger Elektromotoren führen. Im Fokus steht nicht nur die Erhöhung der Leistungsdichte – also mehr Kraft bei weniger Masse – sondern auch die Reduktion der Materialkosten und der Verzicht auf kritische Rohstoffe wie Seltene Erden. Das Projektteam möchte zeigen, dass Asynchronmaschinen mit Kupferrotoren eine Alternative zu heutigen Standardantrieben darstellen. Durch die Kombination innovativer Materialien, angepasster Designs und neuer Fertigungswege streben die Forschenden eine serienreife Lösung an.
Vorgehen
Zum einen verstärken die Forschenden die mechanisch besonders beanspruchten Bereiche der Asynchronmaschine – etwa die Rotorringe – durch additiv gefertigte Strukturen. Diese Strukturen müssen nicht nur hohen Fliehkräften bei Drehzahlen über 21.000 Umdrehungen pro Minute standhalten, sondern auch elektromagnetisch und thermisch optimal gestaltet sein. Zum anderen entwickeln sie das Kupferdruckgussverfahren weiter, damit es sich präzise mit den additiven Bauteilen kombinieren lässt. Dabei stehen Fragen nach dem optimalen Formendesign, dem Verhalten des Materials beim Erstarren und den prozesstechnischen Anforderungen im Fokus. In zahlreichen Tests erprobt das Team verschiedene Materialkombinationen und bewertet diese mithilfe von Simulationen. Die Ergebnisse fließen in optimierte Bauformen und neuartige Fertigungsprozesse ein.
Zum einen verstärken die Forschenden die mechanisch besonders beanspruchten Bereiche der Asynchronmaschine – etwa die Rotorringe – durch additiv gefertigte Strukturen. Diese Strukturen müssen nicht nur hohen Fliehkräften bei Drehzahlen über 21.000 Umdrehungen pro Minute standhalten, sondern auch elektromagnetisch und thermisch optimal gestaltet sein. Zum anderen entwickeln sie das Kupferdruckgussverfahren weiter, damit es sich präzise mit den additiven Bauteilen kombinieren lässt. Dabei stehen Fragen nach dem optimalen Formendesign, dem Verhalten des Materials beim Erstarren und den prozesstechnischen Anforderungen im Fokus. In zahlreichen Tests erprobt das Team verschiedene Materialkombinationen und bewertet diese mithilfe von Simulationen. Die Ergebnisse fließen in optimierte Bauformen und neuartige Fertigungsprozesse ein.
BambusFAB
Bambusrohr industriell verarbeiten: Digitalisierte Prozesskette ermöglicht Serienfertigung
Förderlaufzeit:
Start
01.06.22
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Bambus), Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Bambus hat großes Potenzial als nachhaltiger Werkstoff im Leichtbau: Er ist leicht, zug- und biegefest, wächst schnell und bindet CO₂. Doch in industriellen Anwendungen bleibt er bislang die Ausnahme. Grund dafür ist seine natürliche Variabilität – Bambusrohre unterscheiden sich deutlich in Geometrie und Materialverhalten.
Für die Fertigung bedeutet das: Jede Verbindung muss individuell angepasst werden. Die Bearbeitung erfolgt meist manuell, mit hohem Zeit- und Arbeitsaufwand. Eine prozesssichere Serienproduktion ist damit nicht möglich. Es fehlen automatisierbare Fügetechnologien ebenso wie zerstörungsfreie Prüfverfahren, die eine zuverlässige Qualitätssicherung erlauben. Bis heute lassen sich Bambusrohre daher kaum wirtschaftlich in tragende Strukturen integrieren – trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften für den Leichtbau.
Bambus hat großes Potenzial als nachhaltiger Werkstoff im Leichtbau: Er ist leicht, zug- und biegefest, wächst schnell und bindet CO₂. Doch in industriellen Anwendungen bleibt er bislang die Ausnahme. Grund dafür ist seine natürliche Variabilität – Bambusrohre unterscheiden sich deutlich in Geometrie und Materialverhalten.
Für die Fertigung bedeutet das: Jede Verbindung muss individuell angepasst werden. Die Bearbeitung erfolgt meist manuell, mit hohem Zeit- und Arbeitsaufwand. Eine prozesssichere Serienproduktion ist damit nicht möglich. Es fehlen automatisierbare Fügetechnologien ebenso wie zerstörungsfreie Prüfverfahren, die eine zuverlässige Qualitätssicherung erlauben. Bis heute lassen sich Bambusrohre daher kaum wirtschaftlich in tragende Strukturen integrieren – trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften für den Leichtbau.
Ziel
Im Forschungsprojekt BambusFAB entwickelt das Team eine automatisierte Prozesskette zur industriellen Verarbeitung von Bambusrohr. Ihr Ziel: das Naturmaterial reproduzierbar, effizient und serienfähig für den Leichtbau nutzbar zu machen. Dafür automatisieren und digitalisieren die Forschenden alle wesentlichen Fertigungsschritte – von der geometrischen Erfassung bis zur strukturellen Verbindung. Sie schaffen die Voraussetzungen für präzise, belastbare Konstruktionen und eine durchgängige Qualitätssicherung.
Gleichzeitig entwickeln sie Fügetechnologien, die den natürlichen Geometrie- und Materialeigenschaften gerecht werden. Der Fertigungsaufwand wird gesenkt, Montagezeiten reduziert und eine wirtschaftliche Produktion ermöglicht.
So können energieintensive Materialien wie Aluminium oder kohlefaserverstärkter Kunststoff durch Bambusrohr ersetzt werden. Das verringert den Ressourcenverbrauch und die damit verbundenen Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Die Fertigung wird nicht nur ökologisch tragfähiger, sondern auch unabhängiger von kritischen Importen. Die Pilotanwendungen – Fahrradrahmen und Kinderwagengestelle aus Bambusrohr – demonstrieren das technische und wirtschaftliche Potenzial. Perspektivisch eröffnen sich Einsatzmöglichkeiten in weiteren Bereichen wie Mikromobilität, Möbelbau, Messebau oder im Bausektor.
Im Forschungsprojekt BambusFAB entwickelt das Team eine automatisierte Prozesskette zur industriellen Verarbeitung von Bambusrohr. Ihr Ziel: das Naturmaterial reproduzierbar, effizient und serienfähig für den Leichtbau nutzbar zu machen. Dafür automatisieren und digitalisieren die Forschenden alle wesentlichen Fertigungsschritte – von der geometrischen Erfassung bis zur strukturellen Verbindung. Sie schaffen die Voraussetzungen für präzise, belastbare Konstruktionen und eine durchgängige Qualitätssicherung.
Gleichzeitig entwickeln sie Fügetechnologien, die den natürlichen Geometrie- und Materialeigenschaften gerecht werden. Der Fertigungsaufwand wird gesenkt, Montagezeiten reduziert und eine wirtschaftliche Produktion ermöglicht.
So können energieintensive Materialien wie Aluminium oder kohlefaserverstärkter Kunststoff durch Bambusrohr ersetzt werden. Das verringert den Ressourcenverbrauch und die damit verbundenen Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Die Fertigung wird nicht nur ökologisch tragfähiger, sondern auch unabhängiger von kritischen Importen. Die Pilotanwendungen – Fahrradrahmen und Kinderwagengestelle aus Bambusrohr – demonstrieren das technische und wirtschaftliche Potenzial. Perspektivisch eröffnen sich Einsatzmöglichkeiten in weiteren Bereichen wie Mikromobilität, Möbelbau, Messebau oder im Bausektor.
Vorgehen
Die Projektpartner richten eine fünfstufige Fertigungslinie ein, um Bambusrohr automatisiert zu verarbeiten. In der ersten Station vermessen sie jedes Rohr mithilfe eines Laserscanners und erfassen dabei die exakte Geometrie. Anschließend prüfen sie die Biegesteifigkeit – eine entscheidende Kenngröße für tragende Strukturen. Im dritten Schritt überträgt das Team die gewonnenen Daten in eine zentrale Datenbank und erstellt einen digitalen Zwilling jedes Bambusrohrs. Die Datenbank steuert alle der folgenden Bearbeitungsschritte.
In der vierten Station sägen die Forschenden die Rohre passgenau zu. Parallel dazu fertigen sie im 3D-Druckverfahren individuell auf das Bambusrohr abgestimmte Verbindungselemente. In der fünften und letzten Station fügen sie alle Teile durch automatisiertes Stecken und Kleben. Die Speicherung und Nachverfolgung der digitalen Zwillinge ermöglichen eine durchgängige Qualitätssicherung entlang der gesamten Prozesskette. Das Verfahren spart Material, Zeit und eröffnet die Möglichkeit, Bambus wirtschaftlich, standardisiert und belastungsgerecht im Leichtbau einzusetzen.
Die Projektpartner richten eine fünfstufige Fertigungslinie ein, um Bambusrohr automatisiert zu verarbeiten. In der ersten Station vermessen sie jedes Rohr mithilfe eines Laserscanners und erfassen dabei die exakte Geometrie. Anschließend prüfen sie die Biegesteifigkeit – eine entscheidende Kenngröße für tragende Strukturen. Im dritten Schritt überträgt das Team die gewonnenen Daten in eine zentrale Datenbank und erstellt einen digitalen Zwilling jedes Bambusrohrs. Die Datenbank steuert alle der folgenden Bearbeitungsschritte.
In der vierten Station sägen die Forschenden die Rohre passgenau zu. Parallel dazu fertigen sie im 3D-Druckverfahren individuell auf das Bambusrohr abgestimmte Verbindungselemente. In der fünften und letzten Station fügen sie alle Teile durch automatisiertes Stecken und Kleben. Die Speicherung und Nachverfolgung der digitalen Zwillinge ermöglichen eine durchgängige Qualitätssicherung entlang der gesamten Prozesskette. Das Verfahren spart Material, Zeit und eröffnet die Möglichkeit, Bambus wirtschaftlich, standardisiert und belastungsgerecht im Leichtbau einzusetzen.
BENHoLei
Nachhaltiges Holzfaser-Sandwich: Industriell produzieren und branchenübergreifend nutzen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
31.01.23
Anwendung:
Material:
Holz, Naturfasern, Aluminium
Hintergrund
Das Team im Forschungsvorhaben BENHoLei hat sich die branchenübergreifende Entwicklung von nachhaltigen Leichtbauelementen aus Holzfasermaterialien zum Ziel gesetzt. Grundlage bildete der Holzfaser-Werkstoff Homawave, der sich durch seine wellenförmige Struktur auszeichnet, die an Wellpappe erinnert. Diese Struktur wird durch einen kontinuierlichen Umformprozess hergestellt, bei dem Holzfaserplatten gewellt und anschließend mit Decklagen wie Aluminium oder hochdichten Faserplatten kombiniert werden. Das Ergebnis sind stabile Sandwichmaterialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Holzwerkstoffen ressourcenschonender und erheblich leichter sind. BENHoLei hat gezeigt, dass diese Materialien vielseitig einsetzbar sind, etwa in Möbeln, Fahrzeugteilen oder der Verpackungsindustrie, und durch die Reduktion von Materialverbrauch und Gewicht einen wichtigen Beitrag zur Senkung von CO₂-Emissionen leisten können.
Das Team im Forschungsvorhaben BENHoLei hat sich die branchenübergreifende Entwicklung von nachhaltigen Leichtbauelementen aus Holzfasermaterialien zum Ziel gesetzt. Grundlage bildete der Holzfaser-Werkstoff Homawave, der sich durch seine wellenförmige Struktur auszeichnet, die an Wellpappe erinnert. Diese Struktur wird durch einen kontinuierlichen Umformprozess hergestellt, bei dem Holzfaserplatten gewellt und anschließend mit Decklagen wie Aluminium oder hochdichten Faserplatten kombiniert werden. Das Ergebnis sind stabile Sandwichmaterialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Holzwerkstoffen ressourcenschonender und erheblich leichter sind. BENHoLei hat gezeigt, dass diese Materialien vielseitig einsetzbar sind, etwa in Möbeln, Fahrzeugteilen oder der Verpackungsindustrie, und durch die Reduktion von Materialverbrauch und Gewicht einen wichtigen Beitrag zur Senkung von CO₂-Emissionen leisten können.
Ziel
Ziel der Forschenden ist es, die Holzfaser-Materialien für eine großserientaugliche Produktion zu optimieren und damit nachhaltigere und umweltfreundlichere Industrieprozesse zu ermöglichen. Dazu entwickeln sie automatisierte Produktionsverfahren, die mechanische Prüfungen und zerstörungsfreie Kontrollmethoden integrieren. Im Fokus steht dabei die Verbesserung der Materialeigenschaften, wie Biegefestigkeit und Formstabilität, durch hybride Kombinationen von Deck- und Kernmaterialien. Neben der technischen Entwicklung verfolgt das Projektteam das Ziel, die Forschungsergebnisse direkt in praktische Anwendungen zu überführen. Der Einsatz von Homawave in der Möbel- und Automobilindustrie sowie dem Schiffsinnenausbau soll dabei sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile wie niedrigeren Materialverbrauch, geringere Transportkosten und eine nachhaltige Wertschöpfungskette schaffen.
Ziel der Forschenden ist es, die Holzfaser-Materialien für eine großserientaugliche Produktion zu optimieren und damit nachhaltigere und umweltfreundlichere Industrieprozesse zu ermöglichen. Dazu entwickeln sie automatisierte Produktionsverfahren, die mechanische Prüfungen und zerstörungsfreie Kontrollmethoden integrieren. Im Fokus steht dabei die Verbesserung der Materialeigenschaften, wie Biegefestigkeit und Formstabilität, durch hybride Kombinationen von Deck- und Kernmaterialien. Neben der technischen Entwicklung verfolgt das Projektteam das Ziel, die Forschungsergebnisse direkt in praktische Anwendungen zu überführen. Der Einsatz von Homawave in der Möbel- und Automobilindustrie sowie dem Schiffsinnenausbau soll dabei sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile wie niedrigeren Materialverbrauch, geringere Transportkosten und eine nachhaltige Wertschöpfungskette schaffen.
Vorgehen
Die Forschenden können die Material- und Prozessentwicklung erfolgreich abschließen. Sie entwickeln den Homawave-Kern in Kombination mit verschiedenen Decklagen weiter und unterziehen ihn umfangreichen mechanischen Prüfungen. Insbesondere die erfolgreichen Tests mit Acrylat- und Phenolharzsystemen führen zu einer höheren Umformgüte und verbesserter Oberflächenqualität. Parallel dazu entwickelt das Team neue Walzengeometrien und optimiert die Produktionsprozesse, etwa durch präzisere Temperatur- und Feuchteeinstellungen, wodurch sie die Produktionsgeschwindigkeit auf bis zu 5 Meter pro Minute steigern. Um die Qualität zu sichern und Fehler frühzeitig zu erkennen, integrieren sie zerstörungsfreie Prüfverfahren in die Prozesskette.
Die im Projekt entwickelten Sandwichmaterialien werden durch ein Rednerpult als Demonstrator auf ihre Praxistauglichkeit getestet. Die positive Resonanz, etwa auf der Fachmesse für die Zuliefererindustrie der Möbel- und Innenausbauwirtschaft INTERZUM 2023, bestätigt die Marktrelevanz der Materialien. Abschließend entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Konzept für eine großserientaugliche Produktionsanlage, das sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Anforderungen erfüllt.
Die Forschenden können die Material- und Prozessentwicklung erfolgreich abschließen. Sie entwickeln den Homawave-Kern in Kombination mit verschiedenen Decklagen weiter und unterziehen ihn umfangreichen mechanischen Prüfungen. Insbesondere die erfolgreichen Tests mit Acrylat- und Phenolharzsystemen führen zu einer höheren Umformgüte und verbesserter Oberflächenqualität. Parallel dazu entwickelt das Team neue Walzengeometrien und optimiert die Produktionsprozesse, etwa durch präzisere Temperatur- und Feuchteeinstellungen, wodurch sie die Produktionsgeschwindigkeit auf bis zu 5 Meter pro Minute steigern. Um die Qualität zu sichern und Fehler frühzeitig zu erkennen, integrieren sie zerstörungsfreie Prüfverfahren in die Prozesskette.
Die im Projekt entwickelten Sandwichmaterialien werden durch ein Rednerpult als Demonstrator auf ihre Praxistauglichkeit getestet. Die positive Resonanz, etwa auf der Fachmesse für die Zuliefererindustrie der Möbel- und Innenausbauwirtschaft INTERZUM 2023, bestätigt die Marktrelevanz der Materialien. Abschließend entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein Konzept für eine großserientaugliche Produktionsanlage, das sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Anforderungen erfüllt.
BIKINI
Prozesskette von Leichtbau-Produkten nachhaltiger gestalten: basierend auf Bionik und KI
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (materialübergreifend), Sonstige (materialübergreifend)
Hintergrund
Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie, um die globale Erwärmung einzudämmen und gleichzeitig die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit zu steigern. Insbesondere im Mobilitätssektor können Unternehmen dank Leichtbau Material und somit Ressourcen einsparen. Gleichzeitig stoßen die in Leichtbauweise hergestellten Fahrzeuge im Betrieb weniger CO₂ aus. Die Herstellungs- und Recyclingverfahren für die Fahrzeuge sind jedoch oftmals emissionsintensiv. Hier fehlen ganzheitliche Lösungen, die Produkte über den gesamten Lebenszyklus nachhaltiger gestalten und entlang der vertikalen und horizontalen Prozesskette optimieren.
Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie, um die globale Erwärmung einzudämmen und gleichzeitig die wirtschaftliche Leistungsfähigkeit zu steigern. Insbesondere im Mobilitätssektor können Unternehmen dank Leichtbau Material und somit Ressourcen einsparen. Gleichzeitig stoßen die in Leichtbauweise hergestellten Fahrzeuge im Betrieb weniger CO₂ aus. Die Herstellungs- und Recyclingverfahren für die Fahrzeuge sind jedoch oftmals emissionsintensiv. Hier fehlen ganzheitliche Lösungen, die Produkte über den gesamten Lebenszyklus nachhaltiger gestalten und entlang der vertikalen und horizontalen Prozesskette optimieren.
Ziel
Die Projektpartner wollen die gesamte Prozesskette von Leichtbauprodukten nachhaltiger gestalten und die Ressourceneffizienz über den vollständigen Lebenszyklus steigern. Hierfür optimieren sie den CO₂-Fußabdruck und den Ressourceneinsatz im Herstellungsprozess. Um diese Aspekte bereits bei der Planung und Konstruktion von einzelnen Bauteilen oder komplexen Baustrukturen berücksichtigen zu können, erarbeiten die Forschenden neue Entwicklungskonzepte. Als Basis für neue Algorithmen und Assistenzdienste nutzen sie Methoden der Automatisierung, Künstlichen Intelligenz (KI) und der Bionik, also dem Übertragen von Phänomenen und Prinzipien der Natur auf die Technik.
Die Projektpartner wollen die gesamte Prozesskette von Leichtbauprodukten nachhaltiger gestalten und die Ressourceneffizienz über den vollständigen Lebenszyklus steigern. Hierfür optimieren sie den CO₂-Fußabdruck und den Ressourceneinsatz im Herstellungsprozess. Um diese Aspekte bereits bei der Planung und Konstruktion von einzelnen Bauteilen oder komplexen Baustrukturen berücksichtigen zu können, erarbeiten die Forschenden neue Entwicklungskonzepte. Als Basis für neue Algorithmen und Assistenzdienste nutzen sie Methoden der Automatisierung, Künstlichen Intelligenz (KI) und der Bionik, also dem Übertragen von Phänomenen und Prinzipien der Natur auf die Technik.
Vorgehen
Die Forschenden ergänzen bereits etablierte Verfahren wie die computergestützte Erstellung von Bauteilen (CAD-Konstruktionen) um zusätzliche Elemente. Hierfür entwickeln sie Konstruktionsalgorithmen, die durch die Biologie inspiriert sind. KI-basierte Assistenzdienste sollen bereits in der Produktentstehung die nachgeschalteten Lebensphasen berücksichtigen und einbinden bzw. Simulationsergebnisse vorhersagen. Das Projektteam entwickelt einen teilautomatisierten Entwurfsprozess, der eine schnelle Anpassung und Optimierung von Produkten ermöglicht, ohne eine umfangreiche Neuentwicklung durchführen zu müssen. Das spart nicht nur Zeit, sondern ist auch nachhaltig. Denn die Fertigungsverfahren und Materialien, die beispielsweise nur in der Einführungsphase eines Produkts wirtschaftlich und nachhaltig sind, können so in späteren Lebensphasen schnell und unkompliziert ausgetauscht werden.
Die Forschenden ergänzen bereits etablierte Verfahren wie die computergestützte Erstellung von Bauteilen (CAD-Konstruktionen) um zusätzliche Elemente. Hierfür entwickeln sie Konstruktionsalgorithmen, die durch die Biologie inspiriert sind. KI-basierte Assistenzdienste sollen bereits in der Produktentstehung die nachgeschalteten Lebensphasen berücksichtigen und einbinden bzw. Simulationsergebnisse vorhersagen. Das Projektteam entwickelt einen teilautomatisierten Entwurfsprozess, der eine schnelle Anpassung und Optimierung von Produkten ermöglicht, ohne eine umfangreiche Neuentwicklung durchführen zu müssen. Das spart nicht nur Zeit, sondern ist auch nachhaltig. Denn die Fertigungsverfahren und Materialien, die beispielsweise nur in der Einführungsphase eines Produkts wirtschaftlich und nachhaltig sind, können so in späteren Lebensphasen schnell und unkompliziert ausgetauscht werden.
BioStruX
Stabil und leicht: Bionische Leichtbaustrukturen auf Basis verzweigter Bleche herstellen
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Blech- und Profilstrukturen spielen in vielen industriellen Anwendungen eine zentrale Rolle – insbesondere im Fahrzeug- und Maschinenbau. Ihre Tragfähigkeit ist jedoch begrenzt. Bei Belastung verformen sich die dünnwandigen Profile oft unkontrolliert – sie knicken ein oder beulen aus. Um solche Instabilitäten zu vermeiden, kommen bislang verstärkte Querschnitte zum Einsatz. Diese erhöhen allerdings den Materialverbrauch und das Gewicht – ein Widerspruch zu den Zielen des ressourceneffizienten Leichtbaus.
Gefragt sind daher neue Konstruktionsansätze, die eine ausreichende Stabilität ohne zusätzliches Material ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz findet sich in der Natur: Biologische Strukturen nutzen Verzweigungen, um Steifigkeit und Belastbarkeit zu erhöhen. Diese bionischen Prinzipien lassen sich auf technische Anwendungen übertragen und eröffnen neue Potenziale für den Leichtbau.
Während sich solche verzweigten Strukturen mit Materialien wie Aluminium bereits umsetzen lassen, stellt ihre Realisierung mit dünnwandigem Stahl die Industrie bislang vor große Herausforderungen. Hier setzt das Projekt BioStruX an: Ziel ist es, strukturwirksame Verzweigungen für Stahlprofile nutzbar zu machen und diese wirtschaftlich und flexibel herstellen zu können.
Blech- und Profilstrukturen spielen in vielen industriellen Anwendungen eine zentrale Rolle – insbesondere im Fahrzeug- und Maschinenbau. Ihre Tragfähigkeit ist jedoch begrenzt. Bei Belastung verformen sich die dünnwandigen Profile oft unkontrolliert – sie knicken ein oder beulen aus. Um solche Instabilitäten zu vermeiden, kommen bislang verstärkte Querschnitte zum Einsatz. Diese erhöhen allerdings den Materialverbrauch und das Gewicht – ein Widerspruch zu den Zielen des ressourceneffizienten Leichtbaus.
Gefragt sind daher neue Konstruktionsansätze, die eine ausreichende Stabilität ohne zusätzliches Material ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz findet sich in der Natur: Biologische Strukturen nutzen Verzweigungen, um Steifigkeit und Belastbarkeit zu erhöhen. Diese bionischen Prinzipien lassen sich auf technische Anwendungen übertragen und eröffnen neue Potenziale für den Leichtbau.
Während sich solche verzweigten Strukturen mit Materialien wie Aluminium bereits umsetzen lassen, stellt ihre Realisierung mit dünnwandigem Stahl die Industrie bislang vor große Herausforderungen. Hier setzt das Projekt BioStruX an: Ziel ist es, strukturwirksame Verzweigungen für Stahlprofile nutzbar zu machen und diese wirtschaftlich und flexibel herstellen zu können.
Ziel
Das Projektteam von BioStruX arbeitet daran, das umformende Fertigungsverfahren Spaltprofilieren mit anschließendem Hochkantbiegen so weiterzuentwickeln, dass es sich industriell anwenden lässt. Mithilfe dieser Technologie wollen die Forschenden erstmals Blechprofile direkt und flexibel aus Stahl herstellen, die sich an einem bionischen Vorbild orientieren. Die verzweigte Form mach diese neuartigen Profile deutlich stabiler – bei gleichem Gewicht. Zusätzlich steigert das Umformverfahren die Festigkeit und Härte im Vergleich zum ursprünglichen Rohmaterial. Unternehmen können damit Bleche mit engen Biegeradien und geringen Rückfederungen herstellen. Durch das Spaltprofilbiegen entstehen so besonders widerstandsfähige Bauteile, die sich auch bei hohen Belastungen bewähren.
Um dieses Ziel zu erreichen, konzipieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine vollständig digitalisierte, automatisierte und flexible Prozesskette. Damit wollen sie nicht nur die Fertigung vereinfachen, sondern auch neue Anwendungen in Branchen wie dem Nutzfahrzeugbau, dem Schienenverkehr oder der Logistik erschließen. Langfristig wollen sie die Technologie so weit entwickeln, dass sie sich wirtschaftlich in der Serienproduktion einsetzen lässt.
Das Projektteam von BioStruX arbeitet daran, das umformende Fertigungsverfahren Spaltprofilieren mit anschließendem Hochkantbiegen so weiterzuentwickeln, dass es sich industriell anwenden lässt. Mithilfe dieser Technologie wollen die Forschenden erstmals Blechprofile direkt und flexibel aus Stahl herstellen, die sich an einem bionischen Vorbild orientieren. Die verzweigte Form mach diese neuartigen Profile deutlich stabiler – bei gleichem Gewicht. Zusätzlich steigert das Umformverfahren die Festigkeit und Härte im Vergleich zum ursprünglichen Rohmaterial. Unternehmen können damit Bleche mit engen Biegeradien und geringen Rückfederungen herstellen. Durch das Spaltprofilbiegen entstehen so besonders widerstandsfähige Bauteile, die sich auch bei hohen Belastungen bewähren.
Um dieses Ziel zu erreichen, konzipieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine vollständig digitalisierte, automatisierte und flexible Prozesskette. Damit wollen sie nicht nur die Fertigung vereinfachen, sondern auch neue Anwendungen in Branchen wie dem Nutzfahrzeugbau, dem Schienenverkehr oder der Logistik erschließen. Langfristig wollen sie die Technologie so weit entwickeln, dass sie sich wirtschaftlich in der Serienproduktion einsetzen lässt.
Vorgehen
Das Projektteam konstruiert eine neuartige Spaltprofilieranlage, die alle Umformschritte in einem einzigen, flexiblen Umformgerüst integriert. Anstelle klassischer, mehrstufiger Walzverfahren setzen die Forschenden auf ein einstufiges Verfahren mit einem reversierenden Vorschubmechanismus. Dieser führt das Blech mehrfach durch dasselbe Umformgerüst unter angepassten Zustellungen und ermöglicht so eine flexible Herstellung komplexer Profile.
Einen besonderen Fokus legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Entwicklung einer intelligenten Prozesssteuerung. Mithilfe umfassender Sensorik erfassen sie den Prozesszustand und optimieren ihn kontinuierlich im laufenden Betrieb. So verkürzen sie die Zeit, die für das Einrichten der Anlage bei Produktwechseln nötig ist. Zudem passt sich das Umformgerüst automatisch an unterschiedliche Materialien und Geometrien an.
Zusätzlich entwickelt das Team ein neues Biegeverfahren, mit dem sich individuelle Krümmungsverläufe direkt in die Profile integrieren lassen. Beide Teilprozesse – Spaltprofilieren und Spaltprofilbiegen – führen die Partner in einem KI-gestützten Gesamtsystem zusammen. Anhand von Demonstratoren und branchenspezifischen Anwendungsszenarien prüfen die Forschenden die Praxistauglichkeit der Technologie.
Das Projektteam konstruiert eine neuartige Spaltprofilieranlage, die alle Umformschritte in einem einzigen, flexiblen Umformgerüst integriert. Anstelle klassischer, mehrstufiger Walzverfahren setzen die Forschenden auf ein einstufiges Verfahren mit einem reversierenden Vorschubmechanismus. Dieser führt das Blech mehrfach durch dasselbe Umformgerüst unter angepassten Zustellungen und ermöglicht so eine flexible Herstellung komplexer Profile.
Einen besonderen Fokus legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Entwicklung einer intelligenten Prozesssteuerung. Mithilfe umfassender Sensorik erfassen sie den Prozesszustand und optimieren ihn kontinuierlich im laufenden Betrieb. So verkürzen sie die Zeit, die für das Einrichten der Anlage bei Produktwechseln nötig ist. Zudem passt sich das Umformgerüst automatisch an unterschiedliche Materialien und Geometrien an.
Zusätzlich entwickelt das Team ein neues Biegeverfahren, mit dem sich individuelle Krümmungsverläufe direkt in die Profile integrieren lassen. Beide Teilprozesse – Spaltprofilieren und Spaltprofilbiegen – führen die Partner in einem KI-gestützten Gesamtsystem zusammen. Anhand von Demonstratoren und branchenspezifischen Anwendungsszenarien prüfen die Forschenden die Praxistauglichkeit der Technologie.
BrakeThrough
Nachhaltiges Bremssystem: Feinstaub reduzieren und Kreislauffähigkeit ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
30.06.25
Anwendung:
Material:
Elastomere, Thermoplaste, Sonstige (Polyurethane), Metallmatrix-Verbund, Teilchenverbundwerkstoffe, Geschlossenporig, Offenporig
Hintergrund
Im städtischen Straßenverkehr werden große Mengen an Feinstaub freigesetzt, die zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen können. Rund die Hälfte der Feinstaubpartikel entsteht durch Bremsabrieb – unabhängig vom Antriebssystem des Fahrzeugs. Aufgrund ihrer geringen Größe gelangen etwa 90 Prozent dieser Partikel tief in die Atemwege und können schwerwiegende Schäden verursachen.
Das Hauptproblem liegt in den aktuell verwendeten Bremssystemen: Diese bestehen meist aus Graugusslegierungen und dazu passenden Bremsbelägen. Beim Bremsvorgang nutzen sich die Materialien ab, und die freigesetzten Partikel gelangen in die Luft. Für den Serienmarkt gibt es derzeit noch keine Alternativen zu den traditionellen Bremsmaterialien.
Im städtischen Straßenverkehr werden große Mengen an Feinstaub freigesetzt, die zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen können. Rund die Hälfte der Feinstaubpartikel entsteht durch Bremsabrieb – unabhängig vom Antriebssystem des Fahrzeugs. Aufgrund ihrer geringen Größe gelangen etwa 90 Prozent dieser Partikel tief in die Atemwege und können schwerwiegende Schäden verursachen.
Das Hauptproblem liegt in den aktuell verwendeten Bremssystemen: Diese bestehen meist aus Graugusslegierungen und dazu passenden Bremsbelägen. Beim Bremsvorgang nutzen sich die Materialien ab, und die freigesetzten Partikel gelangen in die Luft. Für den Serienmarkt gibt es derzeit noch keine Alternativen zu den traditionellen Bremsmaterialien.
Ziel
Das Projektteam will ein kostengünstiges, nahezu verschleißfreies, emissionsarmes und recyclingfähiges Bremssystem für die industrielle Fertigung entwickeln. Hierfür nutzen die Forschenden Bremsscheiben aus hoch hartstoffpartikelverstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen (AMC, kurz für: Aluminium Matrix Composites). AMC-Bremsscheiben sind in Kombination mit geeigneten Bremsbelägen nahezu verschleißfrei in der Anwendung, sodass kaum Feinstaub entsteht. Besonders in Städten und an Verkehrsknotenpunkten verbessert dies die Luftqualität erheblich.
Außerdem sind AMC-Bremssysteme Leichtbaukonstruktionen, was wiederum den Ausstoß von CO₂-Emissionen während des Fahrens senkt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Grauguss-Bremsscheiben sind AMC-Bremsscheiben zudem wiederverwertbar und recycelfähig.
Das Projektteam will ein kostengünstiges, nahezu verschleißfreies, emissionsarmes und recyclingfähiges Bremssystem für die industrielle Fertigung entwickeln. Hierfür nutzen die Forschenden Bremsscheiben aus hoch hartstoffpartikelverstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffen (AMC, kurz für: Aluminium Matrix Composites). AMC-Bremsscheiben sind in Kombination mit geeigneten Bremsbelägen nahezu verschleißfrei in der Anwendung, sodass kaum Feinstaub entsteht. Besonders in Städten und an Verkehrsknotenpunkten verbessert dies die Luftqualität erheblich.
Außerdem sind AMC-Bremssysteme Leichtbaukonstruktionen, was wiederum den Ausstoß von CO₂-Emissionen während des Fahrens senkt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Grauguss-Bremsscheiben sind AMC-Bremsscheiben zudem wiederverwertbar und recycelfähig.
Vorgehen
Eine der größten Herausforderungen für den Einsatz von AMC-Bremssystemen ist die Entwicklung geeigneter Bremsbeläge. Diese müssen so beschaffen sein, dass sich beim Bremsen ein sogenannter Tribofilm bildet. Dieser entsteht durch chemische Reaktionen und wirkt wie eine Schutzschicht, die Abnutzung und Feinstaubbildung verhindert.
Um passende Bremsbeläge zu entwickeln, untersucht das Projektteam daher die Oberflächenstruktur der Materialien mithilfe von Elektronen- und 3D-Scanningmikroskopen. Herkömmliche Bremsbeläge bestehen aus bis zu 30 Einzelkomponenten.
Das Team optimiert diese Teile insbesondere in Bezug auf Reibwert, Haltbarkeit und Geräuschentwicklung. Außerdem ersetzen die Forschenden bedenkliche Stoffe, wie Kupferlegierungen, durch umweltfreundlichere Alternativen, die ebenfalls die Bildung des Tribofilms unterstützen.
Eine der größten Herausforderungen für den Einsatz von AMC-Bremssystemen ist die Entwicklung geeigneter Bremsbeläge. Diese müssen so beschaffen sein, dass sich beim Bremsen ein sogenannter Tribofilm bildet. Dieser entsteht durch chemische Reaktionen und wirkt wie eine Schutzschicht, die Abnutzung und Feinstaubbildung verhindert.
Um passende Bremsbeläge zu entwickeln, untersucht das Projektteam daher die Oberflächenstruktur der Materialien mithilfe von Elektronen- und 3D-Scanningmikroskopen. Herkömmliche Bremsbeläge bestehen aus bis zu 30 Einzelkomponenten.
Das Team optimiert diese Teile insbesondere in Bezug auf Reibwert, Haltbarkeit und Geräuschentwicklung. Außerdem ersetzen die Forschenden bedenkliche Stoffe, wie Kupferlegierungen, durch umweltfreundlichere Alternativen, die ebenfalls die Bildung des Tribofilms unterstützen.
CaPreFloor
Schwere Betondecken ersetzen: vorgefertigte Deckenelemente aus Carbonbeton
Förderlaufzeit:
Start
01.03.23
Ende
28.02.26
Anwendung:
Material:
Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Beton ist der weltweit meistverwendete Baustoff. Vor allem bei der Produktion von Zement, der die Grundlage für das Herstellen von Beton bildet, werden große Mengen an Treibhausgasen emittiert. Die Zementherstellung ist für rund 8 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. Für die Transformation des Bausektors ist es daher zentral, vor allem den Zementverbrauch zu reduzieren. Eine Möglichkeit ist das schrittweise Ersetzen von Stahl durch vorgespannte Carbonbewehrung. Dies führt zur Steigerung der Material- und Energieeffizienz, denn es werden schlanke, massenreduzierte und damit ressourcensparende Strukturen geschaffen. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet ist die Verwendung von Carbonbeton im Bereich der Geschossdecken, für die in konventioneller Bauweise große Mengen Stahlbeton genutzt werden.
Beton ist der weltweit meistverwendete Baustoff. Vor allem bei der Produktion von Zement, der die Grundlage für das Herstellen von Beton bildet, werden große Mengen an Treibhausgasen emittiert. Die Zementherstellung ist für rund 8 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen verantwortlich. Für die Transformation des Bausektors ist es daher zentral, vor allem den Zementverbrauch zu reduzieren. Eine Möglichkeit ist das schrittweise Ersetzen von Stahl durch vorgespannte Carbonbewehrung. Dies führt zur Steigerung der Material- und Energieeffizienz, denn es werden schlanke, massenreduzierte und damit ressourcensparende Strukturen geschaffen. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet ist die Verwendung von Carbonbeton im Bereich der Geschossdecken, für die in konventioneller Bauweise große Mengen Stahlbeton genutzt werden.
Ziel
Die Projektpartner wollen die üblicherweise 30 cm starken Betondecken im Massivbau durch leichte, nicht korrosionsgefährdete Flächentragwerke ersetzten. Hierfür nutzen sie mit Carbon vorgespannte Betonelemente, deren Querschnitt sie auf maximal 10 cm reduzieren. Den Schwerpunkt legen die Forschenden auf vorgefertigte Deckenelemente. Diese sind besonders nachhaltig, da bei der Herstellung weniger Abfall anfällt, sie leichter zurückzubauen sind und besser wiederverwendet werden können. Die mit Carbon vorgespannten Deckensysteme sollen alle Anforderungen an die Statik sowie den Brand-, Wärme- und Schallschutz einhalten und gleichzeitig praxistauglich sein.
Die Projektpartner wollen die üblicherweise 30 cm starken Betondecken im Massivbau durch leichte, nicht korrosionsgefährdete Flächentragwerke ersetzten. Hierfür nutzen sie mit Carbon vorgespannte Betonelemente, deren Querschnitt sie auf maximal 10 cm reduzieren. Den Schwerpunkt legen die Forschenden auf vorgefertigte Deckenelemente. Diese sind besonders nachhaltig, da bei der Herstellung weniger Abfall anfällt, sie leichter zurückzubauen sind und besser wiederverwendet werden können. Die mit Carbon vorgespannten Deckensysteme sollen alle Anforderungen an die Statik sowie den Brand-, Wärme- und Schallschutz einhalten und gleichzeitig praxistauglich sein.
Vorgehen
Diese nachhaltigen Decken werden in einem multidisziplinären Ansatz entwickelt und erprobt. Dazu gehört sowohl das Entwickeln der Herstellungsmethoden inklusive der Anlagentechnik sowie die Prognose und Validierung der Qualität der Decken. In einem umfassenden Versuchsprogramm werden die Carbonbetonbauteile auf ihr Trag- und Verformungsverhalten unter Kurz- und Langzeiteinwirkungen getestet. Dies umfasst den Luft- und Trittschallschutz sowie den Brandschutz. Die Versuchsergebnisse dienen zur Validierung der nummerischen Berechnungsmodelle, die in allen Disziplinen verwendet und mit denen die verschiedenen Kenngrößen gesamtheitlich optimiert werden. Die Dimensionierung der Bauteilquerschnitte inklusive der Verbindungsmittel und Auflager erfolgt gemäß geltender Normung im Rahmen der statischen Untersuchungen. Zusätzlich zu den Kleinversuchen werden Realmaßstabmodelle gebaut und erprobt.
Diese nachhaltigen Decken werden in einem multidisziplinären Ansatz entwickelt und erprobt. Dazu gehört sowohl das Entwickeln der Herstellungsmethoden inklusive der Anlagentechnik sowie die Prognose und Validierung der Qualität der Decken. In einem umfassenden Versuchsprogramm werden die Carbonbetonbauteile auf ihr Trag- und Verformungsverhalten unter Kurz- und Langzeiteinwirkungen getestet. Dies umfasst den Luft- und Trittschallschutz sowie den Brandschutz. Die Versuchsergebnisse dienen zur Validierung der nummerischen Berechnungsmodelle, die in allen Disziplinen verwendet und mit denen die verschiedenen Kenngrößen gesamtheitlich optimiert werden. Die Dimensionierung der Bauteilquerschnitte inklusive der Verbindungsmittel und Auflager erfolgt gemäß geltender Normung im Rahmen der statischen Untersuchungen. Zusätzlich zu den Kleinversuchen werden Realmaßstabmodelle gebaut und erprobt.
CC-Mesh
Ressourcen sparen im Betonbau: neue Konzepte für großformatige Carbonbewehrungen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Gelege, Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Beton ist derzeit der weltweit meistverwendete Baustoff. Doch seine Herstellung verursacht hohe Treibhausgasemissionen (THG). Um die Belastbarkeit von Betonbauteilen zu erhöhen, wird eine sogenannte Bewehrung in den Beton eingelegt. Diese besteht meist aus Matten, Stäben oder Geflechten aus Stahl, die auf Grund ihrer Korrosionsanfälligkeit eine dicke Betondeckung benötigen und damit hohe THG bedingen.
Carbonfasern hingegen sind sechsmal effektiver als Stahl und nicht korrosionsanfällig. Somit kann der Einsatz von Carbonfasern anstelle von Stahl die erforderliche Menge an Bewehrung und Beton deutlich verringern. Allerdings werden bei der Auslegung von Stahl- und Carbonbewehrungen bisher verschiedene Lastfälle getrennt voneinander betrachtet. Dies kann zu einer Überbewehrung führen und damit zu einem erhöhten Ressourceneinsatz.
Beton ist derzeit der weltweit meistverwendete Baustoff. Doch seine Herstellung verursacht hohe Treibhausgasemissionen (THG). Um die Belastbarkeit von Betonbauteilen zu erhöhen, wird eine sogenannte Bewehrung in den Beton eingelegt. Diese besteht meist aus Matten, Stäben oder Geflechten aus Stahl, die auf Grund ihrer Korrosionsanfälligkeit eine dicke Betondeckung benötigen und damit hohe THG bedingen.
Carbonfasern hingegen sind sechsmal effektiver als Stahl und nicht korrosionsanfällig. Somit kann der Einsatz von Carbonfasern anstelle von Stahl die erforderliche Menge an Bewehrung und Beton deutlich verringern. Allerdings werden bei der Auslegung von Stahl- und Carbonbewehrungen bisher verschiedene Lastfälle getrennt voneinander betrachtet. Dies kann zu einer Überbewehrung führen und damit zu einem erhöhten Ressourceneinsatz.
Ziel
Die Projektpartner wollen innovative, großformatige Carbonbewehrungen für den Betonbau entwickeln und für die industrielle Anwendung optimieren. Diese Carbonstrukturen sollen kraftflussgerecht und besonders langlebig sein, sodass ressourcensparende Betonbauteile entstehen. Hierfür wollen sie Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien aus dem Leichtbau mit denen des konventionellen Betonbaus zusammenführen. So würde auch weniger THG bei der Produktion entstehen und in die Umwelt gelangen. Die Projektpartner rechnen für den Bereich des Hochbaus mit einem THG-Einsparpotenzial von 86 Prozent im Vergleich zur konventionellen Stahlbetonbauweise.
Die Projektpartner wollen innovative, großformatige Carbonbewehrungen für den Betonbau entwickeln und für die industrielle Anwendung optimieren. Diese Carbonstrukturen sollen kraftflussgerecht und besonders langlebig sein, sodass ressourcensparende Betonbauteile entstehen. Hierfür wollen sie Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien aus dem Leichtbau mit denen des konventionellen Betonbaus zusammenführen. So würde auch weniger THG bei der Produktion entstehen und in die Umwelt gelangen. Die Projektpartner rechnen für den Bereich des Hochbaus mit einem THG-Einsparpotenzial von 86 Prozent im Vergleich zur konventionellen Stahlbetonbauweise.
Vorgehen
Das Team verbaut nicht mehr einzelne Bewehrungen für die unterschiedlichen Lastfälle, sondern eine optimierte und in sich geschlossene Bewehrungsstruktur. Folglich können dreidimensionale Strukturen geschaffen werden, die sich optimal an den Kraftfluss anpassen und somit hochgradig effektiv und ressourcensparend sind. Die Bewehrungen können dann mit einer geringeren Betondeckung vergossen werden. Sowohl beim Beton als auch bei der Bewehrung kann so deutlich Material eingespart werden.
Dank seiner technologieübergreifenden Zusammensetzung kann das Team die komplette Wertschöpfungskette abdecken. Die Forschenden optimieren die Geometrie sowie die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Bewehrungsstruktur und passen das Fertigungsverfahren entsprechend an. Dabei entwickeln sie ein Verfahren für die Herstellung von getränkten und umwickelten Fasersträngen, das durch eine optimierte Ausrichtung der einzelnen Fasern eine sehr hohe Auslastung der Faserzugfestigkeit in den Strängen ermöglicht. Durch eine auf Versuchsbasis optimierte Stranganordnung innerhalb der Bewehrungskörbe können zudem die mechanischen Eigenschaften der Bewehrung innerhalb von Betonbauteilen optimal ausgenutzt werden.
Das Team verbaut nicht mehr einzelne Bewehrungen für die unterschiedlichen Lastfälle, sondern eine optimierte und in sich geschlossene Bewehrungsstruktur. Folglich können dreidimensionale Strukturen geschaffen werden, die sich optimal an den Kraftfluss anpassen und somit hochgradig effektiv und ressourcensparend sind. Die Bewehrungen können dann mit einer geringeren Betondeckung vergossen werden. Sowohl beim Beton als auch bei der Bewehrung kann so deutlich Material eingespart werden.
Dank seiner technologieübergreifenden Zusammensetzung kann das Team die komplette Wertschöpfungskette abdecken. Die Forschenden optimieren die Geometrie sowie die mechanischen Eigenschaften der neuartigen Bewehrungsstruktur und passen das Fertigungsverfahren entsprechend an. Dabei entwickeln sie ein Verfahren für die Herstellung von getränkten und umwickelten Fasersträngen, das durch eine optimierte Ausrichtung der einzelnen Fasern eine sehr hohe Auslastung der Faserzugfestigkeit in den Strängen ermöglicht. Durch eine auf Versuchsbasis optimierte Stranganordnung innerhalb der Bewehrungskörbe können zudem die mechanischen Eigenschaften der Bewehrung innerhalb von Betonbauteilen optimal ausgenutzt werden.
CELLUN
Biobasiert und recyclingfähig: Cellulose als Leichtbauwerkstoff nutzen
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
30.06.25
Anwendung:
Material:
Bioverbundwerkstoffe, Sonstige (Cellulosefasern, Celluloseacetatpropionatfasern), Thermoplaste, Garne, Rovings, Gewebe, Sonstige (Hybridgarne), Sonstige (Cellulosefaserverstärkte Kunststoffe)
Hintergrund
Faserverstärkte Kunststoffe sind Schlüsselmaterialien im Leichtbau. Sie verbinden hohe mechanische Stabilität mit geringem Gewicht und sind etwa in Fahrzeugkomponenten, Bauelementen oder Gehäusen verbaut. Doch der Großteil dieser Verbundwerkstoffe basiert auf fossilen Rohstoffen – insbesondere auf erdölbasierten Kunststoff-Matrixsystemen wie Epoxidharzen oder Polyamiden. Auch die gängigen Verstärkungsfasern, wie Glas- oder Carbonfasern, sind energieintensiv in der Herstellung und schwer zu recyceln. Die Wiederverwertung dieser Verbundwerkstoffe scheitert oft daran, dass sich Matrix und Fasern kaum sortenrein voneinander trennen lassen.
Gleichzeitig gewinnen bio-basierte Materialien an Bedeutung, etwa auf Basis von Cellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Einzelne Entwicklungen zeigen, dass Cellulose sowohl als Matrix als auch als Faser für den Verbund geeignet sein kann. Bisher fehlen jedoch umfassende Lösungen für vollständig bio-basierte, mechanisch belastbare und industriell verarbeitbare Verbundwerkstoffe mit funktionierendem Recyclingkonzept.
Faserverstärkte Kunststoffe sind Schlüsselmaterialien im Leichtbau. Sie verbinden hohe mechanische Stabilität mit geringem Gewicht und sind etwa in Fahrzeugkomponenten, Bauelementen oder Gehäusen verbaut. Doch der Großteil dieser Verbundwerkstoffe basiert auf fossilen Rohstoffen – insbesondere auf erdölbasierten Kunststoff-Matrixsystemen wie Epoxidharzen oder Polyamiden. Auch die gängigen Verstärkungsfasern, wie Glas- oder Carbonfasern, sind energieintensiv in der Herstellung und schwer zu recyceln. Die Wiederverwertung dieser Verbundwerkstoffe scheitert oft daran, dass sich Matrix und Fasern kaum sortenrein voneinander trennen lassen.
Gleichzeitig gewinnen bio-basierte Materialien an Bedeutung, etwa auf Basis von Cellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Einzelne Entwicklungen zeigen, dass Cellulose sowohl als Matrix als auch als Faser für den Verbund geeignet sein kann. Bisher fehlen jedoch umfassende Lösungen für vollständig bio-basierte, mechanisch belastbare und industriell verarbeitbare Verbundwerkstoffe mit funktionierendem Recyclingkonzept.
Ziel
Das Forschungsprojekt CELLUN will einen neuartigen Faserverbundwerkstoff entwickeln, der vollständig auf Cellulose basiert. Dabei kombinieren die Forschenden Hochleistungs- Cellulosefasern mit einer thermoplastischen Cellulosederivat-Matrix – konkret Celluloseacetatpropionat (CAP). Durch die gleiche Materialbasis lassen sich Faser und Matrix ideal aufeinander abstimmen. Das vermeidet Schwachstellen an der Grenzfläche. Entwickelt wird ein thermoplastischer Werkstoff, also ein Werkstoff, der mit relativ niedrigem Energieeinsatz verformt werden kann und gute Voraussetzungen für eine Wiederverwertung bietet. Das Ziel des Projektteams ist ein leistungsfähiger, biobasierter und recyclingfähiger Werkstoff für industrielle Anwendungen im Leichtbau.
CELLUN will die Lücke schließen zwischen ökologischer Nachhaltigkeit und technischen Anforderungen. Der Werkstoff soll sich in gängigen Fertigungsverfahren wie Pultrusion, FIM oder Formpressen verarbeiten lassen und gleichzeitig ein sortenreines Recycling ermöglichen –durch chemische Rückgewinnung der Cellulose und Cellulosederivat-Matrix.
Das Forschungsprojekt CELLUN will einen neuartigen Faserverbundwerkstoff entwickeln, der vollständig auf Cellulose basiert. Dabei kombinieren die Forschenden Hochleistungs- Cellulosefasern mit einer thermoplastischen Cellulosederivat-Matrix – konkret Celluloseacetatpropionat (CAP). Durch die gleiche Materialbasis lassen sich Faser und Matrix ideal aufeinander abstimmen. Das vermeidet Schwachstellen an der Grenzfläche. Entwickelt wird ein thermoplastischer Werkstoff, also ein Werkstoff, der mit relativ niedrigem Energieeinsatz verformt werden kann und gute Voraussetzungen für eine Wiederverwertung bietet. Das Ziel des Projektteams ist ein leistungsfähiger, biobasierter und recyclingfähiger Werkstoff für industrielle Anwendungen im Leichtbau.
CELLUN will die Lücke schließen zwischen ökologischer Nachhaltigkeit und technischen Anforderungen. Der Werkstoff soll sich in gängigen Fertigungsverfahren wie Pultrusion, FIM oder Formpressen verarbeiten lassen und gleichzeitig ein sortenreines Recycling ermöglichen –durch chemische Rückgewinnung der Cellulose und Cellulosederivat-Matrix.
Vorgehen
Zunächst entwickelt das Projektteam geeignete Materialkomponenten. Dafür wählen die Forschenden Cellulosefasern aus, modifizieren deren Oberfläche chemisch und stimmen sie gezielt auf die Celluloseacetatpropionat-Matrix ab. Im nächsten Schritt werden die Komponenten durch Verfahren wie Commingeln und Weben zu Hybridtextilien weiterverarbeitet, aus denen mittels Pultrusion, Heißpressen oder FIM Faserverbundwerkstoffe entstehen. Dabei achtet es besonders auf die Haftung zwischen Faser und Matrix – ein entscheidender Faktor für die mechanische Belastbarkeit.
Die Forschenden prüfen Eigenschaften wie Festigkeit, Verformbarkeit, thermische Stabilität und Fließverhalten in den verschiedenen Fertigungsverfahren. Parallel entwickeln sie Methoden zur Wiederverwertung des Werkstoffs. Dabei untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich Verschnittreste und ausgediente Bauteile mechanisch zerkleinern und chemisch in ihre Ausgangsstoffe zerlegen lassen. In Pilotversuchen produzieren sie erste Demonstratoren mit anwendungsnahen Geometrien für verschiedene Industrieprodukte.
Zunächst entwickelt das Projektteam geeignete Materialkomponenten. Dafür wählen die Forschenden Cellulosefasern aus, modifizieren deren Oberfläche chemisch und stimmen sie gezielt auf die Celluloseacetatpropionat-Matrix ab. Im nächsten Schritt werden die Komponenten durch Verfahren wie Commingeln und Weben zu Hybridtextilien weiterverarbeitet, aus denen mittels Pultrusion, Heißpressen oder FIM Faserverbundwerkstoffe entstehen. Dabei achtet es besonders auf die Haftung zwischen Faser und Matrix – ein entscheidender Faktor für die mechanische Belastbarkeit.
Die Forschenden prüfen Eigenschaften wie Festigkeit, Verformbarkeit, thermische Stabilität und Fließverhalten in den verschiedenen Fertigungsverfahren. Parallel entwickeln sie Methoden zur Wiederverwertung des Werkstoffs. Dabei untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich Verschnittreste und ausgediente Bauteile mechanisch zerkleinern und chemisch in ihre Ausgangsstoffe zerlegen lassen. In Pilotversuchen produzieren sie erste Demonstratoren mit anwendungsnahen Geometrien für verschiedene Industrieprodukte.
CLEAN-Mag
Halbzeuge aus Magnesium: effizient und klimafreundlich erzeugen und verarbeiten
Förderlaufzeit:
Start
01.12.22
Ende
30.11.25
Anwendung:
Material:
Magnesium
Hintergrund
Magnesium bietet im Leichtbau große Chancen. Der Werkstoff ist besonders leicht, gut umformbar und vollständig recycelbar. Damit eignet er sich ideal für Bauteile in Fahrzeugen, Zügen oder Flugzeugen. Die industrielle Verarbeitung ist jedoch aufwendig: Halbzeuge wie Bleche oder Drähte entstehen bislang in mehreren getrennten Prozessschritten, die viel Energie benötigen. Besonders das Schmelzen verursacht hohe CO₂-Emissionen, da häufig fossile Brennstoffe wie Erdgas eingesetzt werden. Gleichzeitig bleibt ein großer Teil der Prozesswärme ungenutzt.
Neue technologische Ansätze setzen hier an: Sie kombinieren erneuerbare Energieträger mit intelligenter Prozessführung und gezielter Wärmenutzung. Ziel ist es, die Magnesiumverarbeitung energieeffizienter, emissionsärmer und wirtschaftlich tragfähig zu gestalten – und damit zukunftsfähig für eine industrielle Serienanwendung. Die möglichen Einsatzfelder reichen von Karosseriebauteilen, Sitzträgern und Strukturprofilen im Fahrzeugbau über Innenverkleidungen in Schienenfahrzeugen bis hin zu Elektronik- und Gehäuseteilen in der Luftfahrt.
Magnesium bietet im Leichtbau große Chancen. Der Werkstoff ist besonders leicht, gut umformbar und vollständig recycelbar. Damit eignet er sich ideal für Bauteile in Fahrzeugen, Zügen oder Flugzeugen. Die industrielle Verarbeitung ist jedoch aufwendig: Halbzeuge wie Bleche oder Drähte entstehen bislang in mehreren getrennten Prozessschritten, die viel Energie benötigen. Besonders das Schmelzen verursacht hohe CO₂-Emissionen, da häufig fossile Brennstoffe wie Erdgas eingesetzt werden. Gleichzeitig bleibt ein großer Teil der Prozesswärme ungenutzt.
Neue technologische Ansätze setzen hier an: Sie kombinieren erneuerbare Energieträger mit intelligenter Prozessführung und gezielter Wärmenutzung. Ziel ist es, die Magnesiumverarbeitung energieeffizienter, emissionsärmer und wirtschaftlich tragfähig zu gestalten – und damit zukunftsfähig für eine industrielle Serienanwendung. Die möglichen Einsatzfelder reichen von Karosseriebauteilen, Sitzträgern und Strukturprofilen im Fahrzeugbau über Innenverkleidungen in Schienenfahrzeugen bis hin zu Elektronik- und Gehäuseteilen in der Luftfahrt.
Ziel
Im Projekt CLEAN-Mag entwickeln die Partner neue, durchgängig klimafreundliche Verfahren zur Herstellung von Magnesium-Halbzeugen für den Leichtbau. Ziel ist es, die CO₂-Emissionen und den Energieverbrauch entlang der gesamten Prozesskette deutlich zu senken. Dazu ersetzt das Team fossiles Erdgas im Schmelzprozess durch klimaneutralen Wasserstoff. Durch die Koppelung des Umformens direkt an das Gießen wird die vorhandene Schmelzhitze effizient weiter genutzt. Darüber hinaus verarbeiten die Forschenden eine flexible neuartige Magnesiumlegierung, die durch gute Kaltumformbarkeit hervorsticht. Dies senkt auch den Energiebedarf in der Weiterverarbeitung.
Das Projekt zielt darauf ab, konkrete Prototypen für Funktionsanwendungen im Transportwesen zu entwickeln und diese in Kleinserien überzuführen. Die Grundlage wird geschaffen, um bestehende Anlagen technisch umzurüsten, neue Prozessrouten industriell nutzbar zu machen und konkrete Anwendungen im Mobilitätssektor umzusetzen. Hierfür wird die komplette Fertigungskette von Halbzeugfertigung bis Prototyp betrachtet, einschließlich Herausforderungen in den Bereichen Fügetechnik und Oberflächenbehandlung zur Korrosionsvermeidung. Die CO₂-Berechnung für die Wertschöpfungskette ist ein wichtiger Aspekt, welcher im Projekt berücksichtigt wird. Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung von Prototypen im Bereich Transportwesen.
Im Projekt CLEAN-Mag entwickeln die Partner neue, durchgängig klimafreundliche Verfahren zur Herstellung von Magnesium-Halbzeugen für den Leichtbau. Ziel ist es, die CO₂-Emissionen und den Energieverbrauch entlang der gesamten Prozesskette deutlich zu senken. Dazu ersetzt das Team fossiles Erdgas im Schmelzprozess durch klimaneutralen Wasserstoff. Durch die Koppelung des Umformens direkt an das Gießen wird die vorhandene Schmelzhitze effizient weiter genutzt. Darüber hinaus verarbeiten die Forschenden eine flexible neuartige Magnesiumlegierung, die durch gute Kaltumformbarkeit hervorsticht. Dies senkt auch den Energiebedarf in der Weiterverarbeitung.
Das Projekt zielt darauf ab, konkrete Prototypen für Funktionsanwendungen im Transportwesen zu entwickeln und diese in Kleinserien überzuführen. Die Grundlage wird geschaffen, um bestehende Anlagen technisch umzurüsten, neue Prozessrouten industriell nutzbar zu machen und konkrete Anwendungen im Mobilitätssektor umzusetzen. Hierfür wird die komplette Fertigungskette von Halbzeugfertigung bis Prototyp betrachtet, einschließlich Herausforderungen in den Bereichen Fügetechnik und Oberflächenbehandlung zur Korrosionsvermeidung. Die CO₂-Berechnung für die Wertschöpfungskette ist ein wichtiger Aspekt, welcher im Projekt berücksichtigt wird. Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung von Prototypen im Bereich Transportwesen.
Vorgehen
Das Projektteam beginnt mit der Analyse des bestehenden Schmelzprozesses. Es misst Energieflüsse und Emissionen einer realen Anlage und bewertet deren energetisches Optimierungspotenzial. Parallel dazu erproben die Forschenden verschiedene Wasserstoffbrenner im Praxiseinsatz, um fossiles Erdgas als Wärmequelle vollständig zu ersetzen. Aus den erfassten Daten erstellen sie einen digitalen Zwilling des Brennofens. Dieses virtuelle Modell bildet den realen Prozess nach und ermöglicht eine präzise Simulation und Steuerung der Betriebszustände.
Für die Erzeugung und Verarbeitung der Magnesiumhalbzeuge verfolgen die Partner verschiedene Prozessketten. Zum einen arbeiten sie mit dem so genannten GieWaCon-Verfahren, welches das Gießwalzen mit einem kontinuierlichen Strangpressprozess (Conform®) verbindet. Zum anderen nutzen sie das Strangpressen von Magnesiumblechen aus der Gießhitze.
Die Forschenden verarbeiten die Magnesiumlegierung ZAX210, die sich bei niedrigeren Temperaturen gut umformen lässt, sodass vielfältige Bauteile erzeugt werden können. Beispielhafte Prototypen sind Schienenrücksitzwände, verschiedene Hovercraftbauteile, Leichtbau- PC-Gehäuse und Schmiedeteile für Schiffscontainer. Hierfür untersucht das Projektkonsortium Fragestellungen zu Oberflächenbehandlungen für Korrosionsschutz und zu Fügeverfahren wie Schweißen. Am Ende berechnen die Forschenden die CO₂-Belastung mithilfe eines speziell entwickelten Tools auf Basis des Cradle-to-Cradle-Ansatzes.
Das Projektteam beginnt mit der Analyse des bestehenden Schmelzprozesses. Es misst Energieflüsse und Emissionen einer realen Anlage und bewertet deren energetisches Optimierungspotenzial. Parallel dazu erproben die Forschenden verschiedene Wasserstoffbrenner im Praxiseinsatz, um fossiles Erdgas als Wärmequelle vollständig zu ersetzen. Aus den erfassten Daten erstellen sie einen digitalen Zwilling des Brennofens. Dieses virtuelle Modell bildet den realen Prozess nach und ermöglicht eine präzise Simulation und Steuerung der Betriebszustände.
Für die Erzeugung und Verarbeitung der Magnesiumhalbzeuge verfolgen die Partner verschiedene Prozessketten. Zum einen arbeiten sie mit dem so genannten GieWaCon-Verfahren, welches das Gießwalzen mit einem kontinuierlichen Strangpressprozess (Conform®) verbindet. Zum anderen nutzen sie das Strangpressen von Magnesiumblechen aus der Gießhitze.
Die Forschenden verarbeiten die Magnesiumlegierung ZAX210, die sich bei niedrigeren Temperaturen gut umformen lässt, sodass vielfältige Bauteile erzeugt werden können. Beispielhafte Prototypen sind Schienenrücksitzwände, verschiedene Hovercraftbauteile, Leichtbau- PC-Gehäuse und Schmiedeteile für Schiffscontainer. Hierfür untersucht das Projektkonsortium Fragestellungen zu Oberflächenbehandlungen für Korrosionsschutz und zu Fügeverfahren wie Schweißen. Am Ende berechnen die Forschenden die CO₂-Belastung mithilfe eines speziell entwickelten Tools auf Basis des Cradle-to-Cradle-Ansatzes.
COOLBat
Batteriegehäuse für E-Autos optimieren: mit Aluminium-Schaum und effizienterer Herstellung
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
31.10.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Offenporig
Hintergrund
Elektroautos können dazu beitragen, Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor zu reduzieren und das Klima zu schützen. Das Batteriesystem ist dabei das Herzstück moderner E-Autos und zentraler Baustein für eine nachhaltige Mobilität. Leichtbau kann mit innovativen Konstruktionsprinzipien, Materialien und Produktionsverfahren dazu beitragen, Batteriesysteme leichter zu machen, ihre Eigenschaften im Gebrauch zu optimieren und ihre Produktion effizienter zu gestalten.
Elektroautos können dazu beitragen, Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor zu reduzieren und das Klima zu schützen. Das Batteriesystem ist dabei das Herzstück moderner E-Autos und zentraler Baustein für eine nachhaltige Mobilität. Leichtbau kann mit innovativen Konstruktionsprinzipien, Materialien und Produktionsverfahren dazu beitragen, Batteriesysteme leichter zu machen, ihre Eigenschaften im Gebrauch zu optimieren und ihre Produktion effizienter zu gestalten.
Ziel
Ziel des Forschungsvorhabens COOLBat ist es, durch Gewichtsreduktion der Batteriegehäuse die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen. Gleichzeitig möchten die Forschenden die Leistungsfähigkeit der Batterien verbessern und schnellere Ladezeiten ermöglichen. Darüber hinaus untersucht das Projektteam, wie sich die Herstellung der Batteriegehäuse mit Leichtbauansätzen deutlich effizienter gestalten lässt, um schon in der Produktion CO₂-Emissionen einzusparen.
Das betrachtete Batteriesystem eines Elektroautos dient den Forschenden dabei als Referenz und Demonstrator. Die Forschungsergebnisse sollen anschließend als Blaupause zur Entwicklung, Optimierung und Skalierung von spezifischen Leichtbaumaterialien und -technologien für andere Branchen und Anwendungen dienen, etwa Züge, Flugzeuge und Schiffe oder Lebensmittel- und Medizintransporte.
Ziel des Forschungsvorhabens COOLBat ist es, durch Gewichtsreduktion der Batteriegehäuse die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen. Gleichzeitig möchten die Forschenden die Leistungsfähigkeit der Batterien verbessern und schnellere Ladezeiten ermöglichen. Darüber hinaus untersucht das Projektteam, wie sich die Herstellung der Batteriegehäuse mit Leichtbauansätzen deutlich effizienter gestalten lässt, um schon in der Produktion CO₂-Emissionen einzusparen.
Das betrachtete Batteriesystem eines Elektroautos dient den Forschenden dabei als Referenz und Demonstrator. Die Forschungsergebnisse sollen anschließend als Blaupause zur Entwicklung, Optimierung und Skalierung von spezifischen Leichtbaumaterialien und -technologien für andere Branchen und Anwendungen dienen, etwa Züge, Flugzeuge und Schiffe oder Lebensmittel- und Medizintransporte.
Vorgehen
Die Forschenden überprüfen alle Entwicklungsschritte darauf, wie sie zur CO₂-Einsparung und –Bindung beitragen können. Dazu betrachten sie das gesamte Batteriesystem. Neben dem Batteriemodul mit seinen Zellen umfasst es das Gehäuse mit Strukturen zur Lastverteilung und Temperaturregelung. Dazu zählen unter anderem Rahmen, Deckel und Bodenplatten, welche die Batterien vor Überhitzung und Beschädigung schützen.
Das Team kombiniert Einzelsysteme, um mehr Funktionen auf kleinerem Raum und mit weniger Schnittstellen zu integrieren. So sollen thermische und mechanische Aufgaben vereint werden. Tragstrukturen beinhalten künftig direkt eingegossene sogenannte Temperierkanäle. In den Bodenplatten wird z.B. die Funktion der Kühleinheit mit der des Crash-Schutzes in einer Komponente verbunden.
Der Einsatz von Aluminiumschaum ermöglicht dabei eine optimale Lastenverteilung und Energieabsorption bei Unfällen. Kombiniert wird der Schaum mit einem sogenannten Phasenwechselmaterial, das Wärme- und Kälteenergie speichern und nach Bedarf wieder abgeben kann. Diese Materialkombination senkt zusätzlich den Energieaufwand zur Kühlung der Batterie. Der Deckel des Batteriegehäuses wird so konstruiert, dass das Gehäuse die darauf einwirkenden Lasten optimal abfangen kann. Zudem entwickeln die Beteiligten neue Wärmeleitwerkstoffe, um aufwendiger zu produzierende und umweltschädliche Wärmeleitpasten zu ersetzen. Die genutzten Leichtbaulösungen sollen 15 Prozent CO₂ pro Batteriegehäuse einsparen.
Die Forschenden überprüfen alle Entwicklungsschritte darauf, wie sie zur CO₂-Einsparung und –Bindung beitragen können. Dazu betrachten sie das gesamte Batteriesystem. Neben dem Batteriemodul mit seinen Zellen umfasst es das Gehäuse mit Strukturen zur Lastverteilung und Temperaturregelung. Dazu zählen unter anderem Rahmen, Deckel und Bodenplatten, welche die Batterien vor Überhitzung und Beschädigung schützen.
Das Team kombiniert Einzelsysteme, um mehr Funktionen auf kleinerem Raum und mit weniger Schnittstellen zu integrieren. So sollen thermische und mechanische Aufgaben vereint werden. Tragstrukturen beinhalten künftig direkt eingegossene sogenannte Temperierkanäle. In den Bodenplatten wird z.B. die Funktion der Kühleinheit mit der des Crash-Schutzes in einer Komponente verbunden.
Der Einsatz von Aluminiumschaum ermöglicht dabei eine optimale Lastenverteilung und Energieabsorption bei Unfällen. Kombiniert wird der Schaum mit einem sogenannten Phasenwechselmaterial, das Wärme- und Kälteenergie speichern und nach Bedarf wieder abgeben kann. Diese Materialkombination senkt zusätzlich den Energieaufwand zur Kühlung der Batterie. Der Deckel des Batteriegehäuses wird so konstruiert, dass das Gehäuse die darauf einwirkenden Lasten optimal abfangen kann. Zudem entwickeln die Beteiligten neue Wärmeleitwerkstoffe, um aufwendiger zu produzierende und umweltschädliche Wärmeleitpasten zu ersetzen. Die genutzten Leichtbaulösungen sollen 15 Prozent CO₂ pro Batteriegehäuse einsparen.
COOPERATE
Biobasierte Kunststoffe: Lasttragende Bauteile materialeffizient herstellen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
30.04.25
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Hersteller von technischen Gebrauchsgütern setzen häufig thermoplastische Kunststoffe ein, um stabile und langlebige Bauteile zu fertigen. In schwingungsbelasteten Anwendungen, etwa bei Elektrowerkzeugen, kommen vor allem glasfaserverstärkte Polyamide zum Einsatz. Doch diese Werkstoffe basieren auf fossilen Rohstoffen und verursachen hohe CO₂-Emissionen.
Biobasierte Kunststoffe bieten eine klimafreundlichere Alternative, erreichen aber oft nicht die erforderliche Belastbarkeit. Gleichzeitig schafft Leichtbau durch gezielte Materialeinsparung weiteres Potenzial zur Reduktion. Um beides erfolgreich zu verbinden, braucht es neue Methoden und Materialien: Werkstoffe mit angepassten Eigenschaften und Auslegungsprozesse, die sowohl mechanische Anforderungen als auch Umweltziele berücksichtigen. Genau hier setzt das Forschungsprojekt COOPERATE an.
Hersteller von technischen Gebrauchsgütern setzen häufig thermoplastische Kunststoffe ein, um stabile und langlebige Bauteile zu fertigen. In schwingungsbelasteten Anwendungen, etwa bei Elektrowerkzeugen, kommen vor allem glasfaserverstärkte Polyamide zum Einsatz. Doch diese Werkstoffe basieren auf fossilen Rohstoffen und verursachen hohe CO₂-Emissionen.
Biobasierte Kunststoffe bieten eine klimafreundlichere Alternative, erreichen aber oft nicht die erforderliche Belastbarkeit. Gleichzeitig schafft Leichtbau durch gezielte Materialeinsparung weiteres Potenzial zur Reduktion. Um beides erfolgreich zu verbinden, braucht es neue Methoden und Materialien: Werkstoffe mit angepassten Eigenschaften und Auslegungsprozesse, die sowohl mechanische Anforderungen als auch Umweltziele berücksichtigen. Genau hier setzt das Forschungsprojekt COOPERATE an.
Ziel
Das Projektteam will die CO₂-Emissionen bei Kunststoffbauteilen in der Serienproduktion um bis zu 75 Prozent senken. Hierfür will es herkömmliche Kunststoffe durch klimafreundlichere Alternativen ersetzen. Die Partner entwickeln biobasierte Werkstoffe und neue Designmethoden so weiter, dass sie unter realen Bedingungen einsetzbar sind – auch dort, wo Bauteile stark schwingen oder dauerhaft belastet werden. Dies kombinieren sie mit simulationsgestützten Konstruktionsmethoden.
So schaffen sie ressourceneffiziente und langlebige Bauteile, die im Vergleich zu bisherigen Lösungen eine deutlich bessere Ökobilanz aufweisen. Die Ergebnisse lassen sich auf Anwendungen in der Fahrzeugtechnik und anderen Industrien übertragen.
Das Projektteam will die CO₂-Emissionen bei Kunststoffbauteilen in der Serienproduktion um bis zu 75 Prozent senken. Hierfür will es herkömmliche Kunststoffe durch klimafreundlichere Alternativen ersetzen. Die Partner entwickeln biobasierte Werkstoffe und neue Designmethoden so weiter, dass sie unter realen Bedingungen einsetzbar sind – auch dort, wo Bauteile stark schwingen oder dauerhaft belastet werden. Dies kombinieren sie mit simulationsgestützten Konstruktionsmethoden.
So schaffen sie ressourceneffiziente und langlebige Bauteile, die im Vergleich zu bisherigen Lösungen eine deutlich bessere Ökobilanz aufweisen. Die Ergebnisse lassen sich auf Anwendungen in der Fahrzeugtechnik und anderen Industrien übertragen.
Vorgehen
Das Projektteam verfolgt einen integrierten Forschungsansatz: Es entwickelt biobasierte Komposite weiter, verstärkt sie mit Fasern und analysiert ihr Verhalten in mechanisch beanspruchten Anwendungen. Dabei untersuchen die Forschenden nicht nur die Festigkeit und Schwingungsdämpfung, sondern auch Alterungseffekte und optische Qualität.
Parallel dazu entwickeln die Partner neue Simulationsmodelle, mit denen sich das Materialverhalten unter realen Bedingungen vorhersagen lässt. Diese Modelle sind die Basis für die Entwicklung von Leichtbaustrukturen, die mit möglichst wenig Material auskommen. In mehreren Stufen – von kleinen Probekörpern bis zu realen Demonstratorbauteilen – testen die Forschenden die Ergebnisse. An einer PKW-Fahrwerkskomponente zeigen sie exemplarisch das Einsparpotenzial.
Eine Lebenszyklusanalyse erfasst die CO₂-Bilanz über alle Prozessschritte hinweg. Zudem entwickelt das Team einen serientauglichen Fertigungsprozess, der auf Qualität, kurze Zykluszeiten und strukturellen Einsatz der neuen Werkstoffe ausgelegt ist.
Das Projektteam verfolgt einen integrierten Forschungsansatz: Es entwickelt biobasierte Komposite weiter, verstärkt sie mit Fasern und analysiert ihr Verhalten in mechanisch beanspruchten Anwendungen. Dabei untersuchen die Forschenden nicht nur die Festigkeit und Schwingungsdämpfung, sondern auch Alterungseffekte und optische Qualität.
Parallel dazu entwickeln die Partner neue Simulationsmodelle, mit denen sich das Materialverhalten unter realen Bedingungen vorhersagen lässt. Diese Modelle sind die Basis für die Entwicklung von Leichtbaustrukturen, die mit möglichst wenig Material auskommen. In mehreren Stufen – von kleinen Probekörpern bis zu realen Demonstratorbauteilen – testen die Forschenden die Ergebnisse. An einer PKW-Fahrwerkskomponente zeigen sie exemplarisch das Einsparpotenzial.
Eine Lebenszyklusanalyse erfasst die CO₂-Bilanz über alle Prozessschritte hinweg. Zudem entwickelt das Team einen serientauglichen Fertigungsprozess, der auf Qualität, kurze Zykluszeiten und strukturellen Einsatz der neuen Werkstoffe ausgelegt ist.
CO₂-HyChain
CO₂-Fußabdruck von PKW senken: hybride Hochleistungsbauteile aus Aluminium und Stahl
Förderlaufzeit:
Start
01.03.21
Ende
31.08.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl, Sonstige Metalle
Hintergrund
Der Straßenverkehr in Deutschland verursacht jährlich etwa 160 Millionen Tonnen CO₂ und ist damit für etwa 20 Prozent des gesamten CO₂-Ausstoßes des Landes verantwortlich. Eine wirksame Methode, um die von PKW verursachten CO₂-Emissionen zu reduzieren besteht darin, das Fahrzeuggewicht durch funktionalen Leichtbau zu senken. Dazu werden aktuell insbesondere drei Technologien genutzt: Hochfeste Aluminiumlegierungen, Aluminium-Stahl-Mischbauweise sowie Tailor Welded Blanks (TWB) – geschweißte Karosserieteile aus Stahlblechen mit unterschiedlichen Festigkeiten und Dicken.
Der Straßenverkehr in Deutschland verursacht jährlich etwa 160 Millionen Tonnen CO₂ und ist damit für etwa 20 Prozent des gesamten CO₂-Ausstoßes des Landes verantwortlich. Eine wirksame Methode, um die von PKW verursachten CO₂-Emissionen zu reduzieren besteht darin, das Fahrzeuggewicht durch funktionalen Leichtbau zu senken. Dazu werden aktuell insbesondere drei Technologien genutzt: Hochfeste Aluminiumlegierungen, Aluminium-Stahl-Mischbauweise sowie Tailor Welded Blanks (TWB) – geschweißte Karosserieteile aus Stahlblechen mit unterschiedlichen Festigkeiten und Dicken.
Ziel
Die Forscherinnen und Forscher im Projekt CO₂-HyChain haben das Ziel, diese Technologien zu kombinieren, um das Fahrzeuggewicht weiter zu reduzieren. Insbesondere sollen hochfeste Aluminium-TWB und hybride Aluminium-Stahl-TWB verwendet werden. Durch die gemeinsame Nutzung von Aluminium und Stahl möchten die Beteiligten die positiven Eigenschaften der beiden Werkstoffe – insbesondere die hohe Festigkeit des Stahls und das geringe Gewicht des Aluminiums – kombinieren.
Die im Labormaßstab erforschten Lösungen möchten die Projektpartner durch Technologietransfer in die industrielle Produktion überführen und die gesamte Wertschöpfungskette weiterentwickeln. Durch die Einführung dieser Technologien soll der CO₂-Fußabdruck von PKW um bis zu 15 Prozent gesenkt werden.
Die Forscherinnen und Forscher im Projekt CO₂-HyChain haben das Ziel, diese Technologien zu kombinieren, um das Fahrzeuggewicht weiter zu reduzieren. Insbesondere sollen hochfeste Aluminium-TWB und hybride Aluminium-Stahl-TWB verwendet werden. Durch die gemeinsame Nutzung von Aluminium und Stahl möchten die Beteiligten die positiven Eigenschaften der beiden Werkstoffe – insbesondere die hohe Festigkeit des Stahls und das geringe Gewicht des Aluminiums – kombinieren.
Die im Labormaßstab erforschten Lösungen möchten die Projektpartner durch Technologietransfer in die industrielle Produktion überführen und die gesamte Wertschöpfungskette weiterentwickeln. Durch die Einführung dieser Technologien soll der CO₂-Fußabdruck von PKW um bis zu 15 Prozent gesenkt werden.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln neue Schweißmethoden und Wärmebehandlungstechniken, um hochfeste Aluminium-Stahl-Verbindungen mit unterschiedlichen Blechdicken wirtschaftlich herzustellen. Auch möchten sie die mechanischen Eigenschaften und die Haltbarkeit der Schweißnähte deutlich verbessern, wodurch die industriellen Anwendungen von hochfesten Aluminium- und hybriden Aluminium-Stahl-TWB erheblich erweitert werden können.
Um diese Technologien in bestehende Produktionsprozesse integrieren und die Produktion wirtschaftlich und ökologisch nachhaltiger gestalten zu können, entwickeln die Projektpartner hocheffiziente Produktionsanlagen für die Herstellung großformatiger Aluminium-Stahl-TWB sowie -Tailor Welded Coils (TWC) – Spulen aus Metallbändern aus unterschiedlichen Materialien oder Dicken. Dabei erarbeiten sie Steuerungs- und Regelungskonzepte, um eine zuverlässige Prozessregelung zu ermöglichen und eine ausreichende Qualität der TWB und TWC sicherzustellen. Einen weiteren Schwerpunkt legen sie auf die Entwicklung und Implementierung neuer Recyclingkonzepte, um die Ressourceneffizienz weiter zu maximieren.
Die Forschenden entwickeln neue Schweißmethoden und Wärmebehandlungstechniken, um hochfeste Aluminium-Stahl-Verbindungen mit unterschiedlichen Blechdicken wirtschaftlich herzustellen. Auch möchten sie die mechanischen Eigenschaften und die Haltbarkeit der Schweißnähte deutlich verbessern, wodurch die industriellen Anwendungen von hochfesten Aluminium- und hybriden Aluminium-Stahl-TWB erheblich erweitert werden können.
Um diese Technologien in bestehende Produktionsprozesse integrieren und die Produktion wirtschaftlich und ökologisch nachhaltiger gestalten zu können, entwickeln die Projektpartner hocheffiziente Produktionsanlagen für die Herstellung großformatiger Aluminium-Stahl-TWB sowie -Tailor Welded Coils (TWC) – Spulen aus Metallbändern aus unterschiedlichen Materialien oder Dicken. Dabei erarbeiten sie Steuerungs- und Regelungskonzepte, um eine zuverlässige Prozessregelung zu ermöglichen und eine ausreichende Qualität der TWB und TWC sicherzustellen. Einen weiteren Schwerpunkt legen sie auf die Entwicklung und Implementierung neuer Recyclingkonzepte, um die Ressourceneffizienz weiter zu maximieren.
DigiLaugBeh
Waschmaschinen nachhaltiger produzieren: Materialrecycling und digitale Simulation
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Glasfasern, Sonstige Fasern
Hintergrund
Die Trommeln von Waschmaschinen drehen sich in fast jedem deutschen Haushalt. Deshalb ist es wichtig, dass die Geräte nicht nur im Gebrauch, sondern auch in ihrer Herstellung möglichst energieeffizient sind. Hier setzen die Forschenden im Vorhaben DigiLaugBeh an, indem sie innovative Leichtbaulösungen aus dem Automobilbau mithilfe digitaler Simulationen auf die Anwendung „Waschmaschine“ übertragen. Die Laugenbehälter werden im Spritzgießverfahren hergestellt. Dabei plastifiziert eine Maschine den eingesetzten Kunststoff – kurzfaserverstärktes Thermoplast – und spritzt das dadurch weich gewordene Material unter Druck in Form.
Die Trommeln von Waschmaschinen drehen sich in fast jedem deutschen Haushalt. Deshalb ist es wichtig, dass die Geräte nicht nur im Gebrauch, sondern auch in ihrer Herstellung möglichst energieeffizient sind. Hier setzen die Forschenden im Vorhaben DigiLaugBeh an, indem sie innovative Leichtbaulösungen aus dem Automobilbau mithilfe digitaler Simulationen auf die Anwendung „Waschmaschine“ übertragen. Die Laugenbehälter werden im Spritzgießverfahren hergestellt. Dabei plastifiziert eine Maschine den eingesetzten Kunststoff – kurzfaserverstärktes Thermoplast – und spritzt das dadurch weich gewordene Material unter Druck in Form.
Ziel
Die Projektpartner wollen anhand des Laugenbehälters, der die Waschtrommel umgibt, zeigen, wie groß das Potenzial ist, CO₂ einzusparen und Materialien zu recyceln. Dafür wenden sie innovative Leichtbaulösungen an. Um die gesamte Produktentstehungskette virtuell abzubilden, die gesamte Bauteilauslegung zu simulieren und die Prozess-, Material- sowie Umweltbilanz ganzheitlich betrachten zu können, erstellen die Forschenden einen Digitalen Zwilling. Am Ende will das Projektteam einen Demonstrator anfertigen, der alle gewonnenen Erkenntnisse in sich vereint und damit den Übergang in die serielle Produktion des innovativen Laugenbehälters ermöglicht.
Die Projektpartner wollen anhand des Laugenbehälters, der die Waschtrommel umgibt, zeigen, wie groß das Potenzial ist, CO₂ einzusparen und Materialien zu recyceln. Dafür wenden sie innovative Leichtbaulösungen an. Um die gesamte Produktentstehungskette virtuell abzubilden, die gesamte Bauteilauslegung zu simulieren und die Prozess-, Material- sowie Umweltbilanz ganzheitlich betrachten zu können, erstellen die Forschenden einen Digitalen Zwilling. Am Ende will das Projektteam einen Demonstrator anfertigen, der alle gewonnenen Erkenntnisse in sich vereint und damit den Übergang in die serielle Produktion des innovativen Laugenbehälters ermöglicht.
Vorgehen
Die Projektpartner optimieren anhand digitaler Simulationen den gesamten Herstellungsprozess. So wollen sie etwa Langglasfasern einsetzen, statt des kurzfaserverstärkten Materials. Außerdem ersetzen sie das konventionelle Spritzgießen durch Thermoplast-Schaumspritzgießen. Hierbei wird die Kunststoffschmelze mit Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff beladen und dann aufgeschäumt. Dies schont die Fasern und reduziert die Gefahr eines Bauteilverzugs.
Die genutzten Ansätze werden von Beginn an auf ihren Lebenszyklus hin analysiert. Dabei bewerten die Forschenden den jeweiligen CO₂-Fußabdruck und optimieren diesen. Außerdem wollen sie rund 50 Prozent der eingesetzten Werkstoffe durch Recyclingmaterial ersetzen, indem sie zum Beispiel Rückläufer nach Beendigung ihrer Lebensdauer wiederverwerten.
Die Forschenden gehen davon aus, dass sie so 30 bis 40 Prozent CO₂-Äquivalente pro Kilogramm eingesetztem Material einsparen. Der Laugenbehälter wiegt rund 4 Kilogramm. Bei 8 Millionen hergestellten Teilen jährlich würde das Ersetzen der Hälfte der eingesetzten Werkstoffe durch recyceltes Material 19 bis 25 Tausend Tonnen CO₂-Äquivalente pro Jahr einsparen.
Die Projektpartner optimieren anhand digitaler Simulationen den gesamten Herstellungsprozess. So wollen sie etwa Langglasfasern einsetzen, statt des kurzfaserverstärkten Materials. Außerdem ersetzen sie das konventionelle Spritzgießen durch Thermoplast-Schaumspritzgießen. Hierbei wird die Kunststoffschmelze mit Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff beladen und dann aufgeschäumt. Dies schont die Fasern und reduziert die Gefahr eines Bauteilverzugs.
Die genutzten Ansätze werden von Beginn an auf ihren Lebenszyklus hin analysiert. Dabei bewerten die Forschenden den jeweiligen CO₂-Fußabdruck und optimieren diesen. Außerdem wollen sie rund 50 Prozent der eingesetzten Werkstoffe durch Recyclingmaterial ersetzen, indem sie zum Beispiel Rückläufer nach Beendigung ihrer Lebensdauer wiederverwerten.
Die Forschenden gehen davon aus, dass sie so 30 bis 40 Prozent CO₂-Äquivalente pro Kilogramm eingesetztem Material einsparen. Der Laugenbehälter wiegt rund 4 Kilogramm. Bei 8 Millionen hergestellten Teilen jährlich würde das Ersetzen der Hälfte der eingesetzten Werkstoffe durch recyceltes Material 19 bis 25 Tausend Tonnen CO₂-Äquivalente pro Jahr einsparen.
DigiPEP
Faserverbunde effizient auslegen: digitales Modell für Tailored Fibre Placement
Förderlaufzeit:
Start
17.05.22
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Naturfasern, Duroplaste, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Sonstige (TFP)
Hintergrund
Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen leichtere und leistungsfähigere Bauteile. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der Mobilität und Industrie der Zukunft. Besonders das Tailored Fibre Placement (TFP) bietet großes Potenzial: Es ermöglicht die präzise Ablage von Verstärkungsfasern entlang der Hauptbelastungen im Bauteil. Dadurch entstehen hochbelastbare Strukturen mit minimalem Materialeinsatz.
Allerdings ist die industrielle Anwendung komplex. Die Entwicklung eines TFP-Bauteils erfordert viele Iterationen, da Konstruktion, Fertigung und mechanische Eigenschaften eng zusammenhängen. Vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) stehen vor Herausforderungen: Hohe Entwicklungskosten und fehlende digitale Werkzeuge erschweren den Zugang zur Technologie. Hier setzt das Forschungsprojekt DigiPEP an und entwickelt eine digitale Lösung, die den Entwicklungsprozess grundlegend vereinfacht.
Faserverstärkte Kunststoffe ermöglichen leichtere und leistungsfähigere Bauteile. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der Mobilität und Industrie der Zukunft. Besonders das Tailored Fibre Placement (TFP) bietet großes Potenzial: Es ermöglicht die präzise Ablage von Verstärkungsfasern entlang der Hauptbelastungen im Bauteil. Dadurch entstehen hochbelastbare Strukturen mit minimalem Materialeinsatz.
Allerdings ist die industrielle Anwendung komplex. Die Entwicklung eines TFP-Bauteils erfordert viele Iterationen, da Konstruktion, Fertigung und mechanische Eigenschaften eng zusammenhängen. Vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) stehen vor Herausforderungen: Hohe Entwicklungskosten und fehlende digitale Werkzeuge erschweren den Zugang zur Technologie. Hier setzt das Forschungsprojekt DigiPEP an und entwickelt eine digitale Lösung, die den Entwicklungsprozess grundlegend vereinfacht.
Ziel
Ziel von DigiPEP ist es, einen ganzheitlichen, digitalen Entwicklungsprozess für TFP-Bauteile zu schaffen. Hierfür verknüpft das Projektteam die einzelnen Schritte von der Bauteilkonstruktion über die Fertigung bis hin zur Kosten- und Nachhaltigkeitsbewertung. Ziel ist eine effiziente, automatisierte und anwenderfreundliche Lösung.
Alle relevanten Auslegungsschritte wollen die Forschenden in einem Model-Based Systems Engineering (MBSE)-Ansatz verknüpfen. So wollen sie strukturelle, fertigungstechnische und wirtschaftliche Aspekte parallel optimieren. Das Modell berücksichtigt mechanische Belastungen, die Faserorientierung im Stickmuster, Drapiereinflüsse sowie Versagensmechanismen. Damit reduziert sich der iterative Entwicklungsaufwand erheblich.
Das digitale Modell soll eine optimale Materialnutzung ermöglichen, den Verschnitt reduzieren und dadurch die Kosten senken. Durch eine integrierte Lebenszyklusbewertung sollen Unternehmen schon in der frühen Planungsphase nachhaltige Entscheidungen treffen können.
Ziel von DigiPEP ist es, einen ganzheitlichen, digitalen Entwicklungsprozess für TFP-Bauteile zu schaffen. Hierfür verknüpft das Projektteam die einzelnen Schritte von der Bauteilkonstruktion über die Fertigung bis hin zur Kosten- und Nachhaltigkeitsbewertung. Ziel ist eine effiziente, automatisierte und anwenderfreundliche Lösung.
Alle relevanten Auslegungsschritte wollen die Forschenden in einem Model-Based Systems Engineering (MBSE)-Ansatz verknüpfen. So wollen sie strukturelle, fertigungstechnische und wirtschaftliche Aspekte parallel optimieren. Das Modell berücksichtigt mechanische Belastungen, die Faserorientierung im Stickmuster, Drapiereinflüsse sowie Versagensmechanismen. Damit reduziert sich der iterative Entwicklungsaufwand erheblich.
Das digitale Modell soll eine optimale Materialnutzung ermöglichen, den Verschnitt reduzieren und dadurch die Kosten senken. Durch eine integrierte Lebenszyklusbewertung sollen Unternehmen schon in der frühen Planungsphase nachhaltige Entscheidungen treffen können.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln zunächst Teilmodelle für Strukturanalyse, Stickpfadauslegung, Drapiersimulation und Versagensbewertung. Mechanische Prüfungen an Materialproben liefern präzise Daten für die Modellierung der Materialeigenschaften. Zudem analysiert das Team das Ablage- und Drapierverhalten unterschiedlicher Fasertypen unter variierenden Fertigungsparametern. Diese experimentellen Daten fließen in ein KI-gestütztes Drapiermodell ein, das die Faserverlagerung während der Umformung realitätsnah abbildet. Schließlich führen die Forschenden alle Teilmodelle in einer vernetzten Systemumgebung zusammen.
Das Projektteam testet und validiert das Modell anhand eines Demonstrator-Bauteils aus der Fertigungsbranche. Die Ergebnisse fließen direkt in die Softwareentwicklung ein. So wollen die Forschenden eine praxistaugliche Softwarelösung bereitstellen, die eine wirtschaftliche und lastpfadgerechte Auslegung von TFP-Bauteilen ermöglicht.
Die Forschenden entwickeln zunächst Teilmodelle für Strukturanalyse, Stickpfadauslegung, Drapiersimulation und Versagensbewertung. Mechanische Prüfungen an Materialproben liefern präzise Daten für die Modellierung der Materialeigenschaften. Zudem analysiert das Team das Ablage- und Drapierverhalten unterschiedlicher Fasertypen unter variierenden Fertigungsparametern. Diese experimentellen Daten fließen in ein KI-gestütztes Drapiermodell ein, das die Faserverlagerung während der Umformung realitätsnah abbildet. Schließlich führen die Forschenden alle Teilmodelle in einer vernetzten Systemumgebung zusammen.
Das Projektteam testet und validiert das Modell anhand eines Demonstrator-Bauteils aus der Fertigungsbranche. Die Ergebnisse fließen direkt in die Softwareentwicklung ein. So wollen die Forschenden eine praxistaugliche Softwarelösung bereitstellen, die eine wirtschaftliche und lastpfadgerechte Auslegung von TFP-Bauteilen ermöglicht.
DOM4Composites
Modulare, kreislauffähige Bauteile herstellen: Leichtbaustrukturen aus Verbundkunststoff
Förderlaufzeit:
Start
01.10.23
Ende
30.09.26
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Gelege, Gewebe, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Angesichts zunehmender Klima- und Umweltbelastungen sowie EU-weiten Klimaschutzinitiativen und nationalen CO₂-Reduktionszielen steigt der branchenübergreifende Bedarf an kreislauffähigen, ressourcenschonenden Leichtbaulösungen. Kommen bei großen Strukturen in der Mobilitäts- sowie Energiebranche – etwa beim Bau von Fahrzeugen oder Windenergieanlagen – bisher vor allem Stahl und Aluminium zum Einsatz, werden mit den neuen Anforderungen an Nachhaltigkeit und Wiederverwertbarkeit neue Materialansätze benötigt. Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten hier eine ressourcenschonende Alternative. Konventionelle duroplastische FVK, also faserverstärkte Kunststoffe, die nach dem Aushärten eine dauerhafte und unveränderliche Form annehmen, lassen sich jedoch schwer recyceln und erschweren Reparaturen und die Demontage. Einen Lösungsansatz bieten thermoplastische FVK, die durch Schmelz- und Schweißbarkeit eine höhere Recyclingfähigkeit und flexiblere Nutzung ermöglichen.
Angesichts zunehmender Klima- und Umweltbelastungen sowie EU-weiten Klimaschutzinitiativen und nationalen CO₂-Reduktionszielen steigt der branchenübergreifende Bedarf an kreislauffähigen, ressourcenschonenden Leichtbaulösungen. Kommen bei großen Strukturen in der Mobilitäts- sowie Energiebranche – etwa beim Bau von Fahrzeugen oder Windenergieanlagen – bisher vor allem Stahl und Aluminium zum Einsatz, werden mit den neuen Anforderungen an Nachhaltigkeit und Wiederverwertbarkeit neue Materialansätze benötigt. Faserverbundkunststoffe (FVK) bieten hier eine ressourcenschonende Alternative. Konventionelle duroplastische FVK, also faserverstärkte Kunststoffe, die nach dem Aushärten eine dauerhafte und unveränderliche Form annehmen, lassen sich jedoch schwer recyceln und erschweren Reparaturen und die Demontage. Einen Lösungsansatz bieten thermoplastische FVK, die durch Schmelz- und Schweißbarkeit eine höhere Recyclingfähigkeit und flexiblere Nutzung ermöglichen.
Ziel
Das zentrale Ziel im Vorhaben DOM4Composites ist die Entwicklung großer, modular aufgebauter Strukturen aus thermoplastischen FVK für die Mobilitäts- und Energiebranche. So sollen die neuartigen Leichtbaustrukturen etwa in Schiffen, Schienen- und Nutzfahrzeugen oder in Windenergieanlagen eingesetzt werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten so technologische Standards für eine umweltfreundlichere Fertigung von Großstrukturen setzen.
Bereits beim Design berücksichtigen die Forschenden einen demontageoptimierten Aufbau, um die Materialien besser wiederverwerten zu können und die Material- und Energieeffizienz zu steigern. Durch den modularen Aufbau möchten sie zudem die Reparatur einzelner Module vereinfachen, wodurch die Lebensdauer gesamter Baugruppen erhöht werden kann. Durch die neuartige Bauweise könnten Materialien mehrfach verwendet, das Gewicht der Strukturen deutlich reduziert und so CO₂ in der Produktion und Nutzung eingespart werden.
Das zentrale Ziel im Vorhaben DOM4Composites ist die Entwicklung großer, modular aufgebauter Strukturen aus thermoplastischen FVK für die Mobilitäts- und Energiebranche. So sollen die neuartigen Leichtbaustrukturen etwa in Schiffen, Schienen- und Nutzfahrzeugen oder in Windenergieanlagen eingesetzt werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten so technologische Standards für eine umweltfreundlichere Fertigung von Großstrukturen setzen.
Bereits beim Design berücksichtigen die Forschenden einen demontageoptimierten Aufbau, um die Materialien besser wiederverwerten zu können und die Material- und Energieeffizienz zu steigern. Durch den modularen Aufbau möchten sie zudem die Reparatur einzelner Module vereinfachen, wodurch die Lebensdauer gesamter Baugruppen erhöht werden kann. Durch die neuartige Bauweise könnten Materialien mehrfach verwendet, das Gewicht der Strukturen deutlich reduziert und so CO₂ in der Produktion und Nutzung eingespart werden.
Vorgehen
Das Team entwickelt skalierbare Fertigungsprozesse für thermoplastische FVK. Um einen modularen Aufbau und die spätere Wiederverwertung der Bauteile zu ermöglichen, nutzen sie innovative Füge- und Demontagekonzepte. Hierzu definieren die Forschenden zunächst umfassende Anforderungen an mechanische und thermische Belastungen sowie Qualitätskriterien der Materialien für verschiedene Anwendungen.
Ein besonderer Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liegt auf der Entwicklung wiederkehrender Substrukturen, die eine effiziente und wirtschaftliche Umsetzung modularer Leichtbaustrukturen erlauben. Dazu passen sie die Materialien in umfassenden Werkstoffprüfungen auf ihre Eignung hin an. Für die Verbindung der Bauteile setzt das Team verschiedene Fügetechniken wie Kleben, Widerstandsschweißen und Hybridfügen ein, um Recyclingfähigkeit und Reparaturfreundlichkeit sicherzustellen.
Die entwickelten Ansätze testen die Projektpartner an zwei branchenübergreifenden Prototypen, einem Schiffslukendeckel sowie der Seitenwand eines Wagenkastens aus dem Schienenfahrzeugbau. Mit einer begleitenden Lebenszyklusanalyse bewertet das Team dabei die ökologische Wirkung der gesamten Prozesskette, um die Umweltbilanz weiter zu optimieren und das Potenzial nachhaltiger Leichtbaustrukturen praxisnah zu demonstrieren.
Das Team entwickelt skalierbare Fertigungsprozesse für thermoplastische FVK. Um einen modularen Aufbau und die spätere Wiederverwertung der Bauteile zu ermöglichen, nutzen sie innovative Füge- und Demontagekonzepte. Hierzu definieren die Forschenden zunächst umfassende Anforderungen an mechanische und thermische Belastungen sowie Qualitätskriterien der Materialien für verschiedene Anwendungen.
Ein besonderer Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler liegt auf der Entwicklung wiederkehrender Substrukturen, die eine effiziente und wirtschaftliche Umsetzung modularer Leichtbaustrukturen erlauben. Dazu passen sie die Materialien in umfassenden Werkstoffprüfungen auf ihre Eignung hin an. Für die Verbindung der Bauteile setzt das Team verschiedene Fügetechniken wie Kleben, Widerstandsschweißen und Hybridfügen ein, um Recyclingfähigkeit und Reparaturfreundlichkeit sicherzustellen.
Die entwickelten Ansätze testen die Projektpartner an zwei branchenübergreifenden Prototypen, einem Schiffslukendeckel sowie der Seitenwand eines Wagenkastens aus dem Schienenfahrzeugbau. Mit einer begleitenden Lebenszyklusanalyse bewertet das Team dabei die ökologische Wirkung der gesamten Prozesskette, um die Umweltbilanz weiter zu optimieren und das Potenzial nachhaltiger Leichtbaustrukturen praxisnah zu demonstrieren.
DurableHybrid
Langlebigere Bauteile: Hybridisierung macht Faserverbund-Kunststoffe belastbarer
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.06.23
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Duroplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Faserverbundkunststoffe (FVK) haben sich als zentrale Werkstoffe im Leichtbau etabliert, da sie durch ihre mechanischen Eigenschaften und das geringe spezifische Gewicht viele Vorteile für verschiedene Anwendungen bieten. Insbesondere in den Mobilitätsbranchen und im Maschinenbau, wo Bauteile hohe dynamische Belastungen aushalten müssen, ersetzen sie metallische Werkstoffe. Konventionelle FVK stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn es um Dauerfestigkeit und Lebensdauer geht. Die Materialermüdung bei dynamischen Belastungen führt oft zu verkürzten Lebenszyklen und erhöht die Ausfallraten, wodurch höhere Kosten und ein größerer CO₂-Fußabdruck entstehen. Um dem entgegenzuwirken, wird die Hybridisierung von FVK untersucht: Die Kombination verschiedener Faserarten in einem Material ermöglicht es, die Eigenschaften gezielt zu verbessern. Doch bislang fehlt es an standardisierten Halbzeugen und anwendungsreifen Methoden – hier setzt das Forschungsvorhaben DurableHybrid an.
Faserverbundkunststoffe (FVK) haben sich als zentrale Werkstoffe im Leichtbau etabliert, da sie durch ihre mechanischen Eigenschaften und das geringe spezifische Gewicht viele Vorteile für verschiedene Anwendungen bieten. Insbesondere in den Mobilitätsbranchen und im Maschinenbau, wo Bauteile hohe dynamische Belastungen aushalten müssen, ersetzen sie metallische Werkstoffe. Konventionelle FVK stoßen jedoch an ihre Grenzen, wenn es um Dauerfestigkeit und Lebensdauer geht. Die Materialermüdung bei dynamischen Belastungen führt oft zu verkürzten Lebenszyklen und erhöht die Ausfallraten, wodurch höhere Kosten und ein größerer CO₂-Fußabdruck entstehen. Um dem entgegenzuwirken, wird die Hybridisierung von FVK untersucht: Die Kombination verschiedener Faserarten in einem Material ermöglicht es, die Eigenschaften gezielt zu verbessern. Doch bislang fehlt es an standardisierten Halbzeugen und anwendungsreifen Methoden – hier setzt das Forschungsvorhaben DurableHybrid an.
Ziel
Das Projektteam hat sich zum Ziel gesetzt, die Dauerfestigkeit von dynamisch belasteten FVK-Bauteilen durch Hybridisierung um 30 Prozent zu steigern. Durch die Hybridisierung sollen die Materialeigenschaften verbessert werden, ohne das Gewicht zu erhöhen. Diese Verbesserungen sollen dazu beitragen, den CO₂-Fußabdruck der Bauteile deutlich zu verringern, da langlebigere Materialien weniger häufig ersetzt werden müssen und so Materialverbrauch und Emissionen reduziert werden. Der Fokus liegt auf biegebelasteten Bauteilen, wie Blattfedern, die in zahlreichen Branchen eingesetzt werden. Langfristig streben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an, standardisierte Halbzeuge für hybride FVK bereitzustellen. Damit wollen sie Unternehmen in die Lage versetzen, langlebigere und ressourcenschonendere Bauteile kosteneffizient zu produzieren.
Das Projektteam hat sich zum Ziel gesetzt, die Dauerfestigkeit von dynamisch belasteten FVK-Bauteilen durch Hybridisierung um 30 Prozent zu steigern. Durch die Hybridisierung sollen die Materialeigenschaften verbessert werden, ohne das Gewicht zu erhöhen. Diese Verbesserungen sollen dazu beitragen, den CO₂-Fußabdruck der Bauteile deutlich zu verringern, da langlebigere Materialien weniger häufig ersetzt werden müssen und so Materialverbrauch und Emissionen reduziert werden. Der Fokus liegt auf biegebelasteten Bauteilen, wie Blattfedern, die in zahlreichen Branchen eingesetzt werden. Langfristig streben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an, standardisierte Halbzeuge für hybride FVK bereitzustellen. Damit wollen sie Unternehmen in die Lage versetzen, langlebigere und ressourcenschonendere Bauteile kosteneffizient zu produzieren.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert experimentelle Forschung und Simulation, um hybride FVK zu entwickeln. Zunächst untersuchen die Forschenden, wie unterschiedliche Faserarten in einem Material kombiniert werden können, um optimale Materialeigenschaften zu erhalten. Sie führen Tests durch, die zeigen, wie sich Belastungen auf die Dauerfestigkeit auswirken. Gleichzeitig entwickeln sie digitale Simulationsmodelle, die die Eigenschaften der hybriden Materialien präzise abbilden und den Konstruktionsprozess erleichtern. Die so gewonnenen Erkenntnisse nutzt das Team, um Blattfeder-Prototypen herzustellen und diese in realen Anwendungen zu erproben. Die Ergebnisse fließen in ein digitales Baukastensystem ein, das standardisierte Empfehlungen für den Einsatz hybrider Materialien in der Konstruktion bieten soll.
Das Projektteam kombiniert experimentelle Forschung und Simulation, um hybride FVK zu entwickeln. Zunächst untersuchen die Forschenden, wie unterschiedliche Faserarten in einem Material kombiniert werden können, um optimale Materialeigenschaften zu erhalten. Sie führen Tests durch, die zeigen, wie sich Belastungen auf die Dauerfestigkeit auswirken. Gleichzeitig entwickeln sie digitale Simulationsmodelle, die die Eigenschaften der hybriden Materialien präzise abbilden und den Konstruktionsprozess erleichtern. Die so gewonnenen Erkenntnisse nutzt das Team, um Blattfeder-Prototypen herzustellen und diese in realen Anwendungen zu erproben. Die Ergebnisse fließen in ein digitales Baukastensystem ein, das standardisierte Empfehlungen für den Einsatz hybrider Materialien in der Konstruktion bieten soll.
EcoDynamicSMC
Carbonfaserverstärktes Sheet Molding Compound: Fahrzeugteile leicht und nachhaltig bauen
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
30.09.25
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Duroplaste, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Fahrwerkskomponenten stehen unter ständiger mechanischer Belastung – im Straßenverkehr ebenso wie in der Luftfahrt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Klimaschutz und Ressourceneffizienz. Zukünftig sollen diese Bauteile nicht nur leistungsfähig und sicher, sondern auch deutlich leichter und nachhaltiger sein. Bisher bestehen sie meist aus Stahl oder Aluminium.
Eine interessante Alternative ist carbonfaserverstärktes Sheet Molding Compound (CF-SMC). Dieses formbare Verbundmaterial aus kurzen Kohlenstofffasern und Kunststoffharz lässt sich im Pressverfahren zu besonders leichten und zugleich belastbaren Bauteilen verarbeiten. Deshalb verwenden Hersteller den Werkstoff bereits für viele Anwendungen im Leichtbau Für hochbelastete Strukturen in Großserienproduktion kommt CF-SMC bislang jedoch nicht zum Einsatz. Das liegt an fehlenden Werkstoffdaten, unzureichenden Prognosemodellen und nicht etablierten Prozessketten.
Fahrwerkskomponenten stehen unter ständiger mechanischer Belastung – im Straßenverkehr ebenso wie in der Luftfahrt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Klimaschutz und Ressourceneffizienz. Zukünftig sollen diese Bauteile nicht nur leistungsfähig und sicher, sondern auch deutlich leichter und nachhaltiger sein. Bisher bestehen sie meist aus Stahl oder Aluminium.
Eine interessante Alternative ist carbonfaserverstärktes Sheet Molding Compound (CF-SMC). Dieses formbare Verbundmaterial aus kurzen Kohlenstofffasern und Kunststoffharz lässt sich im Pressverfahren zu besonders leichten und zugleich belastbaren Bauteilen verarbeiten. Deshalb verwenden Hersteller den Werkstoff bereits für viele Anwendungen im Leichtbau Für hochbelastete Strukturen in Großserienproduktion kommt CF-SMC bislang jedoch nicht zum Einsatz. Das liegt an fehlenden Werkstoffdaten, unzureichenden Prognosemodellen und nicht etablierten Prozessketten.
Ziel
Hier setzt EcoDynamicSMC an: Die Forschenden entwickeln neue Methoden, um CF-SMC auch für dynamisch beanspruchte, sicherheitsrelevante Bauteile nutzbar zu machen – etwa Querlenker im Auto oder Aufhängungselemente in Flugzeugen.
Das Projektteam will CF-SMC als Werkstoff für die Großserienfertigung etablieren – dort, wo bislang Aluminium oder Stahl dominieren. Dafür entwickeln die Partner eine durchgängige digitale Prozesskette vom Material bis zum fertigen Produkt. Ihr Ziel: Bauteile herstellen, die deutlich leichter sind, dabei aber genauso belastbar und sicher.
So wollen sie einen CF-SMC-Querlenker bauen, der rund die Hälfte leichter ist als das bisherige Aluminiumbauteil. Gleichzeitig sollen über den gesamten Lebenszyklus hinweg CO₂ eingespart werden können.
Hier setzt EcoDynamicSMC an: Die Forschenden entwickeln neue Methoden, um CF-SMC auch für dynamisch beanspruchte, sicherheitsrelevante Bauteile nutzbar zu machen – etwa Querlenker im Auto oder Aufhängungselemente in Flugzeugen.
Das Projektteam will CF-SMC als Werkstoff für die Großserienfertigung etablieren – dort, wo bislang Aluminium oder Stahl dominieren. Dafür entwickeln die Partner eine durchgängige digitale Prozesskette vom Material bis zum fertigen Produkt. Ihr Ziel: Bauteile herstellen, die deutlich leichter sind, dabei aber genauso belastbar und sicher.
So wollen sie einen CF-SMC-Querlenker bauen, der rund die Hälfte leichter ist als das bisherige Aluminiumbauteil. Gleichzeitig sollen über den gesamten Lebenszyklus hinweg CO₂ eingespart werden können.
Vorgehen
Das Projektteam arbeitet entlang der gesamten Entwicklungskette. Es beginnt mit der Erfassung materialrelevanter Daten direkt bei der Herstellung - etwa Faserverlauf, Gewicht und Qualität. Diese Daten fließen in einen digitalen Materialzwilling ein, der die automatische Steuerung des Fertigungsprozesses ermöglicht. Parallel entwickeln die Partner präzise Simulationsmodelle für Umformung, Aushärtung und Bauteilverhalten. Die Forschenden richten die Fasern gezielt entlang der Hauptbelastungspfade aus und integrieren Funktionselemente direkt im Fließpressprozess.
Zwei Demonstratoren zeigen die Praxistauglichkeit: ein Fahrwerks-Querlenker für den Automobilbereich und ein Aufhängungsteil für einen Motorsegler. Beide Komponenten bewertet das Team hinsichtlich Leistung, Gewicht und Recyclingfähigkeit. Mit einer ergänzenden Lebenszyklusanalyse untersuchen die Forschenden die Umweltauswirkungen im Vergleich zum Stand der Technik. So wollen die Projektpartner das Potenzial von CF-SMC für die nachhaltige Serienfertigung im Leichtbau aufzeigen.
Das Projektteam arbeitet entlang der gesamten Entwicklungskette. Es beginnt mit der Erfassung materialrelevanter Daten direkt bei der Herstellung - etwa Faserverlauf, Gewicht und Qualität. Diese Daten fließen in einen digitalen Materialzwilling ein, der die automatische Steuerung des Fertigungsprozesses ermöglicht. Parallel entwickeln die Partner präzise Simulationsmodelle für Umformung, Aushärtung und Bauteilverhalten. Die Forschenden richten die Fasern gezielt entlang der Hauptbelastungspfade aus und integrieren Funktionselemente direkt im Fließpressprozess.
Zwei Demonstratoren zeigen die Praxistauglichkeit: ein Fahrwerks-Querlenker für den Automobilbereich und ein Aufhängungsteil für einen Motorsegler. Beide Komponenten bewertet das Team hinsichtlich Leistung, Gewicht und Recyclingfähigkeit. Mit einer ergänzenden Lebenszyklusanalyse untersuchen die Forschenden die Umweltauswirkungen im Vergleich zum Stand der Technik. So wollen die Projektpartner das Potenzial von CF-SMC für die nachhaltige Serienfertigung im Leichtbau aufzeigen.
ECO₂-LInE
Naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile entwickeln: mit innovativem 3D-Druck-Verfahren
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe
Hintergrund
Landfahrzeuge bestehen aus großen und schweren Bauteilen, die nur schwer recycelt werden können. Um sie leichter und nachhaltiger zu bauen, könnten leichte, naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile die heute verwendeten Metallkonstruktionen ersetzen. Diese nachwachsenden Rohstoffe sind nicht nur nachhaltig, sondern haben eine geringere Dichte, bessere akustische sowie mechanische Dämpfung und sind biologisch abbaubar. Vor allem verbraucht ihre Herstellung weniger Energie und stößt damit deutlich weniger CO₂ aus. Naturfaserverstärkte Kunststoffe sind deshalb besonders attraktiv für den Leichtbau in mobilen Anwendungen.
Landfahrzeuge bestehen aus großen und schweren Bauteilen, die nur schwer recycelt werden können. Um sie leichter und nachhaltiger zu bauen, könnten leichte, naturfaserverstärkte Kunststoffbauteile die heute verwendeten Metallkonstruktionen ersetzen. Diese nachwachsenden Rohstoffe sind nicht nur nachhaltig, sondern haben eine geringere Dichte, bessere akustische sowie mechanische Dämpfung und sind biologisch abbaubar. Vor allem verbraucht ihre Herstellung weniger Energie und stößt damit deutlich weniger CO₂ aus. Naturfaserverstärkte Kunststoffe sind deshalb besonders attraktiv für den Leichtbau in mobilen Anwendungen.
Ziel
Das Projektteam will die neuartigen Leichtbaukomponenten für die verschiedensten Branchen und Anwendungen entwickeln: spezielle Fahrzeugsitze - zum Beispiel einen Leichtbausitz für den Einsatz in Elektromobilen und Sonderfahrzeugen - Zugwagenübergänge oder Aufsätze für Pick-Ups. Dabei verfolgen die Forschenden einen ganzheitlichen Ansatz. Sie wollen die Bauteile nicht nur mit umweltfreundlichen Werkstoffen leichter machen, sondern betrachten den gesamten Lebenszyklus: Wie kann der Nutzungskreislauf der Komponenten von der Materialauswahl und der Fertigung, über den Einsatz bis hin zum Recycling nachhaltiger werden.
Das Projektteam will die neuartigen Leichtbaukomponenten für die verschiedensten Branchen und Anwendungen entwickeln: spezielle Fahrzeugsitze - zum Beispiel einen Leichtbausitz für den Einsatz in Elektromobilen und Sonderfahrzeugen - Zugwagenübergänge oder Aufsätze für Pick-Ups. Dabei verfolgen die Forschenden einen ganzheitlichen Ansatz. Sie wollen die Bauteile nicht nur mit umweltfreundlichen Werkstoffen leichter machen, sondern betrachten den gesamten Lebenszyklus: Wie kann der Nutzungskreislauf der Komponenten von der Materialauswahl und der Fertigung, über den Einsatz bis hin zum Recycling nachhaltiger werden.
Vorgehen
Die Forschenden nutzen den additiven Highspeed-Prozess SEAM (Screw Extrusion Additive Manufacturing). Dieses innovative 3-D-Druck-Verfahren ist achtmal schneller als herkömmliche 3-D-Drucke. Durch die freie Formgebung können auch komplexe Teile erstellt werden. Außerdem können mehrere konventionell gefertigte Einzelkomponenten durch ein additiv gefertigtes Teil ersetzt werden. Die Vorteile: Die Digitalisierung sorgt für kürzere Prozessketten und damit eine schnellere Produktion, der Materialeinsatz ist so gering wie möglich und die Hersteller können viele unterschiedliche Einzelstücke kosteneffizient produzieren.
Außerdem setzt das Team naturfaserverstärkte Kunststoffe ein. Herausfordernd bei den Naturfasern ist deren Fähigkeit, Feuchte aufzunehmen. Dies wollen die Forschenden durch eine innovative Vorbehandlung der Fasern lösen. Diese sollen nicht nur auf der Oberfläche wassermeidend (hydrophob) ausgerüstet werden, sondern auch in ihrem Inneren, um ein Eindringen in die natürlich vorkommenden Hohl- und Zwischenräume zu verhindern.
Außerdem führen die Forschenden über den gesamten Lebenszyklus hinweg ökologische Bilanzierungen zu den einzelnen Anwendungsfeldern durch. So können sie die Einsparung von CO₂ und Ressourcen von Beginn an nachweisen und weiter optimieren. Außerdem legen die Partner die Grundlagen für den Transfer in die industrielle Fertigung, indem sie zum Beispiel das SEAM-Verfahren durch konkrete Anwendungen bei Industriepartnern weiterentwickeln und erproben.
Die Forschenden nutzen den additiven Highspeed-Prozess SEAM (Screw Extrusion Additive Manufacturing). Dieses innovative 3-D-Druck-Verfahren ist achtmal schneller als herkömmliche 3-D-Drucke. Durch die freie Formgebung können auch komplexe Teile erstellt werden. Außerdem können mehrere konventionell gefertigte Einzelkomponenten durch ein additiv gefertigtes Teil ersetzt werden. Die Vorteile: Die Digitalisierung sorgt für kürzere Prozessketten und damit eine schnellere Produktion, der Materialeinsatz ist so gering wie möglich und die Hersteller können viele unterschiedliche Einzelstücke kosteneffizient produzieren.
Außerdem setzt das Team naturfaserverstärkte Kunststoffe ein. Herausfordernd bei den Naturfasern ist deren Fähigkeit, Feuchte aufzunehmen. Dies wollen die Forschenden durch eine innovative Vorbehandlung der Fasern lösen. Diese sollen nicht nur auf der Oberfläche wassermeidend (hydrophob) ausgerüstet werden, sondern auch in ihrem Inneren, um ein Eindringen in die natürlich vorkommenden Hohl- und Zwischenräume zu verhindern.
Außerdem führen die Forschenden über den gesamten Lebenszyklus hinweg ökologische Bilanzierungen zu den einzelnen Anwendungsfeldern durch. So können sie die Einsparung von CO₂ und Ressourcen von Beginn an nachweisen und weiter optimieren. Außerdem legen die Partner die Grundlagen für den Transfer in die industrielle Fertigung, indem sie zum Beispiel das SEAM-Verfahren durch konkrete Anwendungen bei Industriepartnern weiterentwickeln und erproben.
EDISON-rCF
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe recyceln: geschlossener Stoffkreislauf mit Solvolyse
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Duroplaste, Garne, Rovings, Vliesstoffe, Matten, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
arbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) spielen im Leichtbau eine wichtige Rolle, etwa in der Luftfahrt und der Bauindustrie, da sie leicht und gleichzeitig extrem belastbar sind. Ihr Recycling stellt die Industrie jedoch bisher vor große Herausforderung: Jährlich fallen weltweit Tausende Tonnen CFK-Abfälle an, die bisher kaum für hochwertige Anwendungen wiederverwertet werden können. Herkömmliche Verfahren wie die Pyrolyse, bei der CFK unter Sauerstoffausschluss stark erhitzt werden, schädigen die Fasern, zerstören wichtige Materialeigenschaften und führen zu einem Verlust von bis zu 50 Prozent der Materialmasse. Hier setzt das Forschungsvorhaben EDISON-rCF an.
arbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) spielen im Leichtbau eine wichtige Rolle, etwa in der Luftfahrt und der Bauindustrie, da sie leicht und gleichzeitig extrem belastbar sind. Ihr Recycling stellt die Industrie jedoch bisher vor große Herausforderung: Jährlich fallen weltweit Tausende Tonnen CFK-Abfälle an, die bisher kaum für hochwertige Anwendungen wiederverwertet werden können. Herkömmliche Verfahren wie die Pyrolyse, bei der CFK unter Sauerstoffausschluss stark erhitzt werden, schädigen die Fasern, zerstören wichtige Materialeigenschaften und führen zu einem Verlust von bis zu 50 Prozent der Materialmasse. Hier setzt das Forschungsvorhaben EDISON-rCF an.
Ziel
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten recycelte Carbonfasern (rCF) so aufbereiten, dass sie in anspruchsvollen Leichtbaumaterialien wie Carbonbeton wiederverwendet werden können. Sie entwickeln neue Verfahren zur Herstellung von Vliesen und Garnen, die speziell für die Bauindustrie als Bewehrung eingesetzt werden sollen. Darüber hinaus standardisieren sie die Qualität der Produkte, um deren industrielle Skalierbarkeit zu gewährleisten.
Der Kern des Projekts ist ein energieeffizienter Solvolyseprozess. Anstatt die Matrix durch Hitze zu zerstören, löst dieser die Matrix mit speziellen Flüssigkeiten, wodurch die Fasern unbeschädigt bleiben. Dies eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für recycelte Fasern, sondern auch für die Weiterverwendung der Matrix in der chemischen Industrie. Die Forschenden streben damit einen geschlossenen Stoffkreislauf für CFK an, der gleichzeitig die Umwelt schont und die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert. Gleichzeitig erarbeiten sie eine umfassende Ökobilanz, um die Nachhaltigkeit des Prozesses zu bewerten.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möchten recycelte Carbonfasern (rCF) so aufbereiten, dass sie in anspruchsvollen Leichtbaumaterialien wie Carbonbeton wiederverwendet werden können. Sie entwickeln neue Verfahren zur Herstellung von Vliesen und Garnen, die speziell für die Bauindustrie als Bewehrung eingesetzt werden sollen. Darüber hinaus standardisieren sie die Qualität der Produkte, um deren industrielle Skalierbarkeit zu gewährleisten.
Der Kern des Projekts ist ein energieeffizienter Solvolyseprozess. Anstatt die Matrix durch Hitze zu zerstören, löst dieser die Matrix mit speziellen Flüssigkeiten, wodurch die Fasern unbeschädigt bleiben. Dies eröffnet nicht nur neue Möglichkeiten für recycelte Fasern, sondern auch für die Weiterverwendung der Matrix in der chemischen Industrie. Die Forschenden streben damit einen geschlossenen Stoffkreislauf für CFK an, der gleichzeitig die Umwelt schont und die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert. Gleichzeitig erarbeiten sie eine umfassende Ökobilanz, um die Nachhaltigkeit des Prozesses zu bewerten.
Vorgehen
Zunächst bereiten die Forschenden CFK-Abfälle durch Sortier- und Zerkleinerungsverfahren auf. Mit dem neu entwickelten Solvolyseprozess lösen sie die Fasern von der Matrix, ohne deren mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die recycelten Fasern werden anschließend zu hochwertigen Halbzeugen wie Vliesen und Garnen verarbeitet. Um dies zu ermöglichen, entwickeln und optimieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spezialisierte Maschinen, die eine präzise Ausrichtung und Verarbeitung der Fasern gewährleisten, um die Produkte für die Anforderungen der Bauindustrie und anderer Leichtbausektoren zu qualifizieren.
Die Forschenden führen wiederholt Tests und Optimierungen durch, um eine gleichbleibend hohe Qualität zu garantieren. Parallel vergleichen sie den neuen Recyclingprozess im Rahmen einer detaillierten Ökobilanz mit bestehenden Recyclingmethoden. Mit diesen Analysen steigern sie die Energieeffizienz weiter und minimieren die Umweltauswirkungen. Abschließend entwickelt das Team Demonstratoren, die zeigen, wie die recycelten Materialien in der Praxis eingesetzt werden können.
Zunächst bereiten die Forschenden CFK-Abfälle durch Sortier- und Zerkleinerungsverfahren auf. Mit dem neu entwickelten Solvolyseprozess lösen sie die Fasern von der Matrix, ohne deren mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die recycelten Fasern werden anschließend zu hochwertigen Halbzeugen wie Vliesen und Garnen verarbeitet. Um dies zu ermöglichen, entwickeln und optimieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spezialisierte Maschinen, die eine präzise Ausrichtung und Verarbeitung der Fasern gewährleisten, um die Produkte für die Anforderungen der Bauindustrie und anderer Leichtbausektoren zu qualifizieren.
Die Forschenden führen wiederholt Tests und Optimierungen durch, um eine gleichbleibend hohe Qualität zu garantieren. Parallel vergleichen sie den neuen Recyclingprozess im Rahmen einer detaillierten Ökobilanz mit bestehenden Recyclingmethoden. Mit diesen Analysen steigern sie die Energieeffizienz weiter und minimieren die Umweltauswirkungen. Abschließend entwickelt das Team Demonstratoren, die zeigen, wie die recycelten Materialien in der Praxis eingesetzt werden können.
effiTEST
Präzise Werkstoffdaten für höherfeste Stähle: Umformprozesse effizient gestalten
Förderlaufzeit:
Start
01.05.23
Ende
30.04.26
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, Fahrzeuge leichter, effizienter und klimafreundlicher zu gestalten. Eine zentrale Rolle dabei spielt der Karosseriebau: Hier werden große Mengen an Blechbauteilen verarbeitet – oft aus höherfesten Stahlwerkstoffen. Zwar kommen zunehmend Leichtbaualternativen wie Aluminium oder Faserverbundkunststoffe zum Einsatz, doch gerade in Modellen mit großen Produktionsvolumina dominiert nach wie vor Stahl. Er ist kostengünstig, gut recycelbar und mechanisch zuverlässig.
Gleichzeitig bringt er Herausforderungen mit sich: Seine komplexe Mikrostruktur erfordert spezielle Umformprozesse – und dafür präzise Werkstoffdaten. Die bislang üblichen Kennwerte reichen dafür nicht aus. Weil belastbare Daten fehlen, wird in vielen Fertigungsprozessen mit Sicherheitszuschlägen gearbeitet – was zu erhöhtem Material- und Energieeinsatz führt. Hinzu kommen Produktionsfehler wie Kantenrisse oder unkontrollierte Verformungen. Angesichts der Millionen jährlich hergestellten Karosseriebauteile verursachen diese Defizite nicht nur vermeidbare Kosten, sondern auch unnötige CO₂-Emissionen.
Um das Potenzial moderner Stähle im Leichtbau voll auszuschöpfen, braucht es daher neue Wege zur prozessnahen und reproduzierbaren Charakterisierung ihrer Umformeigenschaften. Diese Lücke will das Projektteam von effiTEST schließen.
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, Fahrzeuge leichter, effizienter und klimafreundlicher zu gestalten. Eine zentrale Rolle dabei spielt der Karosseriebau: Hier werden große Mengen an Blechbauteilen verarbeitet – oft aus höherfesten Stahlwerkstoffen. Zwar kommen zunehmend Leichtbaualternativen wie Aluminium oder Faserverbundkunststoffe zum Einsatz, doch gerade in Modellen mit großen Produktionsvolumina dominiert nach wie vor Stahl. Er ist kostengünstig, gut recycelbar und mechanisch zuverlässig.
Gleichzeitig bringt er Herausforderungen mit sich: Seine komplexe Mikrostruktur erfordert spezielle Umformprozesse – und dafür präzise Werkstoffdaten. Die bislang üblichen Kennwerte reichen dafür nicht aus. Weil belastbare Daten fehlen, wird in vielen Fertigungsprozessen mit Sicherheitszuschlägen gearbeitet – was zu erhöhtem Material- und Energieeinsatz führt. Hinzu kommen Produktionsfehler wie Kantenrisse oder unkontrollierte Verformungen. Angesichts der Millionen jährlich hergestellten Karosseriebauteile verursachen diese Defizite nicht nur vermeidbare Kosten, sondern auch unnötige CO₂-Emissionen.
Um das Potenzial moderner Stähle im Leichtbau voll auszuschöpfen, braucht es daher neue Wege zur prozessnahen und reproduzierbaren Charakterisierung ihrer Umformeigenschaften. Diese Lücke will das Projektteam von effiTEST schließen.
Ziel
Die Forschenden entwickeln eine Prüfmaschine, mit der sich zwei zentrale Kennwerte höherfester Stähle objektiv und unter realitätsnahen Bedingungen bestimmen lassen: die Kantenrissempfindlichkeit bei der Kaltumformung sowie die Grenzformänderungskurve bei Temperaturen über 700 °C für die Warmumformung. Die Kantenrissempfindlichkeit beschreibt, wie leicht ein Blech beim Umformen an geschnittenen Kanten einreißt; die Grenzformänderungskurve gibt an, wie stark ein Material umgeformt werden kann, bevor es versagt. So schafft das Projektteam eine Grundlage für eine zuverlässige Auslegung von Bauteilen und eine präzise Prozesssteuerung. Ziel ist es, typische Fehler wie Einschnürungen oder Risse zu vermeiden – und das volle Werkstoffpotenzial auszuschöpfen.
Mit der neuen Prüfmaschine vereinen die Beteiligten beide Verfahren in einem System. Sie bildet reale Prozessbedingungen ab, etwa durch reproduzierbare Temperaturführung, praxisnahe Umformgeschwindigkeiten und automatisierte Risserkennung. Die ermittelten Daten will das Team direkt für die numerische Bauteilauslegung, die Optimierung von Platinenzuschnitten und die Überwachung der Serienproduktion nutzen. Auf diese Weise trägt effiTEST dazu bei, Material, Energie und CO₂ einzusparen – und die Effizienz der Produktion im Karosseriebau nachhaltig zu verbessern.
Die Forschenden entwickeln eine Prüfmaschine, mit der sich zwei zentrale Kennwerte höherfester Stähle objektiv und unter realitätsnahen Bedingungen bestimmen lassen: die Kantenrissempfindlichkeit bei der Kaltumformung sowie die Grenzformänderungskurve bei Temperaturen über 700 °C für die Warmumformung. Die Kantenrissempfindlichkeit beschreibt, wie leicht ein Blech beim Umformen an geschnittenen Kanten einreißt; die Grenzformänderungskurve gibt an, wie stark ein Material umgeformt werden kann, bevor es versagt. So schafft das Projektteam eine Grundlage für eine zuverlässige Auslegung von Bauteilen und eine präzise Prozesssteuerung. Ziel ist es, typische Fehler wie Einschnürungen oder Risse zu vermeiden – und das volle Werkstoffpotenzial auszuschöpfen.
Mit der neuen Prüfmaschine vereinen die Beteiligten beide Verfahren in einem System. Sie bildet reale Prozessbedingungen ab, etwa durch reproduzierbare Temperaturführung, praxisnahe Umformgeschwindigkeiten und automatisierte Risserkennung. Die ermittelten Daten will das Team direkt für die numerische Bauteilauslegung, die Optimierung von Platinenzuschnitten und die Überwachung der Serienproduktion nutzen. Auf diese Weise trägt effiTEST dazu bei, Material, Energie und CO₂ einzusparen – und die Effizienz der Produktion im Karosseriebau nachhaltig zu verbessern.
Vorgehen
Das Projektteam führt zwei bislang getrennte Prüfverfahren in einer einzigen Anlage zusammen. Für die Kaltumformung erweitern sie den Lochaufweitversuch um eine pneumatische Risserkennung: Statt auf Sicht entscheidet künftig ein Drucksensor, wann ein Riss entstanden ist. Das sorgt für objektive und reproduzierbare Ergebnisse – auch in der Serienfertigung. Für die Warmumformung integrieren die Forschenden eine induktive Erwärmung, mit der sich nur der relevante Prüfbereich auf über 700 °C erhitzen lässt. Die Erwärmung erfolgt unmittelbar im Prüfstand, sodass ein Wärmeverlust durch Transport vermieden wird.
Auch integrieren die Forschenden ein flexibles Antriebssystem in die Prüfanlage, das typische Pressbewegungen realitätsnah simuliert. Ein modularer Aufbau erlaubt den schnellen Wechsel zwischen den Verfahren. Ein optisches Messsystem erfasst die Umformgeschwindigkeit, Pyrometer überwachen die Temperatur. Alle relevanten Prozessdaten fließen in die Maschinensteuerung ein.
Auf Basis der Versuchsergebnisse überprüfen die Forschenden die Verfahren und bereiten deren industrielle Anwendung vor. Begleitend bringen sie die Erkenntnisse in Normungsprozesse ein – damit die entwickelte Prüftechnik künftig nicht nur im Labor, sondern breit in der Industrie eingesetzt werden kann.
Das Projektteam führt zwei bislang getrennte Prüfverfahren in einer einzigen Anlage zusammen. Für die Kaltumformung erweitern sie den Lochaufweitversuch um eine pneumatische Risserkennung: Statt auf Sicht entscheidet künftig ein Drucksensor, wann ein Riss entstanden ist. Das sorgt für objektive und reproduzierbare Ergebnisse – auch in der Serienfertigung. Für die Warmumformung integrieren die Forschenden eine induktive Erwärmung, mit der sich nur der relevante Prüfbereich auf über 700 °C erhitzen lässt. Die Erwärmung erfolgt unmittelbar im Prüfstand, sodass ein Wärmeverlust durch Transport vermieden wird.
Auch integrieren die Forschenden ein flexibles Antriebssystem in die Prüfanlage, das typische Pressbewegungen realitätsnah simuliert. Ein modularer Aufbau erlaubt den schnellen Wechsel zwischen den Verfahren. Ein optisches Messsystem erfasst die Umformgeschwindigkeit, Pyrometer überwachen die Temperatur. Alle relevanten Prozessdaten fließen in die Maschinensteuerung ein.
Auf Basis der Versuchsergebnisse überprüfen die Forschenden die Verfahren und bereiten deren industrielle Anwendung vor. Begleitend bringen sie die Erkenntnisse in Normungsprozesse ein – damit die entwickelte Prüftechnik künftig nicht nur im Labor, sondern breit in der Industrie eingesetzt werden kann.
Elokofix
Fasertapes effizient und nachhaltig produzieren: endlose Fertigung mit Inline-Spleißung
Förderlaufzeit:
Start
01.02.21
Ende
31.01.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Garne, Rovings
Hintergrund
Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht, stabil und bieten viele Möglichkeiten für den Leichtbau, etwa in der Automobil-, Luftfahrt- oder Energiebranche. Ihre Stärke entsteht durch die Kombination von leichten Kunststoffmatrizen und hochfesten Fasern, die – wie bei der Struktur von Holz oder Knochen – entlang der Belastungspfade optimal ausgerichtet werden. Doch bestehende Verfahren zur Herstellung dieser Materialien sind energieintensiv, erzeugen hohe Materialverluste und erfordern mehrere Prozessschritte, die oft unnötige Aufheizungen beinhalten. Hier setzt das Projekt Elokofix durch einen effizienten, kontinuierlichen Prozess an.
Faserverstärkte Kunststoffe sind leicht, stabil und bieten viele Möglichkeiten für den Leichtbau, etwa in der Automobil-, Luftfahrt- oder Energiebranche. Ihre Stärke entsteht durch die Kombination von leichten Kunststoffmatrizen und hochfesten Fasern, die – wie bei der Struktur von Holz oder Knochen – entlang der Belastungspfade optimal ausgerichtet werden. Doch bestehende Verfahren zur Herstellung dieser Materialien sind energieintensiv, erzeugen hohe Materialverluste und erfordern mehrere Prozessschritte, die oft unnötige Aufheizungen beinhalten. Hier setzt das Projekt Elokofix durch einen effizienten, kontinuierlichen Prozess an.
Ziel
Das Forschungsteam möchte die Herstellung thermoplastischer Fasertapes nachhaltiger und effizienter gestalten und das Potenzial der Materialien besser ausschöpfen. Die Forschenden entwickeln eine Pilotanlage, die es ermöglicht, Tapes endlos und direkt auf ein Substrat aufzubringen. So lassen sich faserverstärkte Bauteile mit maßgeschneiderter Faserorientierung in einem einzigen Arbeitsgang herstellen. Mit einer innovativen Inline-Spleißeinheit soll das Verfahren Materialverluste vermeiden, indem es Fasern während der Produktion lückenlos miteinander verbindet. Gleichzeitig soll die Anlage die vorhandene Wärmeenergie des Prozesses nutzen, um eine erneute Aufheizung der Materialien überflüssig zu machen. Dies führt zu einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen.
Das Forschungsteam möchte die Herstellung thermoplastischer Fasertapes nachhaltiger und effizienter gestalten und das Potenzial der Materialien besser ausschöpfen. Die Forschenden entwickeln eine Pilotanlage, die es ermöglicht, Tapes endlos und direkt auf ein Substrat aufzubringen. So lassen sich faserverstärkte Bauteile mit maßgeschneiderter Faserorientierung in einem einzigen Arbeitsgang herstellen. Mit einer innovativen Inline-Spleißeinheit soll das Verfahren Materialverluste vermeiden, indem es Fasern während der Produktion lückenlos miteinander verbindet. Gleichzeitig soll die Anlage die vorhandene Wärmeenergie des Prozesses nutzen, um eine erneute Aufheizung der Materialien überflüssig zu machen. Dies führt zu einer deutlichen Senkung des Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt zunächst eine duale Basisanlage, mit der sowohl Versuche durchgeführt als auch Produktionsprozesse abgebildet werden können. Durch die Verarbeitung von gespleißten Fasern soll ein unterbrechungsfreier Betrieb der Anlage ermöglicht werden. Dafür entwickeln die Forschenden eine adaptive Aufspreizeinheit und ein Imprägnierwerkzeug, mit denen selbst an Spleißstellen eine hohe Prozessstabilität gewährleistet wird. Gleichzeitig konstruiert das Team das Spleißmodul, das die Fasern automatisch verbinden und so eine kontinuierliche Materialzufuhr sicherstellen soll. In intensiven Versuchen und nach mehreren Anpassungen zeigen sich die Herausforderungen in der Skalierung des bekannten Prozesses.
Nach erfolgreichen Tests wollen die Forschenden die Anlage um ein Direktablagemodul erweitern. Dieses bietet die Möglichkeit, dass Tapes direkt auf ein Substrat aufgebracht werden können, ohne dass eine zusätzliche Erwärmung erforderlich ist. Dieser Prozess zielt darauf ab, die Herstellung und Verarbeitung der Materialien in einem Schritt zu ermöglichen und damit den Energieverbrauch erheblich zu senken.
Parallel dazu optimieren die Forschenden die Prozessparameter der Anlage, um die Qualität der Bauteile zu maximieren.
Das Projektteam entwickelt zunächst eine duale Basisanlage, mit der sowohl Versuche durchgeführt als auch Produktionsprozesse abgebildet werden können. Durch die Verarbeitung von gespleißten Fasern soll ein unterbrechungsfreier Betrieb der Anlage ermöglicht werden. Dafür entwickeln die Forschenden eine adaptive Aufspreizeinheit und ein Imprägnierwerkzeug, mit denen selbst an Spleißstellen eine hohe Prozessstabilität gewährleistet wird. Gleichzeitig konstruiert das Team das Spleißmodul, das die Fasern automatisch verbinden und so eine kontinuierliche Materialzufuhr sicherstellen soll. In intensiven Versuchen und nach mehreren Anpassungen zeigen sich die Herausforderungen in der Skalierung des bekannten Prozesses.
Nach erfolgreichen Tests wollen die Forschenden die Anlage um ein Direktablagemodul erweitern. Dieses bietet die Möglichkeit, dass Tapes direkt auf ein Substrat aufgebracht werden können, ohne dass eine zusätzliche Erwärmung erforderlich ist. Dieser Prozess zielt darauf ab, die Herstellung und Verarbeitung der Materialien in einem Schritt zu ermöglichen und damit den Energieverbrauch erheblich zu senken.
Parallel dazu optimieren die Forschenden die Prozessparameter der Anlage, um die Qualität der Bauteile zu maximieren.
ENABL3D
Qualität von 3D-gedruckten Bauteilen sichern: bionische Bauteile für die Luftfahrt
Förderlaufzeit:
Start
01.10.20
Ende
31.07.23
Anwendung:
Material:
Aluminium, Magnesium, Stahl, Titan, Sonstige (Metalle)
Hintergrund
3D-Druck-Technologien bieten für Leichtbau großes Potenzial, da sie besonders komplexe und leichte Strukturen ermöglichen. Mit 3D-Druck lassen sich zum Beispiel bionische Leichtbauteile für die Luftfahrt herstellen, die den CO₂-Ausstoß von Flugzeugen deutlich senken können. Für diese sicherheitskritischen Bauteile ist eine Inline-Qualitätssicherung elementar. Denn die Elemente müssen engmaschig überprüft werden, bevor sie in Passagier- und Cargomaschinen verbaut werden. Das Problem: Baugleiche gedruckte Teile können geringfügige Unterschiede aufweisen.
Klassischerweise werden im gleichen Druckprozess Begleitproben gefertigt, die zerstörend geprüft werden. Der Transfer der Materialkennwerte der Begleitproben auf die realen Bauteile ist aber durch Prozessschwankungen schwierig. Die Ergebnisse der Materialprobentests lassen sich daher nicht hundertprozentig auf weitere Bauteile übertragen. Bisher übliche zerstörende Prüfungen sind wegen des hohen Ressourcen- und Energiebedarfs keine Alternative. Gleiches gilt für aufwendige Technologien wie Röntgen.
3D-Druck-Technologien bieten für Leichtbau großes Potenzial, da sie besonders komplexe und leichte Strukturen ermöglichen. Mit 3D-Druck lassen sich zum Beispiel bionische Leichtbauteile für die Luftfahrt herstellen, die den CO₂-Ausstoß von Flugzeugen deutlich senken können. Für diese sicherheitskritischen Bauteile ist eine Inline-Qualitätssicherung elementar. Denn die Elemente müssen engmaschig überprüft werden, bevor sie in Passagier- und Cargomaschinen verbaut werden. Das Problem: Baugleiche gedruckte Teile können geringfügige Unterschiede aufweisen.
Klassischerweise werden im gleichen Druckprozess Begleitproben gefertigt, die zerstörend geprüft werden. Der Transfer der Materialkennwerte der Begleitproben auf die realen Bauteile ist aber durch Prozessschwankungen schwierig. Die Ergebnisse der Materialprobentests lassen sich daher nicht hundertprozentig auf weitere Bauteile übertragen. Bisher übliche zerstörende Prüfungen sind wegen des hohen Ressourcen- und Energiebedarfs keine Alternative. Gleiches gilt für aufwendige Technologien wie Röntgen.
Ziel
Im Projekt ENABL3D entwickeln Forschende eine neue Methode zur effizienten Qualitätssicherung im bionischen Metall-3D-Druck. Das Team will die Kosten für die Überprüfung um mindestens 60 Prozent reduzieren sowie die dafür benötigte Zeit um mindestens 65 Prozent. Dies erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Da 3D-Druck ressourcenschonend ist und die bionischen Leichtbauteile aufgrund ihres geringeren Gewichts in der Anwendung weniger CO₂ verbrauchen, können große Mengen an Treibhausgasemissionen eingespart werden.
Zudem soll die Methode nach Projektende durch Standards und den Austausch mit Industriepartnern breit genutzt werden.
Im Projekt ENABL3D entwickeln Forschende eine neue Methode zur effizienten Qualitätssicherung im bionischen Metall-3D-Druck. Das Team will die Kosten für die Überprüfung um mindestens 60 Prozent reduzieren sowie die dafür benötigte Zeit um mindestens 65 Prozent. Dies erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Luftfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Da 3D-Druck ressourcenschonend ist und die bionischen Leichtbauteile aufgrund ihres geringeren Gewichts in der Anwendung weniger CO₂ verbrauchen, können große Mengen an Treibhausgasemissionen eingespart werden.
Zudem soll die Methode nach Projektende durch Standards und den Austausch mit Industriepartnern breit genutzt werden.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt eine Prüfmethode mit der jedes einzelne Bauteil aus dem 3D-Drucker zerstörungsfrei getestet werden kann. Die Qualitätseigenschaften erfassen die Forschenden indem sie Eindruckprüfung, Prozessmonitoring und Mikro-Computertomographie intelligent miteinander kombinieren. Dafür ermitteln sie direkt am Bauteil die relevanten Materialeigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, Duktilität und Anisotropie.
Dank hochauflösender Monitoring-Daten können sie die Prozess-Stabilität nachweisen und so die lokal gemessenen Eigenschaften auf das Gesamtbauteil übertragen. Außerdem können sie so gegebenenfalls kritische Bereiche identifizieren. Mittels Mikro-Computertomographie können die Forschenden dann die als kritisch eingestuften Bereiche zusätzlich zerstörungsfrei überprüfen.
Das Projektteam entwickelt eine Prüfmethode mit der jedes einzelne Bauteil aus dem 3D-Drucker zerstörungsfrei getestet werden kann. Die Qualitätseigenschaften erfassen die Forschenden indem sie Eindruckprüfung, Prozessmonitoring und Mikro-Computertomographie intelligent miteinander kombinieren. Dafür ermitteln sie direkt am Bauteil die relevanten Materialeigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze, Duktilität und Anisotropie.
Dank hochauflösender Monitoring-Daten können sie die Prozess-Stabilität nachweisen und so die lokal gemessenen Eigenschaften auf das Gesamtbauteil übertragen. Außerdem können sie so gegebenenfalls kritische Bereiche identifizieren. Mittels Mikro-Computertomographie können die Forschenden dann die als kritisch eingestuften Bereiche zusätzlich zerstörungsfrei überprüfen.
EnERU
Umformwerkzeuge nachhaltiger fertigen: Kaltverschweißung vermeiden mit additiver Fertigung
Förderlaufzeit:
Start
01.08.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Die Herstellung von Umformwerkzeugen für die Edelstahlrohrverarbeitung verursacht hohe Kosten und Umweltbelastungen. Bisher erfordert sie viele energieintensive Schritte wie das Vakuumhärten, mehrfaches Anlassen und eine aufwendige Physical Vapour Deposition-Beschichtung (PVD). Beim PVD-Verfahren werden dünne, verschleißfeste Schichten in einer Vakuumkammer auf das Werkstück aufgetragen. Dies verbessert die Oberflächenhärte, ist jedoch ressourcen- und energieintensiv.
Ein zentrales Problem stellt zudem die Kaltverschweißung während der Nutzung dar: Beim Biegen reiben Rohr und Werkzeug aufeinander, wodurch sich ungewollt Metallpartikel verbinden. Das beeinträchtigt die Lebensdauer der Werkzeuge und führt zu Produktionsfehlern. Das Forschungsteam im Projekt EnERU entwickelt eine neue Methode, um Werkzeuge effizienter herzustellen und ihre Standzeit zu verlängern.
Die Herstellung von Umformwerkzeugen für die Edelstahlrohrverarbeitung verursacht hohe Kosten und Umweltbelastungen. Bisher erfordert sie viele energieintensive Schritte wie das Vakuumhärten, mehrfaches Anlassen und eine aufwendige Physical Vapour Deposition-Beschichtung (PVD). Beim PVD-Verfahren werden dünne, verschleißfeste Schichten in einer Vakuumkammer auf das Werkstück aufgetragen. Dies verbessert die Oberflächenhärte, ist jedoch ressourcen- und energieintensiv.
Ein zentrales Problem stellt zudem die Kaltverschweißung während der Nutzung dar: Beim Biegen reiben Rohr und Werkzeug aufeinander, wodurch sich ungewollt Metallpartikel verbinden. Das beeinträchtigt die Lebensdauer der Werkzeuge und führt zu Produktionsfehlern. Das Forschungsteam im Projekt EnERU entwickelt eine neue Methode, um Werkzeuge effizienter herzustellen und ihre Standzeit zu verlängern.
Ziel
Die Forschenden wollen die bisherigen Beschichtungen durch eine integrierte Funktionsschicht ersetzen. Statt das gesamte Werkzeug zu härten und zu beschichten, setzen sie auf eine gezielte Verstärkung der beanspruchten Bereiche. Sie nutzen dazu das Laser-Metal-Deposition-Verfahren (LMD), eine additive Fertigungstechnik. Beim LMD-Verfahren wird Metallpulver oder Draht mit einem Laser lokal aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen. So entsteht eine metallurgisch verbundene, verschleißfeste Oberfläche, ohne dass das gesamte Werkzeug behandelt werden muss.
Damit entfallen energieintensive Schritte wie das Vakuumhärten und das Anlassen. Gleichzeitig reduziert sich der Materialverbrauch erheblich, weil die Forschenden das Werkzeug nur dort verstärken, wo es tatsächlich nötig ist. Das neue Verfahren soll den CO₂-Ausstoß pro Werkzeug deutlich senken.
Die Forschenden wollen die bisherigen Beschichtungen durch eine integrierte Funktionsschicht ersetzen. Statt das gesamte Werkzeug zu härten und zu beschichten, setzen sie auf eine gezielte Verstärkung der beanspruchten Bereiche. Sie nutzen dazu das Laser-Metal-Deposition-Verfahren (LMD), eine additive Fertigungstechnik. Beim LMD-Verfahren wird Metallpulver oder Draht mit einem Laser lokal aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen. So entsteht eine metallurgisch verbundene, verschleißfeste Oberfläche, ohne dass das gesamte Werkzeug behandelt werden muss.
Damit entfallen energieintensive Schritte wie das Vakuumhärten und das Anlassen. Gleichzeitig reduziert sich der Materialverbrauch erheblich, weil die Forschenden das Werkzeug nur dort verstärken, wo es tatsächlich nötig ist. Das neue Verfahren soll den CO₂-Ausstoß pro Werkzeug deutlich senken.
Vorgehen
Zunächst analysiert das Team, warum die bisherigen Werkzeuge versagen. Sie messen die Belastungen beim Biegeprozess und simulieren die wirkenden Kräfte. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickeln sie neue Werkstoffe, die widerstandsfähiger gegen Kaltverschweißung sind. Anschließend testen sie verschiedene Materialmischungen und Gradierungsstrategien, um einen stabilen Übergang zwischen Grundkörper und Funktionsschicht zu erreichen.
Danach fertigen sie Prototypen mit der LMD-Technologie und unterziehen sie Praxistests. Die neuen Werkzeuge müssen sich in realen Biegeprozessen beweisen und ihre Lebensdauer unter industriellen Bedingungen zeigen. Sollte ein Werkzeug dennoch Verschleiß aufweisen, ermöglicht das LMD-Verfahren eine gezielte Reparatur, bei der nur die betroffene Stelle erneuert wird, anstatt das gesamte Werkzeug auszutauschen oder neu zu beschichten.
Das Projekt legt damit eine Grundlage für eine effizientere, nachhaltigere Produktion von Biegewerkzeugen. Langfristig könnte die Technologie auch für andere Umformprozesse wie die Kaltumformung von Aluminiumrohren genutzt werden.
Zunächst analysiert das Team, warum die bisherigen Werkzeuge versagen. Sie messen die Belastungen beim Biegeprozess und simulieren die wirkenden Kräfte. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickeln sie neue Werkstoffe, die widerstandsfähiger gegen Kaltverschweißung sind. Anschließend testen sie verschiedene Materialmischungen und Gradierungsstrategien, um einen stabilen Übergang zwischen Grundkörper und Funktionsschicht zu erreichen.
Danach fertigen sie Prototypen mit der LMD-Technologie und unterziehen sie Praxistests. Die neuen Werkzeuge müssen sich in realen Biegeprozessen beweisen und ihre Lebensdauer unter industriellen Bedingungen zeigen. Sollte ein Werkzeug dennoch Verschleiß aufweisen, ermöglicht das LMD-Verfahren eine gezielte Reparatur, bei der nur die betroffene Stelle erneuert wird, anstatt das gesamte Werkzeug auszutauschen oder neu zu beschichten.
Das Projekt legt damit eine Grundlage für eine effizientere, nachhaltigere Produktion von Biegewerkzeugen. Langfristig könnte die Technologie auch für andere Umformprozesse wie die Kaltumformung von Aluminiumrohren genutzt werden.
ERProFit
Zunderbildung und Materialverluste reduzieren: neue Ansätze für nachhaltige Fertigung
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
30.03.23
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Die Warmmassivumformung ist ein zentrales Verfahren zur Herstellung hochfester Bauteile, etwa in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dabei wird Stahl bei hohen Temperaturen von über 950 °C geformt, was jedoch zur Bildung von Zunder führt. Zunder entsteht durch Oxidation und verursacht erhebliche Materialverluste von 2–3 % der eingesetzten Rohmasse. Gleichzeitig beschleunigt der Zunder den Werkzeugverschleiß und erfordert zusätzliche Prozessschritte wie Entzunderung und Reinigung.
Die Materialverluste und der erhöhte Aufwand belasten die Umwelt, führen zu einem hohen Energieverlust für das zusätzlich benötigte Material und erhöhen in Summe die Produktionskosten. Parallel dazu steigt die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten, die Materialien wie Stahl und Aluminium kombinieren, um das Gewicht zu reduzieren. Technische Herausforderungen bestehen dabei insbesondere in der zuverlässigen Verbindung der beiden Werkstoffe, da Oxidschichten wie Zunder die Haftung behindern.
Die Warmmassivumformung ist ein zentrales Verfahren zur Herstellung hochfester Bauteile, etwa in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Dabei wird Stahl bei hohen Temperaturen von über 950 °C geformt, was jedoch zur Bildung von Zunder führt. Zunder entsteht durch Oxidation und verursacht erhebliche Materialverluste von 2–3 % der eingesetzten Rohmasse. Gleichzeitig beschleunigt der Zunder den Werkzeugverschleiß und erfordert zusätzliche Prozessschritte wie Entzunderung und Reinigung.
Die Materialverluste und der erhöhte Aufwand belasten die Umwelt, führen zu einem hohen Energieverlust für das zusätzlich benötigte Material und erhöhen in Summe die Produktionskosten. Parallel dazu steigt die Nachfrage nach Leichtbaukomponenten, die Materialien wie Stahl und Aluminium kombinieren, um das Gewicht zu reduzieren. Technische Herausforderungen bestehen dabei insbesondere in der zuverlässigen Verbindung der beiden Werkstoffe, da Oxidschichten wie Zunder die Haftung behindern.
Ziel
ERProFit verfolgt das Ziel, die Zunderbildung bei der Warmmassivumformung zu minimieren. Eine sauerstoffarme Produktionsumgebung soll die Oxidation unterdrücken und damit Materialverluste und Werkzeugverschleiß reduzieren. Das ermöglicht außerdem glatte, hochwertige Oberflächen ohne zusätzliche Nachbearbeitung. Das Projektteam will neue Technologien für das Hybridschmieden von Stahl und Aluminium entwickeln und so den Leichtbau fördern.
Hierdurch wollen die Forschenden Gewichtseinsparungen realisieren, während eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung der beiden Materialien sichergestellt wird. Das Projekt setzt auf wirtschaftlich realisierbare Lösungen: Statt aufwändiger Neubauten werden bestehende Produktionsanlagen durch kostengünstige Nachrüstungen (Retrofit) an die neuen Anforderungen angepasst. Zudem setzt das Team industrielle Abgase als Schutzatmosphäre ein. Das steigert die Nachhaltigkeit und ersetzt teure Edelgase.
ERProFit verfolgt das Ziel, die Zunderbildung bei der Warmmassivumformung zu minimieren. Eine sauerstoffarme Produktionsumgebung soll die Oxidation unterdrücken und damit Materialverluste und Werkzeugverschleiß reduzieren. Das ermöglicht außerdem glatte, hochwertige Oberflächen ohne zusätzliche Nachbearbeitung. Das Projektteam will neue Technologien für das Hybridschmieden von Stahl und Aluminium entwickeln und so den Leichtbau fördern.
Hierdurch wollen die Forschenden Gewichtseinsparungen realisieren, während eine zuverlässige stoffschlüssige Verbindung der beiden Materialien sichergestellt wird. Das Projekt setzt auf wirtschaftlich realisierbare Lösungen: Statt aufwändiger Neubauten werden bestehende Produktionsanlagen durch kostengünstige Nachrüstungen (Retrofit) an die neuen Anforderungen angepasst. Zudem setzt das Team industrielle Abgase als Schutzatmosphäre ein. Das steigert die Nachhaltigkeit und ersetzt teure Edelgase.
Vorgehen
Im ersten Schritt entwickeln die Projektpartner ein Konzept zur Schaffung einer sauerstoffarmen Atmosphäre in der Produktionsumgebung der Warmmassivumformung. Durch Einhausungen um die Produktionslinien und den Einsatz von industriellen Abgasen können sie die Zunderbildung erheblich reduzieren. Dies führt zu geringeren Materialverlusten, einer verbesserten Materialausnutzung und einer signifikanten Verlängerung der Werkzeugstandzeiten. Gleichzeitig entfallen aufwändige Entzunderungsprozesse und zusätzliche Bearbeitungsschritte, was die Effizienz der gesamten Fertigungskette erhöht.
Dank ihres Retrofit-Konzepts können die Forschenden bestehende Anlagen mit minimalem Aufwand anpassen und eine nachhaltige Fertigung realisieren. Das Projektteam testet die Technologie unter realen Bedingungen erfolgreich an handelsüblichen Umformmaschinen. Die Ergebnisse zeigen ein großes Potenzial für CO₂-Einsparungen: Bei einer Produktion von 500.000 Bauteilen pro Jahr können bis zu 10.000 Kilogramm CO₂ vermieden werden.
Im ersten Schritt entwickeln die Projektpartner ein Konzept zur Schaffung einer sauerstoffarmen Atmosphäre in der Produktionsumgebung der Warmmassivumformung. Durch Einhausungen um die Produktionslinien und den Einsatz von industriellen Abgasen können sie die Zunderbildung erheblich reduzieren. Dies führt zu geringeren Materialverlusten, einer verbesserten Materialausnutzung und einer signifikanten Verlängerung der Werkzeugstandzeiten. Gleichzeitig entfallen aufwändige Entzunderungsprozesse und zusätzliche Bearbeitungsschritte, was die Effizienz der gesamten Fertigungskette erhöht.
Dank ihres Retrofit-Konzepts können die Forschenden bestehende Anlagen mit minimalem Aufwand anpassen und eine nachhaltige Fertigung realisieren. Das Projektteam testet die Technologie unter realen Bedingungen erfolgreich an handelsüblichen Umformmaschinen. Die Ergebnisse zeigen ein großes Potenzial für CO₂-Einsparungen: Bei einer Produktion von 500.000 Bauteilen pro Jahr können bis zu 10.000 Kilogramm CO₂ vermieden werden.
FESt
Höherfeste Stähle effizient bearbeiten: Feinschneiden mit integrierter Erwärmung
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung das Gewicht von Fahrzeugen zu senken, um den Energieverbrauch und die Emissionen während der Nutzung zu reduzieren. Höherfeste Stähle – also Stähle die mit einer erhöhten Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht eine hohe Belastbarkeit und gute Verformbarkeit ermöglichen – bieten die Möglichkeit, stabilere und zugleich leichtere Bauteile zu fertigen. Insbesondere für Elektrofahrzeuge mit schweren Batterien bietet der Werkstoff so Vorteile. Zwar erfordert die Produktion höherfester Stähle Energie, doch durch den geringeren Materialeinsatz und die höhere Effizienz im Fahrzeugbetrieb lässt sich die CO₂-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus der Fahrzeuge verbessern. Hier setzt das Team im Projekt FESt an: Es entwickelt eine innovative Technologie, um diese anspruchsvollen Werkstoffe effizient zu bearbeiten und ihr Potenzial optimal zu nutzen.
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung das Gewicht von Fahrzeugen zu senken, um den Energieverbrauch und die Emissionen während der Nutzung zu reduzieren. Höherfeste Stähle – also Stähle die mit einer erhöhten Festigkeit bei vergleichsweise geringem Gewicht eine hohe Belastbarkeit und gute Verformbarkeit ermöglichen – bieten die Möglichkeit, stabilere und zugleich leichtere Bauteile zu fertigen. Insbesondere für Elektrofahrzeuge mit schweren Batterien bietet der Werkstoff so Vorteile. Zwar erfordert die Produktion höherfester Stähle Energie, doch durch den geringeren Materialeinsatz und die höhere Effizienz im Fahrzeugbetrieb lässt sich die CO₂-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus der Fahrzeuge verbessern. Hier setzt das Team im Projekt FESt an: Es entwickelt eine innovative Technologie, um diese anspruchsvollen Werkstoffe effizient zu bearbeiten und ihr Potenzial optimal zu nutzen.
Ziel
Das Projektteam will eine neue Technologie für das Feinschneiden höherfester Stähle entwickeln, die Bauteile mit geringerer Materialstärke und hoher Präzision ermöglicht. Hierzu wollen die Forschenden das Blech vor dem Schneiden gezielt erwärmen. Dadurch wird die Bearbeitung erleichtert und der Energie- und Materialverbrauch gesenkt.
Neben der Material- und Energieeinsparung verlängert die Technologie die Werkzeuglebensdauer, da sie den Verschleiß reduziert. Zudem wählen die Forschenden gezielt höherfeste Stähle mit optimaler Erwärmbarkeit und angepassten Fließeigenschaften aus, um die Feinschneidbarkeit weiter zu verbessern.
Das Projektteam will eine neue Technologie für das Feinschneiden höherfester Stähle entwickeln, die Bauteile mit geringerer Materialstärke und hoher Präzision ermöglicht. Hierzu wollen die Forschenden das Blech vor dem Schneiden gezielt erwärmen. Dadurch wird die Bearbeitung erleichtert und der Energie- und Materialverbrauch gesenkt.
Neben der Material- und Energieeinsparung verlängert die Technologie die Werkzeuglebensdauer, da sie den Verschleiß reduziert. Zudem wählen die Forschenden gezielt höherfeste Stähle mit optimaler Erwärmbarkeit und angepassten Fließeigenschaften aus, um die Feinschneidbarkeit weiter zu verbessern.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert zwei Technologien: das Feinschneiden und die gezielte Erwärmung des Werkstoffs. Dazu entwickelt es ein System, das Erwärmungseinheiten direkt in Feinschneidpressen integriert. In einem Benchmark-Vergleich zeigen die Forschenden, dass die induktive Erwärmung besser geeignet ist als die laserbasierte Erwärmung. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die Erwärmung so zu integrieren, dass das Material beim Schneiden die gewünschte Temperatur beibehält.
Die Forschenden untersuchen die Wechselwirkungen zwischen Temperatur, Werkstoffverhalten und Schneidqualität. Sie analysieren sowohl die optimale Erwärmungsmethode als auch die Auswirkungen auf den Werkzeugverschleiß und die Prozessstabilität. Ergänzend entwickeln sie ein spezielles Schmierstoffkonzept, das auch bei erhöhten Temperaturen für optimale Reibungseigenschaften sorgt.
Um das Prozessverständnis zu vertiefen, simulieren sie den Feinschneidprozess mit der Finite-Elemente-Methode (FEM). So können sie die Auswirkungen der Erwärmung präzise modellieren und den Prozess gezielt optimieren.
Abschließend testen die Forschenden die Technologie in einer industriellen Umgebung, um ihre Praxistauglichkeit zu belegen. Zudem analysieren sie die Nachhaltigkeit der neuen Methode und berechnen, wie stark sie zur CO₂-Reduktion und zur Gewichtsreduktion beiträgt.
Das Projektteam kombiniert zwei Technologien: das Feinschneiden und die gezielte Erwärmung des Werkstoffs. Dazu entwickelt es ein System, das Erwärmungseinheiten direkt in Feinschneidpressen integriert. In einem Benchmark-Vergleich zeigen die Forschenden, dass die induktive Erwärmung besser geeignet ist als die laserbasierte Erwärmung. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die Erwärmung so zu integrieren, dass das Material beim Schneiden die gewünschte Temperatur beibehält.
Die Forschenden untersuchen die Wechselwirkungen zwischen Temperatur, Werkstoffverhalten und Schneidqualität. Sie analysieren sowohl die optimale Erwärmungsmethode als auch die Auswirkungen auf den Werkzeugverschleiß und die Prozessstabilität. Ergänzend entwickeln sie ein spezielles Schmierstoffkonzept, das auch bei erhöhten Temperaturen für optimale Reibungseigenschaften sorgt.
Um das Prozessverständnis zu vertiefen, simulieren sie den Feinschneidprozess mit der Finite-Elemente-Methode (FEM). So können sie die Auswirkungen der Erwärmung präzise modellieren und den Prozess gezielt optimieren.
Abschließend testen die Forschenden die Technologie in einer industriellen Umgebung, um ihre Praxistauglichkeit zu belegen. Zudem analysieren sie die Nachhaltigkeit der neuen Methode und berechnen, wie stark sie zur CO₂-Reduktion und zur Gewichtsreduktion beiträgt.
FI:IL
Sensorik per Pultrusion integrieren: Belastungen in Faserverbund-Bauteilen messen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
30.04.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Duroplaste, Garne, Rovings, Gewebe, Vliesstoffe, Matten, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ermöglichen leichte und zugleich tragfähige Bauteile. Das Potenzial des Leichtbaumaterials ist jedoch noch nicht vollständig erschlossen. Ein zentraler Ansatzpunkt liegt in der gezielten Integration zusätzlicher Funktionen: Wenn Bauteile nicht nur mechanisch wirken, sondern gleichzeitig Informationen über ihre Belastung und ihren Zustand liefern, lassen sich Wartungsstrategien optimieren, Ressourcen einsparen und die Lebensdauer verlängern.
In der Praxis scheitert diese Funktionsintegration jedoch häufig an hohen Kosten oder komplexer Technik. Sensorik wird meist nachträglich angebracht, was aufwendig, ungenau und wenig robust ist. Zudem ist der Markt für smarte FVK-Bauteile bisher auf teure Hochleistungsanwendungen beschränkt. Um das zu ändern, braucht es neue Ansätze, die wirtschaftlich und auf viele Anwendungen übertragbar sind – etwa Brücken, Windenergieanlagen oder Lastenfahrräder. Hier setzt das Projekt FI:IL an.
Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) ermöglichen leichte und zugleich tragfähige Bauteile. Das Potenzial des Leichtbaumaterials ist jedoch noch nicht vollständig erschlossen. Ein zentraler Ansatzpunkt liegt in der gezielten Integration zusätzlicher Funktionen: Wenn Bauteile nicht nur mechanisch wirken, sondern gleichzeitig Informationen über ihre Belastung und ihren Zustand liefern, lassen sich Wartungsstrategien optimieren, Ressourcen einsparen und die Lebensdauer verlängern.
In der Praxis scheitert diese Funktionsintegration jedoch häufig an hohen Kosten oder komplexer Technik. Sensorik wird meist nachträglich angebracht, was aufwendig, ungenau und wenig robust ist. Zudem ist der Markt für smarte FVK-Bauteile bisher auf teure Hochleistungsanwendungen beschränkt. Um das zu ändern, braucht es neue Ansätze, die wirtschaftlich und auf viele Anwendungen übertragbar sind – etwa Brücken, Windenergieanlagen oder Lastenfahrräder. Hier setzt das Projekt FI:IL an.
Ziel
Die Projektbeteiligten entwickeln ein intelligentes FVK-Bauteil mit integrierter Sensorik – die sogenannte „Funktionsintegrierte Intelligente Lamelle“. Dieses neue Bauteil soll dauerhaft messen können, wie stark es belastet wird – etwa durch Dehnung. Anders als bestehende Systeme nutzen die Projektpartner dabei ein textiles Trägermaterial mit eingebetteter Sensorik, die schon bei der Herstellung präzise in die Struktur eingebracht wird.
Die Sensoren werden mit einem einfachen BUS-System, kurz für Binary Unit System, einer strukturierten Datenverbindung, über die mehrere elektronische Komponenten miteinander kommunizieren können, gekoppelt. Dadurch werden die Messungen nicht nur robust und zuverlässig, sondern auch günstig realisierbar und damit wirtschaftlich attraktiv.
Die Forschenden zielen zudem darauf ab, die Sensorintegration mit dem großserientauglichen Pultrusionsverfahren zu kombinieren. Dadurch entsteht ein leichtes, belastbares und zugleich kostengünstiges Strukturbauteil. Dieses Bauteil kann im Sinne von predictive maintenance Informationen zur Wartung und zur Auslegung künftiger Komponenten liefern. So sollen CO₂-Emissionen nicht nur im Betrieb, sondern auch durch verbesserte Bauteilauslegung in der Entwicklung eingespart werden.
Die Projektbeteiligten entwickeln ein intelligentes FVK-Bauteil mit integrierter Sensorik – die sogenannte „Funktionsintegrierte Intelligente Lamelle“. Dieses neue Bauteil soll dauerhaft messen können, wie stark es belastet wird – etwa durch Dehnung. Anders als bestehende Systeme nutzen die Projektpartner dabei ein textiles Trägermaterial mit eingebetteter Sensorik, die schon bei der Herstellung präzise in die Struktur eingebracht wird.
Die Sensoren werden mit einem einfachen BUS-System, kurz für Binary Unit System, einer strukturierten Datenverbindung, über die mehrere elektronische Komponenten miteinander kommunizieren können, gekoppelt. Dadurch werden die Messungen nicht nur robust und zuverlässig, sondern auch günstig realisierbar und damit wirtschaftlich attraktiv.
Die Forschenden zielen zudem darauf ab, die Sensorintegration mit dem großserientauglichen Pultrusionsverfahren zu kombinieren. Dadurch entsteht ein leichtes, belastbares und zugleich kostengünstiges Strukturbauteil. Dieses Bauteil kann im Sinne von predictive maintenance Informationen zur Wartung und zur Auslegung künftiger Komponenten liefern. So sollen CO₂-Emissionen nicht nur im Betrieb, sondern auch durch verbesserte Bauteilauslegung in der Entwicklung eingespart werden.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt ein textiles Halbzeug, das Sensorik und Datenübertragung kombiniert. Ziel ist es, Dehnungen entlang der Bauteilachse ortsaufgelöst zu erfassen – mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand. Die Sensorelemente werden vor der Formgebung exakt auf dem Trägermaterial positioniert. Dieses Halbzeug integrieren die Partner anschließend in das Kunststoffbauteil – mittels Pultrusion, einem energie- und materialeffizienten Verfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Profile. So schaffen sie ein intelligentes Strukturbauteil, das sich wirtschaftlich in Serie fertigen lässt.
Um das breite Anwendungspotenzial zu demonstrieren, entwickelt das Projektteam drei exemplarische Anwendungsfälle: In Brücken kann der Spannungszustand kontinuierlich überwacht und die Lebensdauer verlängert werden. In Lastenfahrrädern warnt die Sensorik bei Überladung, schützt die Fahrerinnen und Fahrer und verlängert die Nutzungsdauer. In Rotorblättern von Windenergieanlagen ermöglicht das System eine dauerhafte Belastungsmessung. Alle drei Anwendungen verdeutlichen, wie sich mechanische Funktionalität, Sensorintegration und serientaugliche Fertigungstechnologie in einem Bauteil verbinden lassen – mit dem Ziel, ressourceneffiziente und belastbare Strukturen zu realisieren.
Das Projektteam entwickelt ein textiles Halbzeug, das Sensorik und Datenübertragung kombiniert. Ziel ist es, Dehnungen entlang der Bauteilachse ortsaufgelöst zu erfassen – mit hoher Genauigkeit und geringem Aufwand. Die Sensorelemente werden vor der Formgebung exakt auf dem Trägermaterial positioniert. Dieses Halbzeug integrieren die Partner anschließend in das Kunststoffbauteil – mittels Pultrusion, einem energie- und materialeffizienten Verfahren zur Herstellung endlosfaserverstärkter Profile. So schaffen sie ein intelligentes Strukturbauteil, das sich wirtschaftlich in Serie fertigen lässt.
Um das breite Anwendungspotenzial zu demonstrieren, entwickelt das Projektteam drei exemplarische Anwendungsfälle: In Brücken kann der Spannungszustand kontinuierlich überwacht und die Lebensdauer verlängert werden. In Lastenfahrrädern warnt die Sensorik bei Überladung, schützt die Fahrerinnen und Fahrer und verlängert die Nutzungsdauer. In Rotorblättern von Windenergieanlagen ermöglicht das System eine dauerhafte Belastungsmessung. Alle drei Anwendungen verdeutlichen, wie sich mechanische Funktionalität, Sensorintegration und serientaugliche Fertigungstechnologie in einem Bauteil verbinden lassen – mit dem Ziel, ressourceneffiziente und belastbare Strukturen zu realisieren.
FlexGear
Leichtere Getriebe für Windenergieanlagen entwickeln: mit Bionik und innovativer Sensorik
Förderlaufzeit:
Start
01.12.20
Ende
31.05.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Windenergie spielt eine Schlüsselrolle bei der Energiewende und leistet bereits heute einen wichtigen Beitrag zur deutschen Stromproduktion. Um die Klimaziele zu erreichen, wird der Ausbau leistungsstarker Windenergieanlagen weiter vorangetrieben. Mit steigender Leistung wachsen jedoch auch die Dimensionen der Anlagen, insbesondere der Getriebe, die als zentrale Komponenten erhebliche Materialmengen erfordern. Dies erhöht die Kosten und verschlechtert die CO₂-Bilanz der Anlagen. Zusätzlich steigert das höhere Gewicht der Getriebe die Lasten auf Gondel und Turm, was den Materialbedarf der gesamten Anlage weiter erhöht.
Bisherige Leichtbauansätze für Zahnräder beschränken sich meist auf den Grundkörper und bieten Gewichtseinsparungen von bis zu 45 Prozent. Hier setzt das Projekt FlexGear mit einem umfassenden Leichtbaukonzept an: Mit bionisch inspirierten Strukturen, die bis in die Zahnkränze reichen, sowie innovativen Fertigungstechnologien wollen die Forschenden eine Gewichtseinsparung von bis zu 65 Prozent für Zahnräder erreichen.
Windenergie spielt eine Schlüsselrolle bei der Energiewende und leistet bereits heute einen wichtigen Beitrag zur deutschen Stromproduktion. Um die Klimaziele zu erreichen, wird der Ausbau leistungsstarker Windenergieanlagen weiter vorangetrieben. Mit steigender Leistung wachsen jedoch auch die Dimensionen der Anlagen, insbesondere der Getriebe, die als zentrale Komponenten erhebliche Materialmengen erfordern. Dies erhöht die Kosten und verschlechtert die CO₂-Bilanz der Anlagen. Zusätzlich steigert das höhere Gewicht der Getriebe die Lasten auf Gondel und Turm, was den Materialbedarf der gesamten Anlage weiter erhöht.
Bisherige Leichtbauansätze für Zahnräder beschränken sich meist auf den Grundkörper und bieten Gewichtseinsparungen von bis zu 45 Prozent. Hier setzt das Projekt FlexGear mit einem umfassenden Leichtbaukonzept an: Mit bionisch inspirierten Strukturen, die bis in die Zahnkränze reichen, sowie innovativen Fertigungstechnologien wollen die Forschenden eine Gewichtseinsparung von bis zu 65 Prozent für Zahnräder erreichen.
Ziel
Das Hauptziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Entwicklung eines hochoptimierten Leichtbauzahnrads mit flexiblen Strukturen. Mit ihrem Ansatz orientieren sie sich an bionischen Designprinzipien, die minimale Materialverwendung bei maximaler Stabilität ermöglichen. Dabei betrachtet das Team nicht nur den Zahnradgrundkörper, sondern auch die Zahnkränze, wodurch sie zusätzliche Gewichtseinsparungen realisieren möchten.
Ein weiteres zentrales Element ist das Inside-Sensoring-System, das direkt in die Zahnradstruktur integriert wird. Mit diesem System erfassen die Forschenden Belastungen und Verformungen in Echtzeit und übertragen die Daten an ein Condition-Monitoring-System. Dieses ermöglicht die proaktive Kompensation von Lastspitzen, was nicht nur die Betriebssicherheit erhöht, sondern auch bisher notwendige Überdimensionierungen der Anlagen vermeidet. FlexGear strebt somit eine Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz von Windkraftgetrieben an und reduziert gleichzeitig CO₂-Emissionen sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb.
Das Hauptziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Entwicklung eines hochoptimierten Leichtbauzahnrads mit flexiblen Strukturen. Mit ihrem Ansatz orientieren sie sich an bionischen Designprinzipien, die minimale Materialverwendung bei maximaler Stabilität ermöglichen. Dabei betrachtet das Team nicht nur den Zahnradgrundkörper, sondern auch die Zahnkränze, wodurch sie zusätzliche Gewichtseinsparungen realisieren möchten.
Ein weiteres zentrales Element ist das Inside-Sensoring-System, das direkt in die Zahnradstruktur integriert wird. Mit diesem System erfassen die Forschenden Belastungen und Verformungen in Echtzeit und übertragen die Daten an ein Condition-Monitoring-System. Dieses ermöglicht die proaktive Kompensation von Lastspitzen, was nicht nur die Betriebssicherheit erhöht, sondern auch bisher notwendige Überdimensionierungen der Anlagen vermeidet. FlexGear strebt somit eine Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz von Windkraftgetrieben an und reduziert gleichzeitig CO₂-Emissionen sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb.
Vorgehen
Zunächst erarbeiten die Forschenden bionische Designs, die sich an natürlichen Vorbildern wie Diatomeen orientieren. Diese Mikroorganismen zeichnen sich durch ihre minimalen Materialstrukturen bei maximaler Stabilität aus. Mit dem ELiSE-Verfahren (Evolutionary Light Structure Engineering) entwickeln sie optimierte Strukturen, die flexibel genug sind, um Lastspitzen auszugleichen.
Zur Herstellung der Zahnräder nutzt das Team additive Fertigungsverfahren, die die Realisierung hochkomplexer Geometrien ermöglichen. Diese Technologie bietet zudem die Voraussetzung, Sensorik direkt in das Zahnrad zu integrieren. Hierfür entwickeln die Forschenden ein Inside-Sensoring-System, das auf Dünnfilmtechnik basiert. Es misst Belastungen und Verformungen direkt im Inneren des Zahnrads und überträgt die Daten in Echtzeit an ein Condition-Monitoring-System, das kritische Lastspitzen erkennt und kompensiert.
Abschließend testet das Team die Zahnräder auf einem eigens konzipierten Prüfstand unter realitätsnahen Belastungen, um sowohl ihre strukturellen Eigenschaften als auch die Funktionalität der Sensorik zu überprüfen. Um die tatsächlichen Masseneinsparungen und die mechanische Belastbarkeit zu bewerten, vergleichen die Forschenden den Demonstrator mit herkömmlichen Zahnrädern. Parallel dazu erfolgt die Automatisierung des bionischen Designprozesses, um die gewonnenen Erkenntnisse künftig auf weitere Anwendungen übertragen zu können.
Zunächst erarbeiten die Forschenden bionische Designs, die sich an natürlichen Vorbildern wie Diatomeen orientieren. Diese Mikroorganismen zeichnen sich durch ihre minimalen Materialstrukturen bei maximaler Stabilität aus. Mit dem ELiSE-Verfahren (Evolutionary Light Structure Engineering) entwickeln sie optimierte Strukturen, die flexibel genug sind, um Lastspitzen auszugleichen.
Zur Herstellung der Zahnräder nutzt das Team additive Fertigungsverfahren, die die Realisierung hochkomplexer Geometrien ermöglichen. Diese Technologie bietet zudem die Voraussetzung, Sensorik direkt in das Zahnrad zu integrieren. Hierfür entwickeln die Forschenden ein Inside-Sensoring-System, das auf Dünnfilmtechnik basiert. Es misst Belastungen und Verformungen direkt im Inneren des Zahnrads und überträgt die Daten in Echtzeit an ein Condition-Monitoring-System, das kritische Lastspitzen erkennt und kompensiert.
Abschließend testet das Team die Zahnräder auf einem eigens konzipierten Prüfstand unter realitätsnahen Belastungen, um sowohl ihre strukturellen Eigenschaften als auch die Funktionalität der Sensorik zu überprüfen. Um die tatsächlichen Masseneinsparungen und die mechanische Belastbarkeit zu bewerten, vergleichen die Forschenden den Demonstrator mit herkömmlichen Zahnrädern. Parallel dazu erfolgt die Automatisierung des bionischen Designprozesses, um die gewonnenen Erkenntnisse künftig auf weitere Anwendungen übertragen zu können.
FORMlight
Freiformbleche automatisiert herstellen: Additive Verfahren reduzieren Materialverbrauch
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Freiformbleche sind unverzichtbar für ikonische Architekturprojekte wie das Chrysler Building oder das Morpheus Hotel. Doch ihre Herstellung ist aufwendig: Meist entstehen sie in teurer Handarbeit, da bestehende Verfahren wie die inkrementelle Blechumformung oder Multiple-Point Stretch Forming technisch zu komplex und kostenintensiv sind. Alternativen wie Schindeln oder Verbundwerkstoffe erfordern Kompromisse bei der Gestaltung und sind oft schwer recycelbar.
Gleichzeitig fehlt es an industriellen Verfahren, um Freiformbleche effizient und ressourcenschonend herzustellen. Diese Lücke besteht trotz des steigenden Bedarfs an leichten, freigeformten Fassadenelementen, die hohen Nachhaltigkeitsstandards entsprechen.
Freiformbleche sind unverzichtbar für ikonische Architekturprojekte wie das Chrysler Building oder das Morpheus Hotel. Doch ihre Herstellung ist aufwendig: Meist entstehen sie in teurer Handarbeit, da bestehende Verfahren wie die inkrementelle Blechumformung oder Multiple-Point Stretch Forming technisch zu komplex und kostenintensiv sind. Alternativen wie Schindeln oder Verbundwerkstoffe erfordern Kompromisse bei der Gestaltung und sind oft schwer recycelbar.
Gleichzeitig fehlt es an industriellen Verfahren, um Freiformbleche effizient und ressourcenschonend herzustellen. Diese Lücke besteht trotz des steigenden Bedarfs an leichten, freigeformten Fassadenelementen, die hohen Nachhaltigkeitsstandards entsprechen.
Ziel
Ziel des Forschungsprojektes FORMlight ist es, eine Fertigungstechnologie zu entwickeln, mit welcher leichte, steife, materialreine und recyclingfähige Dünnbleche für den Fassadenbau hergestellt werden können, um dicke Bleche oder Verbundwerkstoffe wie Alucobond zu ersetzen.
Durch die Nutzung von Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), einer additiven Fertigungstechnologie bei der Schweißmaterial mit einem Lichtbogen als Wärmequelle aufgeschmolzen und schichtweise aufgebracht wird, sollen sowohl flache Dünnbleche als auch elastisch verformte Dünnbleche durch das Aufschweißen von Rippen lokal versteift und in ihrer Form eingefroren werden.
Dieses Vorgehen spart Material, senkt das Gewicht der Fassadenelemente und soll erstmals die wirtschaftliche Herstellung frei geformter Fassadenbleche für den Bau ermöglichen. Neben ökologischen Vorteilen, wie CO₂-Einsparungen und vollständiger Recyclingfähigkeit, zielt das Projekt FORMlight darauf ab, neue architektonische Freiheiten zu schaffen und den Bau von Freiformfassaden zu revolutionieren.
Ziel des Forschungsprojektes FORMlight ist es, eine Fertigungstechnologie zu entwickeln, mit welcher leichte, steife, materialreine und recyclingfähige Dünnbleche für den Fassadenbau hergestellt werden können, um dicke Bleche oder Verbundwerkstoffe wie Alucobond zu ersetzen.
Durch die Nutzung von Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), einer additiven Fertigungstechnologie bei der Schweißmaterial mit einem Lichtbogen als Wärmequelle aufgeschmolzen und schichtweise aufgebracht wird, sollen sowohl flache Dünnbleche als auch elastisch verformte Dünnbleche durch das Aufschweißen von Rippen lokal versteift und in ihrer Form eingefroren werden.
Dieses Vorgehen spart Material, senkt das Gewicht der Fassadenelemente und soll erstmals die wirtschaftliche Herstellung frei geformter Fassadenbleche für den Bau ermöglichen. Neben ökologischen Vorteilen, wie CO₂-Einsparungen und vollständiger Recyclingfähigkeit, zielt das Projekt FORMlight darauf ab, neue architektonische Freiheiten zu schaffen und den Bau von Freiformfassaden zu revolutionieren.
Vorgehen
Das Projektteam erarbeitet verschiedene Methoden zur digitalen 3D-Rekonstruktion der reflektierenden Metalloberfläche von verformten Blechen. Dazu erfasst das Team die Verformung der Bleche optisch und rechnet sie anschließend in ein digitales Modell um.
Um die Versteifungsrippen mittels Wire Arc Additiv Manufacturing (WAAM) auf die dünnen Bleche aufbringen zu können, ermittelt das Team das zulässige Prozessfenster experimentell und arbeitet an Techniken zur Vorhersage der optimalen Anordnung von Verstärkungsrippen. Diese Vorhersagetechniken sind wichtig, da die optimale Anordnung der Verstärkungsrippen beispielsweise abhängig ist von der Blechgröße, der Rippenanzahl, der Blechverformung und den Stoß- und Kreuzungspunkten der Schweißrippen.
Um aus der Fassadenplanung effizienter die benötigten Freiformgeometrien ableiten zu können, programmiert das Projektteam ein Software-Tool, sodass die Konstruktion der Blechgeometrien nicht mehr manuell erfolgen muss, sondern automatisiert werden kann. Zum Abschluss fertigt das Team aus verformten Blechen mit unterschiedlichen Rippenanordnungen einen Demonstrator, der dafür geeignet ist, die vielversprechende Technologie auf Messen vorzustellen.
Das Projektteam erarbeitet verschiedene Methoden zur digitalen 3D-Rekonstruktion der reflektierenden Metalloberfläche von verformten Blechen. Dazu erfasst das Team die Verformung der Bleche optisch und rechnet sie anschließend in ein digitales Modell um.
Um die Versteifungsrippen mittels Wire Arc Additiv Manufacturing (WAAM) auf die dünnen Bleche aufbringen zu können, ermittelt das Team das zulässige Prozessfenster experimentell und arbeitet an Techniken zur Vorhersage der optimalen Anordnung von Verstärkungsrippen. Diese Vorhersagetechniken sind wichtig, da die optimale Anordnung der Verstärkungsrippen beispielsweise abhängig ist von der Blechgröße, der Rippenanzahl, der Blechverformung und den Stoß- und Kreuzungspunkten der Schweißrippen.
Um aus der Fassadenplanung effizienter die benötigten Freiformgeometrien ableiten zu können, programmiert das Projektteam ein Software-Tool, sodass die Konstruktion der Blechgeometrien nicht mehr manuell erfolgen muss, sondern automatisiert werden kann. Zum Abschluss fertigt das Team aus verformten Blechen mit unterschiedlichen Rippenanordnungen einen Demonstrator, der dafür geeignet ist, die vielversprechende Technologie auf Messen vorzustellen.
FST-FoamPreg
Monomaterial-Sandwichbauteile flammgeschützt bauen: mit Prepregs und Expoxidharzschäumen
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
31.03.25
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Glasfasern, Naturfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Sonstige (Metallinserts und mittels fasergerechter tailored fiber placement (TFP) hergestellten Halbzeuge, Sandwichbauteile, Baugruppen mit expandierbaren Formmassen), Geschlossenporig, Sonstige (EP-Schaumkern)
Hintergrund
Sandwichbauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) sind im Leichtbau etabliert, insbesondere im Transportwesen. Sie kombinieren einen leichten Schaumkern mit stabilen Deckschichten und erzielen so hohe mechanische Belastbarkeit bei geringem Gewicht. In Fahrzeugen wie Zügen, Flugzeugen oder Elektroautos steigen die Anforderungen an das Brandverhalten dieser Materialien deutlich. Neben Festigkeit und Temperaturbeständigkeit gewinnen Eigenschaften wie Flammenausbreitung, Rauchentwicklung und Toxizität an Bedeutung.
Vor allem bei Schaumkernen und sogenannten Prepregs – also Faserhalbzeugen, die bereits mit Harz vorimprägniert sind – besteht technologischer Handlungsbedarf. Denn die Schäume werden häufig mit chemischen Treibmitteln hergestellt. Prepregs wiederum müssen bei Lagerung und Transport durchgehend tiefgekühlt sein. Das erhöht den Energiebedarf, verursacht zusätzliche Kosten und verschlechtert die Umweltbilanz. Hier setzt das Forschungsprojekt FST-FoamPreg an: Die Partner entwickeln flammgeschützte, umweltverträgliche und prozesssichere Materialsysteme für FVK-Bauteile.
Sandwichbauteile aus Faserverbundkunststoffen (FVK) sind im Leichtbau etabliert, insbesondere im Transportwesen. Sie kombinieren einen leichten Schaumkern mit stabilen Deckschichten und erzielen so hohe mechanische Belastbarkeit bei geringem Gewicht. In Fahrzeugen wie Zügen, Flugzeugen oder Elektroautos steigen die Anforderungen an das Brandverhalten dieser Materialien deutlich. Neben Festigkeit und Temperaturbeständigkeit gewinnen Eigenschaften wie Flammenausbreitung, Rauchentwicklung und Toxizität an Bedeutung.
Vor allem bei Schaumkernen und sogenannten Prepregs – also Faserhalbzeugen, die bereits mit Harz vorimprägniert sind – besteht technologischer Handlungsbedarf. Denn die Schäume werden häufig mit chemischen Treibmitteln hergestellt. Prepregs wiederum müssen bei Lagerung und Transport durchgehend tiefgekühlt sein. Das erhöht den Energiebedarf, verursacht zusätzliche Kosten und verschlechtert die Umweltbilanz. Hier setzt das Forschungsprojekt FST-FoamPreg an: Die Partner entwickeln flammgeschützte, umweltverträgliche und prozesssichere Materialsysteme für FVK-Bauteile.
Ziel
Das Projektteam entwickelt ein neues Materialsystem für Sandwich- und Leichtbauteile, das hohe Anforderungen an den Flammschutz erfüllt und gleichzeitig ökologische sowie wirtschaftliche Vorteile bietet. Im Mittelpunkt steht die Kombination eines Epoxidharzschaums, der mit CO₂ anstelle konventioneller chemischer Treibmittel geschäumt wird. Die Deckschichten werden durch thermisch latente, also bei Raumtemperatur lagerstabile, Prepregs realisiert.
Beide Komponenten stimmen die Partner so aufeinander ab, dass sie ein integrales, industriell verarbeitbares Gesamtsystem bilden. Die beiden Einzelkomponenten (Prepregs, Schaum) liegen dabei beide jeweils als thermisch latente Halbzeuge vor. Damit erschließen sie neue Möglichkeiten für den Einsatz von Sandwichbauteilen in Anwendungen, bei denen herkömmliche Materialien durch Umweltauflagen, Kostendruck oder technische Einschränkungen an ihre Grenzen geraten.
Das Projektteam entwickelt ein neues Materialsystem für Sandwich- und Leichtbauteile, das hohe Anforderungen an den Flammschutz erfüllt und gleichzeitig ökologische sowie wirtschaftliche Vorteile bietet. Im Mittelpunkt steht die Kombination eines Epoxidharzschaums, der mit CO₂ anstelle konventioneller chemischer Treibmittel geschäumt wird. Die Deckschichten werden durch thermisch latente, also bei Raumtemperatur lagerstabile, Prepregs realisiert.
Beide Komponenten stimmen die Partner so aufeinander ab, dass sie ein integrales, industriell verarbeitbares Gesamtsystem bilden. Die beiden Einzelkomponenten (Prepregs, Schaum) liegen dabei beide jeweils als thermisch latente Halbzeuge vor. Damit erschließen sie neue Möglichkeiten für den Einsatz von Sandwichbauteilen in Anwendungen, bei denen herkömmliche Materialien durch Umweltauflagen, Kostendruck oder technische Einschränkungen an ihre Grenzen geraten.
Vorgehen
Das Team analysiert die bestehenden Formulierungen des Epoxidharzschaums und der Prepreg‑Decklage auf Basis einer Vorentwicklung im Labormaßstab. Es untersucht chemische Zusammensetzung, Aufschäumverhalten mit CO₂ als Treibmittel und Reaktionskinetik beider Materialien. Ziel ist es, die Aushärtung von Kern und Deckschicht so zu synchronisieren, dass beide in einem kombinierten Fertigungsschritt verarbeitet werden können.
Zur Steigerung der Produktionseffizienz bevorzugen die Forschenden isotherme vor variothermen Prozessen: Das Material wird in ein vorgeheiztes Werkzeug eingelegt und heiß entformt („hot in/ hot out“). Der Schaum kann zur besseren Handhabung als Paste oder flächiges Halbzeug vorliegen. Im nächsten Schritt entwickelt das Projektteam einen Prozess, bei dem der Schaum in unter 30 Minuten expandiert und gleichzeitig mit der Decklage zu einer festen Struktur reagiert. Um dies zu erreichen, justieren sie Temperaturverläufe, Verarbeitungszeiten und Materialparameter, bis eine prozesssichere Bauteilqualität entsteht.
Die Verbindung der Schichten erfolgt ohne zusätzliche Klebeschritte. Begleitend prüfen die Partner die Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Bauteile. Sie testen verschiedene Geometrien, Schichtdicken und Fertigungsbedingungen, qualifizieren das System für den industriellen Einsatz, bereiten die Übertragung auf konkrete Anwendungen im Transportsektor vor und bewerten die Skalierbarkeit des Verfahrens.
Das Team analysiert die bestehenden Formulierungen des Epoxidharzschaums und der Prepreg‑Decklage auf Basis einer Vorentwicklung im Labormaßstab. Es untersucht chemische Zusammensetzung, Aufschäumverhalten mit CO₂ als Treibmittel und Reaktionskinetik beider Materialien. Ziel ist es, die Aushärtung von Kern und Deckschicht so zu synchronisieren, dass beide in einem kombinierten Fertigungsschritt verarbeitet werden können.
Zur Steigerung der Produktionseffizienz bevorzugen die Forschenden isotherme vor variothermen Prozessen: Das Material wird in ein vorgeheiztes Werkzeug eingelegt und heiß entformt („hot in/ hot out“). Der Schaum kann zur besseren Handhabung als Paste oder flächiges Halbzeug vorliegen. Im nächsten Schritt entwickelt das Projektteam einen Prozess, bei dem der Schaum in unter 30 Minuten expandiert und gleichzeitig mit der Decklage zu einer festen Struktur reagiert. Um dies zu erreichen, justieren sie Temperaturverläufe, Verarbeitungszeiten und Materialparameter, bis eine prozesssichere Bauteilqualität entsteht.
Die Verbindung der Schichten erfolgt ohne zusätzliche Klebeschritte. Begleitend prüfen die Partner die Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Bauteile. Sie testen verschiedene Geometrien, Schichtdicken und Fertigungsbedingungen, qualifizieren das System für den industriellen Einsatz, bereiten die Übertragung auf konkrete Anwendungen im Transportsektor vor und bewerten die Skalierbarkeit des Verfahrens.
FuMi-Lite
Mikro- und Monosandwich-Materialien optimieren: Leichtbau für funktionale Fahrzeugbauteile
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Naturfasern, Sonstige (PET-Fasern), Thermoplaste, Garne, Rovings, Vliesstoffe, Matten, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Sonstige (Eigenverstärkte Kunststoffe (SrPET)), Offenporig
Hintergrund
Leichtbau ist ein wichtiger Baustein, um Fahrzeuge effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Mikro- und Monosandwich-Materialien bieten dabei großes Potenzial. Sie bestehen aus einem leichten Kernmaterial, das zwischen zwei Deckschichten angeordnet ist. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Im Fahrzeugbau kommen Mikrosandwich-Materialien bisher vor allem bei einfachen Verkleidungsteilen zum Einsatz. Für anspruchsvollere Bauteile wie Türgrundträger oder Mittelkonsolen sind neue Lösungen notwendig, die zusätzliche Funktionen integrieren und mechanische Belastungen zuverlässig aufnehmen können. Im Projekt FuMi-Lite arbeitet das Forschungsteam daran, Mikro- und Monosandwich-Technologien für komplexe Anwendungen im Fahrzeuginterieur weiterzuentwickeln.
Leichtbau ist ein wichtiger Baustein, um Fahrzeuge effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Mikro- und Monosandwich-Materialien bieten dabei großes Potenzial. Sie bestehen aus einem leichten Kernmaterial, das zwischen zwei Deckschichten angeordnet ist. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht. Im Fahrzeugbau kommen Mikrosandwich-Materialien bisher vor allem bei einfachen Verkleidungsteilen zum Einsatz. Für anspruchsvollere Bauteile wie Türgrundträger oder Mittelkonsolen sind neue Lösungen notwendig, die zusätzliche Funktionen integrieren und mechanische Belastungen zuverlässig aufnehmen können. Im Projekt FuMi-Lite arbeitet das Forschungsteam daran, Mikro- und Monosandwich-Technologien für komplexe Anwendungen im Fahrzeuginterieur weiterzuentwickeln.
Ziel
Das Forschungsteam verfolgt das Ziel, Mikro- und Monosandwich-Materialien so zu optimieren, dass sie multifunktionale Anforderungen erfüllen. Konkret arbeitet es an einer Materialkombination, die aus einem recycelten PET-Schaumkern und Deckschichten – etwa aus naturfaserverstärkten Vliesen – besteht. Diese Kombination reduziert das Gewicht um bis zu 40 Prozent im Vergleich zu konventionellen Materialien und ermöglicht gleichzeitig neue Funktionen. Dazu gehört die Integration von Heizsystemen oder Befestigungselementen. Außerdem untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich weitere nachhaltige und recycelte Materialien in die Struktur einbinden lassen. Ziel ist es, die gesamte Produktionskette ökologisch zu optimieren und die Nutzungsphase der Bauteile energieeffizienter zu gestalten.
Das Forschungsteam verfolgt das Ziel, Mikro- und Monosandwich-Materialien so zu optimieren, dass sie multifunktionale Anforderungen erfüllen. Konkret arbeitet es an einer Materialkombination, die aus einem recycelten PET-Schaumkern und Deckschichten – etwa aus naturfaserverstärkten Vliesen – besteht. Diese Kombination reduziert das Gewicht um bis zu 40 Prozent im Vergleich zu konventionellen Materialien und ermöglicht gleichzeitig neue Funktionen. Dazu gehört die Integration von Heizsystemen oder Befestigungselementen. Außerdem untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich weitere nachhaltige und recycelte Materialien in die Struktur einbinden lassen. Ziel ist es, die gesamte Produktionskette ökologisch zu optimieren und die Nutzungsphase der Bauteile energieeffizienter zu gestalten.
Vorgehen
Zunächst analysierten die Forschenden die Eigenschaften des Mikro- und Monosandwich-Materials, das aus dem PET-Schaumkern und naturfaserverstärkten Deckschichten oder eigenverstärkten Deckschichten aus PET besteht. Durch gezielte Material- und Strukturoptimierungen entwickelten sie Lösungen zur Stabilisierung kritischer Bereiche, etwa durch lokale Verstärkungen oder variable Materialdichten.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Funktionalisierung der Bauteile. Hier nutzt das Team Verfahren wie das Spritzgießen, um zusätzliche Elemente wie Rippenstrukturen für die Stabilität anzubringen. Der geringe Druckwiderstand des PET-Schaumkerns stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Die Forschenden erprobten innovative Ansätze wie das Schaumspritzgießen oder spezielle Fügetechniken, um die Materialstruktur zu erhalten.
Darüber hinaus untersuchen die Forschenden, wie sich Heizsysteme und Isolierschichten direkt in die Bauteile integrieren lassen. Auch alternative Oberflächenmaterialien wie Textil oder Papier stehen im Fokus, um das Gewicht weiter zu reduzieren und den Einsatz nachwachsender Rohstoffe zu fördern. Schließlich testet das Team die entwickelten Prototypen und bewertet die gesamte Produktionskette hinsichtlich Umweltbilanz und Serienreife.
Zunächst analysierten die Forschenden die Eigenschaften des Mikro- und Monosandwich-Materials, das aus dem PET-Schaumkern und naturfaserverstärkten Deckschichten oder eigenverstärkten Deckschichten aus PET besteht. Durch gezielte Material- und Strukturoptimierungen entwickelten sie Lösungen zur Stabilisierung kritischer Bereiche, etwa durch lokale Verstärkungen oder variable Materialdichten.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Funktionalisierung der Bauteile. Hier nutzt das Team Verfahren wie das Spritzgießen, um zusätzliche Elemente wie Rippenstrukturen für die Stabilität anzubringen. Der geringe Druckwiderstand des PET-Schaumkerns stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Die Forschenden erprobten innovative Ansätze wie das Schaumspritzgießen oder spezielle Fügetechniken, um die Materialstruktur zu erhalten.
Darüber hinaus untersuchen die Forschenden, wie sich Heizsysteme und Isolierschichten direkt in die Bauteile integrieren lassen. Auch alternative Oberflächenmaterialien wie Textil oder Papier stehen im Fokus, um das Gewicht weiter zu reduzieren und den Einsatz nachwachsender Rohstoffe zu fördern. Schließlich testet das Team die entwickelten Prototypen und bewertet die gesamte Produktionskette hinsichtlich Umweltbilanz und Serienreife.
FunPul
Pultrusion für Faserverbunde: Multifunktionale Leichtbau-Strukturen herstellen
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
31.12.23
Anwendung:
Material:
Sonstige Verbundmaterialien, Metallfasern, Sonstige Fasern
Hintergrund
Die Anforderungen an Leichtbaustrukturen steigen: Sie sollen noch leichter werden, wirtschaftlicher herstellbar sein und zusätzliche Funktionen übernehmen. Faserverbundwerkstoffe sind hierfür ideal geeignet. Denn zum einen ermöglichen ihre mechanischen Eigenschaften viele Einsatzfelder. Zum anderen können zusätzliche Funktionen in diese Leichtbau-Elemente integriert werden. Wenige, leichte Bauteile können so viele technische Funktionen übernehmen. Derart komplexe und individuelle Strukturen lassen sich derzeit jedoch meist nicht wirtschaftlich in der Serienproduktion herstellen, sondern werden in aufwändiger Handarbeit produziert.
Die Anforderungen an Leichtbaustrukturen steigen: Sie sollen noch leichter werden, wirtschaftlicher herstellbar sein und zusätzliche Funktionen übernehmen. Faserverbundwerkstoffe sind hierfür ideal geeignet. Denn zum einen ermöglichen ihre mechanischen Eigenschaften viele Einsatzfelder. Zum anderen können zusätzliche Funktionen in diese Leichtbau-Elemente integriert werden. Wenige, leichte Bauteile können so viele technische Funktionen übernehmen. Derart komplexe und individuelle Strukturen lassen sich derzeit jedoch meist nicht wirtschaftlich in der Serienproduktion herstellen, sondern werden in aufwändiger Handarbeit produziert.
Ziel
Die Projektpartner entwickeln ein Verfahren, um multifunktionale Leichtbaustrukturen wirtschaftlich herstellen zu können – und dies branchenübergreifend. Dafür wollen sie die etablierte Technologie der Pultrusion für Faserverbunde nutzen. Pultrusion bedeutet Strangziehen. So lassen sich endlosfaserverstärkte Kunststoffe effizient und preiswert produzieren.
Die Pultrusion will das Projektteam nun so weiterentwickeln, dass sowohl zusätzliche Materialien als auch elektronische Bauteile in die Leichtbaustrukturen integriert werden können. Dabei verfolgen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei Ansätze: Zum einen erarbeiten sie ein mechanisch funktionalisiertes Leichtbauprofil für den Schienenfahrzeugbau. Das geringere Fahrzeuggewicht kann die Betriebs- und Lebenszykluskosten im Transportwesen deutlich reduzieren.
Zum anderen entwickeln sie sensorisch funktionalisierte Leichtbauelemente für die Rotorblätter von Windenergieanlagen. Aktuell werden diese Sensorbrücken manuell hergestellt, wobei die gestickten Dehnungssensoren in einem Handlaminat verarbeitet werden. Das Projektteam will die Herstellung nun mittels Pultrusion automatisieren und die Massentauglichkeit sicherstellen. Beide Technologien will das Projektteam anschließend miteinander verschmelzen und so die mechanische und die sensorische Funktionalisierung miteinander verbinden.
Die Projektpartner entwickeln ein Verfahren, um multifunktionale Leichtbaustrukturen wirtschaftlich herstellen zu können – und dies branchenübergreifend. Dafür wollen sie die etablierte Technologie der Pultrusion für Faserverbunde nutzen. Pultrusion bedeutet Strangziehen. So lassen sich endlosfaserverstärkte Kunststoffe effizient und preiswert produzieren.
Die Pultrusion will das Projektteam nun so weiterentwickeln, dass sowohl zusätzliche Materialien als auch elektronische Bauteile in die Leichtbaustrukturen integriert werden können. Dabei verfolgen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zwei Ansätze: Zum einen erarbeiten sie ein mechanisch funktionalisiertes Leichtbauprofil für den Schienenfahrzeugbau. Das geringere Fahrzeuggewicht kann die Betriebs- und Lebenszykluskosten im Transportwesen deutlich reduzieren.
Zum anderen entwickeln sie sensorisch funktionalisierte Leichtbauelemente für die Rotorblätter von Windenergieanlagen. Aktuell werden diese Sensorbrücken manuell hergestellt, wobei die gestickten Dehnungssensoren in einem Handlaminat verarbeitet werden. Das Projektteam will die Herstellung nun mittels Pultrusion automatisieren und die Massentauglichkeit sicherstellen. Beide Technologien will das Projektteam anschließend miteinander verschmelzen und so die mechanische und die sensorische Funktionalisierung miteinander verbinden.
Vorgehen
Das Team integriert Metalleinleger in die Faser-Kunststoff-Verbunde und stellt einen hybriden Schichtverbund her. Die Einleger fungieren als Krafteinleitungs- oder Verbindungsstellen und erzeugen eine zusätzliche Funktionalisierung. Die Bauteile sollen bei gleichbleibender Wirtschaftlichkeit die stranggepressten Aluminiumprofile im Aufbau eines Schienenfahrzeuges ersetzen und den Leichtbaugrad erheblich steigern. Die Forschenden konnten nach der Prozessoptimierung erfolgreich mehrere Demonstratoren herstellen. Im Vergleich zu einem Aluminiumlängsträger konnten sie rund 40 Prozent Gewicht einsparen.
In einem zweiten Ansatz integrieren die Forschenden Dehnungssensoren in den Pultrusionsprozess. So wollen sie funktionalisierte Sensorbrücken für Rotorblätter von Windenergieanlagen herstellen. Die Sensoren erkennen Überlasten und Schädigungen frühzeitig und haben eine höhere Lebensdauer. Dadurch können die Wartungsintervalle und die Nutzungszeit der Anlagen verlängert werden. Diese Entwicklung hat das Team erfolgreich abgeschlossen und die serielle Fertigung erreicht.
Für die Verknüpfung beider Ansätze stellen die Projektpartner multifunktionale Profile für den Schienenfahrzeugbau her, indem sie mechanische und sensorische Funktionselemente in den Fertigungsprozess einbinden. Dies würde den Leichtbaugrad weiter steigern und die Bauteile könnten über ihre gesamte Lebensdauer hin auf ihren Zustand hin überwacht werden, was die Wirtschaftlichkeit weiter steigern würde.
Das Team integriert Metalleinleger in die Faser-Kunststoff-Verbunde und stellt einen hybriden Schichtverbund her. Die Einleger fungieren als Krafteinleitungs- oder Verbindungsstellen und erzeugen eine zusätzliche Funktionalisierung. Die Bauteile sollen bei gleichbleibender Wirtschaftlichkeit die stranggepressten Aluminiumprofile im Aufbau eines Schienenfahrzeuges ersetzen und den Leichtbaugrad erheblich steigern. Die Forschenden konnten nach der Prozessoptimierung erfolgreich mehrere Demonstratoren herstellen. Im Vergleich zu einem Aluminiumlängsträger konnten sie rund 40 Prozent Gewicht einsparen.
In einem zweiten Ansatz integrieren die Forschenden Dehnungssensoren in den Pultrusionsprozess. So wollen sie funktionalisierte Sensorbrücken für Rotorblätter von Windenergieanlagen herstellen. Die Sensoren erkennen Überlasten und Schädigungen frühzeitig und haben eine höhere Lebensdauer. Dadurch können die Wartungsintervalle und die Nutzungszeit der Anlagen verlängert werden. Diese Entwicklung hat das Team erfolgreich abgeschlossen und die serielle Fertigung erreicht.
Für die Verknüpfung beider Ansätze stellen die Projektpartner multifunktionale Profile für den Schienenfahrzeugbau her, indem sie mechanische und sensorische Funktionselemente in den Fertigungsprozess einbinden. Dies würde den Leichtbaugrad weiter steigern und die Bauteile könnten über ihre gesamte Lebensdauer hin auf ihren Zustand hin überwacht werden, was die Wirtschaftlichkeit weiter steigern würde.
FVKCycle
Glasfasern sortenrein und ohne Qualitätsverlust recyceln: mit Debonding on Demand
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Basaltfasern, Glasfasern, Metallfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Faserverbundkunststoffe (FVK) sind Schlüsselmaterialien für den Leichtbau – etwa in den Mobilitätssektoren, der Luft- und Raumfahrt, dem Bausektor oder der Energiebranche. Besonders glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) haben derzeit einen großen Marktanteil. Doch während die Vorteile der Verbund-werkstoffe im Betrieb überzeugen, stellt das Lebensende dieser Materialien eine Herausforderung dar: Bis heute existiert keine nachhaltige Recyclingstrategie, die eine sortenreine Trennung der einzelnen Komponenten und damit einen zirkulären Stoffkreislauf ermöglicht.
Seit 2005 dürfen FVK nicht mehr deponiert werden. Stattdessen werden die Bauteile zerkleinert und als minderwertige Füllstoffe genutzt. Wertvolle Rohstoffe wie Glasfasern gehen dabei verloren, denn bestehende Trennverfahren wie die Pyrolyse arbeiten mit hohen Temperaturen – was die mechanischen Eigenschaften der Glasfasern massiv schädigt. Neben den technischen Herausforderungen ist ein industrieller Recyclingprozess nach heutigem Stand der Technik auch wirtschaftlich nicht attraktiv – vor allem aufgrund der niedrigen Rohstoffpreise für Glasfasern. Der Bedarf an einer energie- und kosteneffizienten sowie werterhaltenden Recyclinglösung für GFK ist deshalb groß - nicht nur aus ökologischer, sondern auch aus ökonomischer Perspektive. Genau hier setzt das Team im Projekt FVKCycle an.
Faserverbundkunststoffe (FVK) sind Schlüsselmaterialien für den Leichtbau – etwa in den Mobilitätssektoren, der Luft- und Raumfahrt, dem Bausektor oder der Energiebranche. Besonders glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) haben derzeit einen großen Marktanteil. Doch während die Vorteile der Verbund-werkstoffe im Betrieb überzeugen, stellt das Lebensende dieser Materialien eine Herausforderung dar: Bis heute existiert keine nachhaltige Recyclingstrategie, die eine sortenreine Trennung der einzelnen Komponenten und damit einen zirkulären Stoffkreislauf ermöglicht.
Seit 2005 dürfen FVK nicht mehr deponiert werden. Stattdessen werden die Bauteile zerkleinert und als minderwertige Füllstoffe genutzt. Wertvolle Rohstoffe wie Glasfasern gehen dabei verloren, denn bestehende Trennverfahren wie die Pyrolyse arbeiten mit hohen Temperaturen – was die mechanischen Eigenschaften der Glasfasern massiv schädigt. Neben den technischen Herausforderungen ist ein industrieller Recyclingprozess nach heutigem Stand der Technik auch wirtschaftlich nicht attraktiv – vor allem aufgrund der niedrigen Rohstoffpreise für Glasfasern. Der Bedarf an einer energie- und kosteneffizienten sowie werterhaltenden Recyclinglösung für GFK ist deshalb groß - nicht nur aus ökologischer, sondern auch aus ökonomischer Perspektive. Genau hier setzt das Team im Projekt FVKCycle an.
Ziel
Die Beteiligten wollen eine Recycling-Technologie zur sortenreinen Rückgewinnung von Glasfasern aus GFK entwickeln. Das Verfahren soll wirtschaftlich und energieeffizient sein und die Glasfaserrückgewinnung ohne Qualitätsverlust ermöglichen. Im Mittelpunkt stehen die Prinzipien Recyclability by Design und Debonding on Demand. Bereits während des GFK-Herstellungsprozesses soll durch die Materialauswahl und das Einbringen von thermoresponsiven Substanzen das gezielte und kontrollierbare Lösen der Werkstoffverbindungen ermöglicht werden.
Die thermoaktivierbaren Substanzen sollen bei moderaten Temperaturen von ca. 150 Grad Celsius aktiviert werden und dabei Mikrorisse im Kunststoff erzeugen. So wird die Polymermatrix lokal geschwächt, ohne die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu beeinträchtigen. Der Vorteil: Die Qualität der Glasfasern bleibt unverändert und die Glasfasern können nach Abtrennung vom Kunststoffbruch wieder in neuen GFK-Bauteilen verwendet werden. Zusätzlich kann der Kunststoffbruch weiterhin genutzt werden, etwa als Füllstoff. Das Projektteam will so eine ganzheitliche Lösung schaffen und zeigen, dass Recycling im GFK-Bereich möglich und marktfähig ist.
Die Beteiligten wollen eine Recycling-Technologie zur sortenreinen Rückgewinnung von Glasfasern aus GFK entwickeln. Das Verfahren soll wirtschaftlich und energieeffizient sein und die Glasfaserrückgewinnung ohne Qualitätsverlust ermöglichen. Im Mittelpunkt stehen die Prinzipien Recyclability by Design und Debonding on Demand. Bereits während des GFK-Herstellungsprozesses soll durch die Materialauswahl und das Einbringen von thermoresponsiven Substanzen das gezielte und kontrollierbare Lösen der Werkstoffverbindungen ermöglicht werden.
Die thermoaktivierbaren Substanzen sollen bei moderaten Temperaturen von ca. 150 Grad Celsius aktiviert werden und dabei Mikrorisse im Kunststoff erzeugen. So wird die Polymermatrix lokal geschwächt, ohne die mechanischen Eigenschaften der Fasern zu beeinträchtigen. Der Vorteil: Die Qualität der Glasfasern bleibt unverändert und die Glasfasern können nach Abtrennung vom Kunststoffbruch wieder in neuen GFK-Bauteilen verwendet werden. Zusätzlich kann der Kunststoffbruch weiterhin genutzt werden, etwa als Füllstoff. Das Projektteam will so eine ganzheitliche Lösung schaffen und zeigen, dass Recycling im GFK-Bereich möglich und marktfähig ist.
Vorgehen
Die Beteiligten verfolgen einen neuartigen Ansatz und kombinieren Technologien aus der Spezialchemikalienherstellung, der Glasfaserproduktion, Beschichtungssystemen und Textiltechnik. Sie entwickeln thermoresponsive Substanzen, die sowohl in die Kunststoffmatrix als auch in die Schlichte – die Haftvermittlerschicht auf der Glasfaser - eingebracht werden. Dazu entwickelt das Team unterschiedliche Verkapselungsstrategien für die thermoresponsiven Substanzen, die auf die jeweilige Einsatzumgebung - wässrige Schlichte oder lösungsmittelfreie Polymermatrix - abgestimmt sind.
Durch moderates Erwärmen kommt es zu Adhäsionsbrüchen an der Faser-Polymer-Grenzfläche und zu Kohäsionsbrüchen in der Polymermatrix. Dadurch wird das Material an den entscheidenden Stellen geschwächt und die Glasfasern lassen ohne Qualitätsverlust mechanisch vom Kunststoff trennen. Das im Labormaßstab entwickelte Verfahren testen die Forschenden abschließend unter realitätsnahen Bedingungen, um dessen Praxistauglichkeit zu verifizieren.
Die Beteiligten verfolgen einen neuartigen Ansatz und kombinieren Technologien aus der Spezialchemikalienherstellung, der Glasfaserproduktion, Beschichtungssystemen und Textiltechnik. Sie entwickeln thermoresponsive Substanzen, die sowohl in die Kunststoffmatrix als auch in die Schlichte – die Haftvermittlerschicht auf der Glasfaser - eingebracht werden. Dazu entwickelt das Team unterschiedliche Verkapselungsstrategien für die thermoresponsiven Substanzen, die auf die jeweilige Einsatzumgebung - wässrige Schlichte oder lösungsmittelfreie Polymermatrix - abgestimmt sind.
Durch moderates Erwärmen kommt es zu Adhäsionsbrüchen an der Faser-Polymer-Grenzfläche und zu Kohäsionsbrüchen in der Polymermatrix. Dadurch wird das Material an den entscheidenden Stellen geschwächt und die Glasfasern lassen ohne Qualitätsverlust mechanisch vom Kunststoff trennen. Das im Labormaßstab entwickelte Verfahren testen die Forschenden abschließend unter realitätsnahen Bedingungen, um dessen Praxistauglichkeit zu verifizieren.
GABRIELA
Kunststoffe wiederaufbereiten und reinigen: für kreislauffähige Batteriegehäuse
Förderlaufzeit:
Start
01.07.22
Ende
30.06.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Mit dem „Green Deal“ strebt Europa an, bis 2050 klimaneutral zu werden. Ein entscheidender Baustein hierfür ist das Recycling von Kunststoffen, insbesondere die Nutzung von wiederaufbereiteten Kunststoffabfällen, sogenannten Rezyklaten.
Auch für einen ressourceneffizienten Leichtbau spielen Rezyklate eine wichtige Rolle: Je mehr wiederaufbereitete Kunststoffe in Leichtbauteilen verwendet werden, desto mehr Primärrohstoffe – und damit CO₂ – können eingespart werden.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass das herkömmliche mechanische Recycling die den Materialverbund nicht hinreichend auflösen kann. Es ist unklar, ob das Schreddergut direkt als Rezyklat geeignet ist oder ob der Materialverbund vollständig aufgelöst werden muss.
Mit dem „Green Deal“ strebt Europa an, bis 2050 klimaneutral zu werden. Ein entscheidender Baustein hierfür ist das Recycling von Kunststoffen, insbesondere die Nutzung von wiederaufbereiteten Kunststoffabfällen, sogenannten Rezyklaten.
Auch für einen ressourceneffizienten Leichtbau spielen Rezyklate eine wichtige Rolle: Je mehr wiederaufbereitete Kunststoffe in Leichtbauteilen verwendet werden, desto mehr Primärrohstoffe – und damit CO₂ – können eingespart werden.
Ein Problem besteht jedoch darin, dass das herkömmliche mechanische Recycling die den Materialverbund nicht hinreichend auflösen kann. Es ist unklar, ob das Schreddergut direkt als Rezyklat geeignet ist oder ob der Materialverbund vollständig aufgelöst werden muss.
Ziel
Die Forschenden untersuchen anhand eines Hochvolt-Batteriegehäuses, wie kreislauffähige Batteriegehäuse hergestellt werden können. Diese Gehäuse sind entscheidend für den Schutz der empfindlichen Fahrzeugbatterien und müssen daher hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, etwa bei Seitenaufprallen und im Unterfahrschutz.
Sie gehören zur tragenden Struktur des Fahrzeugs und müssen eine Flächenlast von bis zu 500 kg durch die Batteriemodule tragen. Zudem integrieren sie komplexe Funktionen wie die Kühlung der Batterie.
Die Forschenden untersuchen anhand eines Hochvolt-Batteriegehäuses, wie kreislauffähige Batteriegehäuse hergestellt werden können. Diese Gehäuse sind entscheidend für den Schutz der empfindlichen Fahrzeugbatterien und müssen daher hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, etwa bei Seitenaufprallen und im Unterfahrschutz.
Sie gehören zur tragenden Struktur des Fahrzeugs und müssen eine Flächenlast von bis zu 500 kg durch die Batteriemodule tragen. Zudem integrieren sie komplexe Funktionen wie die Kühlung der Batterie.
Vorgehen
Das Projektteam untersucht Wege, um Batteriegehäuse recycling- und kreislauffähig zu gestalten. Dabei setzen die Forschenden auf die neue adaptive Recyclingtechnologie CreaSolv®, bei der Kunststoffe mithilfe von Lösemitteln wiederaufbereitet und gereinigt werden. Diese Technologie ermöglicht bereits das Recycling von thermoplastischen Kunststofffolien.
Nun arbeitet das Team daran, diese Methode auf das Recycling von konstruktiven Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise, also technischen Kunststoffen, zu übertragen. Die Forschenden analysieren den gesamten Lebenszyklus eines faserverstärkten Kunststoff-Batteriegehäuses über alle Wertschöpfungsstufen hinweg.
Sie untersuchen die Herstellung und Verarbeitung des Materials, dessen Alterung im Einsatz und die Möglichkeiten der Wiederaufbereitung, um es schließlich erneut im gleichen Bauteil einsetzen zu können. Mit dem entwickelten Prototyp will das Forschungsteam demonstrieren, dass auch bei anspruchsvollen Bauteilen für die Elektromobilität der treibhausgasintensive Primärkunststoff durch Rezyklat ersetzt werden kann.
Das Projektteam untersucht Wege, um Batteriegehäuse recycling- und kreislauffähig zu gestalten. Dabei setzen die Forschenden auf die neue adaptive Recyclingtechnologie CreaSolv®, bei der Kunststoffe mithilfe von Lösemitteln wiederaufbereitet und gereinigt werden. Diese Technologie ermöglicht bereits das Recycling von thermoplastischen Kunststofffolien.
Nun arbeitet das Team daran, diese Methode auf das Recycling von konstruktiven Leichtbaustrukturen in Faserverbundbauweise, also technischen Kunststoffen, zu übertragen. Die Forschenden analysieren den gesamten Lebenszyklus eines faserverstärkten Kunststoff-Batteriegehäuses über alle Wertschöpfungsstufen hinweg.
Sie untersuchen die Herstellung und Verarbeitung des Materials, dessen Alterung im Einsatz und die Möglichkeiten der Wiederaufbereitung, um es schließlich erneut im gleichen Bauteil einsetzen zu können. Mit dem entwickelten Prototyp will das Forschungsteam demonstrieren, dass auch bei anspruchsvollen Bauteilen für die Elektromobilität der treibhausgasintensive Primärkunststoff durch Rezyklat ersetzt werden kann.
GEOFOPAS
Zement ersetzen: Recyclingfähige Fassaden aus Geopolymeren
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
31.03.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Geopolymere)
Hintergrund
Fassadenelemente bestimmen maßgeblich die Energie- und Klimabilanz von Gebäuden. Sie schützen vor Witterung, regulieren den Wärmeeintrag und beeinflussen den Materialverbrauch bei Neubau und Sanierung. Aktuelle Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) stoßen jedoch an Grenzen: Sie bestehen häufig aus Polystyrol, sind schwer recycelbar und im Rückbau aufwendig. Gleichzeitig wächst der Gebäudesanierungsbedarf – und damit der Materialeinsatz.
Konventionelle Baustoffe wie Beton oder Zement verursachen hohe CO₂-Emissionen, besonders bei der Herstellung. Leichte, leistungsfähige und recyclingfreundliche Fassadensysteme für den breiten industriellen Einsatz sind also gefragt. Hier setzt das Forschungsprojekt GEOPOFAS an.
Fassadenelemente bestimmen maßgeblich die Energie- und Klimabilanz von Gebäuden. Sie schützen vor Witterung, regulieren den Wärmeeintrag und beeinflussen den Materialverbrauch bei Neubau und Sanierung. Aktuelle Wärmedämmverbundsysteme (WDVS) stoßen jedoch an Grenzen: Sie bestehen häufig aus Polystyrol, sind schwer recycelbar und im Rückbau aufwendig. Gleichzeitig wächst der Gebäudesanierungsbedarf – und damit der Materialeinsatz.
Konventionelle Baustoffe wie Beton oder Zement verursachen hohe CO₂-Emissionen, besonders bei der Herstellung. Leichte, leistungsfähige und recyclingfreundliche Fassadensysteme für den breiten industriellen Einsatz sind also gefragt. Hier setzt das Forschungsprojekt GEOPOFAS an.
Ziel
Die Projektpartner wollen einen neuen Werkstoff für leichte, klimafreundliche Fassadensysteme entwickeln. Hierfür untersuchen sie porosierte Geopolymere, also zementfreie, mineralische Bindemittel, die sich aus industriellen Reststoffen herstellen lassen. Geopolymere benötigen keinen Brennprozess wie Zement, sodass Unternehmen sie deutlich emissionsärmer herstellen können. Das Projektteam fertigt aus diesen Materialien Fassadenplatten, die mechanisch stabil, nicht brennbar und einfach zu montieren sind. Die Elemente sollen ohne schwere Geräte angebracht und im Rückbau sortenrein getrennt werden können.
Die Forschenden reagieren damit auf mehrere Herausforderungen zugleich: den hohen Sanierungsbedarf im Gebäudebestand, die Klimaziele im Bausektor sowie die Notwendigkeit, Baustoffkreisläufe zu schließen.
Die Projektpartner wollen einen neuen Werkstoff für leichte, klimafreundliche Fassadensysteme entwickeln. Hierfür untersuchen sie porosierte Geopolymere, also zementfreie, mineralische Bindemittel, die sich aus industriellen Reststoffen herstellen lassen. Geopolymere benötigen keinen Brennprozess wie Zement, sodass Unternehmen sie deutlich emissionsärmer herstellen können. Das Projektteam fertigt aus diesen Materialien Fassadenplatten, die mechanisch stabil, nicht brennbar und einfach zu montieren sind. Die Elemente sollen ohne schwere Geräte angebracht und im Rückbau sortenrein getrennt werden können.
Die Forschenden reagieren damit auf mehrere Herausforderungen zugleich: den hohen Sanierungsbedarf im Gebäudebestand, die Klimaziele im Bausektor sowie die Notwendigkeit, Baustoffkreisläufe zu schließen.
Vorgehen
Zunächst wählen die Projektpartner geeignete Rohstoffe aus, darunter mineralische Abfallstoffe wie Altbeton. Sie bereiten diese mechanisch auf, sieben feine Fraktionen aus und kombinieren sie mit chemisch aktivierten Bindern. In einem Unterdruckmischer stellen die Forschenden porosierte Granulate her, deren Dichte und Struktur sie gezielt steuern. Die Forschenden formen aus den Granulaten Fassadenplatten, die sie mit textilen 3D-Gewirken verstärken, damit sie mechanisch belastbar sind.
In Kombination mit Dämmstoffen entwirft das Team so Fassadenelemente, die sich für Neu- und Bestandsbauten eignen. Die Forschenden prüfen deren thermische, bauphysikalische und recyclingrelevante Eigenschaften im Labor und analysieren den gesamten Lebenszyklus. So dokumentieren sie, in welchem Umfang das neue System Emissionen und Ressourcen spart – und wie es sich in bestehende Bauprozesse integrieren lässt.
Zunächst wählen die Projektpartner geeignete Rohstoffe aus, darunter mineralische Abfallstoffe wie Altbeton. Sie bereiten diese mechanisch auf, sieben feine Fraktionen aus und kombinieren sie mit chemisch aktivierten Bindern. In einem Unterdruckmischer stellen die Forschenden porosierte Granulate her, deren Dichte und Struktur sie gezielt steuern. Die Forschenden formen aus den Granulaten Fassadenplatten, die sie mit textilen 3D-Gewirken verstärken, damit sie mechanisch belastbar sind.
In Kombination mit Dämmstoffen entwirft das Team so Fassadenelemente, die sich für Neu- und Bestandsbauten eignen. Die Forschenden prüfen deren thermische, bauphysikalische und recyclingrelevante Eigenschaften im Labor und analysieren den gesamten Lebenszyklus. So dokumentieren sie, in welchem Umfang das neue System Emissionen und Ressourcen spart – und wie es sich in bestehende Bauprozesse integrieren lässt.
GePart
Partikelschäume nachhaltiger machen: Energieeffizient verarbeiten, Recycling ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.12.20
Ende
31.05.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Thermoplaste, Aluminium, Geschlossenporig, Offenporig
Hintergrund
Partikelschäume wie expandiertes Polypropylen (EPP) sind Schlüsselwerkstoffe für den Leichtbau. Besonders in der Automobilindustrie helfen sie, Fahrzeuggewicht zu reduzieren und dadurch Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen zu senken. Doch die klassische Produktion mit Heißwasserdampf ist sehr energieintensiv. Nur etwa ein Prozent der Energie wird für das Verschweißen der Partikel genutzt, der Rest geht ungenutzt verloren.
Gleichzeitig wird das Recycling von EPP-Material noch nicht ausreichend umgesetzt. Nach seiner Nutzungsdauer wird das Material meist thermisch verwertet. Eine echte Kreislaufwirtschaft ist bislang nicht möglich, da die Aufbereitung von recyceltem Material die Qualität beeinträchtigt. Hier setzt das Forschungsprojekt GePart an: Das Team will die Verarbeitung verbessern und den Materialkreislauf von EPP nachhaltig schließen.
Partikelschäume wie expandiertes Polypropylen (EPP) sind Schlüsselwerkstoffe für den Leichtbau. Besonders in der Automobilindustrie helfen sie, Fahrzeuggewicht zu reduzieren und dadurch Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen zu senken. Doch die klassische Produktion mit Heißwasserdampf ist sehr energieintensiv. Nur etwa ein Prozent der Energie wird für das Verschweißen der Partikel genutzt, der Rest geht ungenutzt verloren.
Gleichzeitig wird das Recycling von EPP-Material noch nicht ausreichend umgesetzt. Nach seiner Nutzungsdauer wird das Material meist thermisch verwertet. Eine echte Kreislaufwirtschaft ist bislang nicht möglich, da die Aufbereitung von recyceltem Material die Qualität beeinträchtigt. Hier setzt das Forschungsprojekt GePart an: Das Team will die Verarbeitung verbessern und den Materialkreislauf von EPP nachhaltig schließen.
Ziel
Das Projektteam von GePart verfolgt zwei zentrale Ziele: die Entwicklung einer energieeffizienten Verarbeitungstechnologie und die Erhöhung des Recyclinganteils. Mithilfe der Radio-Frequenz (RF)-Technologie wollen die Forschenden EPP künftig ohne Wasserdampf verschweißen. Das spart bis zu 90 Prozent Energie, da die Wärme direkt im Inneren der Schaumperlen erzeugt wird. Gleichzeitig wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Anteil an recyceltem EPP-Material auf 50 bis 70 Prozent steigern. Dafür entwickelt das Projektteam die Recyclingprozesse weiter und analysiert präzise die Materialeigenschaften. Ziel ist es, die Qualität von recyceltem EPP so zu optimieren, dass es die Anforderungen in der Serienproduktion erfüllt.
Das Projektteam von GePart verfolgt zwei zentrale Ziele: die Entwicklung einer energieeffizienten Verarbeitungstechnologie und die Erhöhung des Recyclinganteils. Mithilfe der Radio-Frequenz (RF)-Technologie wollen die Forschenden EPP künftig ohne Wasserdampf verschweißen. Das spart bis zu 90 Prozent Energie, da die Wärme direkt im Inneren der Schaumperlen erzeugt wird. Gleichzeitig wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Anteil an recyceltem EPP-Material auf 50 bis 70 Prozent steigern. Dafür entwickelt das Projektteam die Recyclingprozesse weiter und analysiert präzise die Materialeigenschaften. Ziel ist es, die Qualität von recyceltem EPP so zu optimieren, dass es die Anforderungen in der Serienproduktion erfüllt.
Vorgehen
Um die RF-Technologie für EPP zu industrialisieren, entwickeln die Forschenden den Prozess auf Laborebene weiter. Dabei können sie die Vorteile der RF-Technik gegenüber der dampfbasierten Verarbeitung bestätigen: eine gleichmäßige Erwärmung, minimaler Energieverlust und der Einsatz kostengünstiger Kunststoffwerkzeuge. Parallel dazu entwickelt das Team neue Recyclingstrategien, um EPP-Material nach seiner Nutzungsphase hochwertig aufzubereiten.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler analysieren das Degradationsverhalten des Materials entlang des Kreislaufs und optimieren die Prozesse zur Entfernung von Verunreinigungen. In umfassenden Tests zeigt sich, dass ein Rezyklatanteil von bis zu 70 Prozent realistisch ist, ohne die Qualität der Bauteile zu beeinträchtigen. Eine begleitende Ökobilanz belegt die Erfolge: 15 Prozent Energieeinsparung bei der Produktion und 25 Prozent weniger CO₂-Emissionen durch den Einsatz von recyceltem Material.
Um die RF-Technologie für EPP zu industrialisieren, entwickeln die Forschenden den Prozess auf Laborebene weiter. Dabei können sie die Vorteile der RF-Technik gegenüber der dampfbasierten Verarbeitung bestätigen: eine gleichmäßige Erwärmung, minimaler Energieverlust und der Einsatz kostengünstiger Kunststoffwerkzeuge. Parallel dazu entwickelt das Team neue Recyclingstrategien, um EPP-Material nach seiner Nutzungsphase hochwertig aufzubereiten.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler analysieren das Degradationsverhalten des Materials entlang des Kreislaufs und optimieren die Prozesse zur Entfernung von Verunreinigungen. In umfassenden Tests zeigt sich, dass ein Rezyklatanteil von bis zu 70 Prozent realistisch ist, ohne die Qualität der Bauteile zu beeinträchtigen. Eine begleitende Ökobilanz belegt die Erfolge: 15 Prozent Energieeinsparung bei der Produktion und 25 Prozent weniger CO₂-Emissionen durch den Einsatz von recyceltem Material.
Green-AL-Light
Aluminium-Schrott in Autos wiederverwenden: Recycling und Materialsortierung im Fokus
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Nachhaltige Leichtbauwerkstoffe sind entscheidend, um die Umweltbelastungen durch Mobilität zu reduzieren und die Ressourceneffizienz in der Branche zu steigern. Vor allem in stark beanspruchten Bauteilen wie Achskomponenten, Rädern, Karosseriestrukturen oder Hochvoltbatteriegehäusen verbauen die Hersteller zunehmend Aluminium, da es deutlich leichter ist als etwa Stahl und somit die CO₂-Emissionen während der Nutzungsphase deutlich reduzieren kann. Die Aluminium-Herstellung ist jedoch nicht nur teuer, sondern setzt auch sehr viel CO₂ frei.
Eine nachhaltige Möglichkeit ist das Recycling von Aluminium. Der Einsatz von Sekundäraluminium ist nicht nur nachhaltig, er rechnet sich auch für die Unternehmen. Indem die Forschenden die digitalisierte Prozesskette analysieren und optimieren, steigern sie die Kosteneffizienz, etwa durch Anpassungen der Legierungszusammensetzung oder der Umformprozesse. So können Leichtbau-Komponenten auf Basis von Sekundäraluminium in die breite industrielle Anwendung gebracht werden, etwa bei Mittelklassefahrzeugen oder in Flugzeugen.
Nachhaltige Leichtbauwerkstoffe sind entscheidend, um die Umweltbelastungen durch Mobilität zu reduzieren und die Ressourceneffizienz in der Branche zu steigern. Vor allem in stark beanspruchten Bauteilen wie Achskomponenten, Rädern, Karosseriestrukturen oder Hochvoltbatteriegehäusen verbauen die Hersteller zunehmend Aluminium, da es deutlich leichter ist als etwa Stahl und somit die CO₂-Emissionen während der Nutzungsphase deutlich reduzieren kann. Die Aluminium-Herstellung ist jedoch nicht nur teuer, sondern setzt auch sehr viel CO₂ frei.
Eine nachhaltige Möglichkeit ist das Recycling von Aluminium. Der Einsatz von Sekundäraluminium ist nicht nur nachhaltig, er rechnet sich auch für die Unternehmen. Indem die Forschenden die digitalisierte Prozesskette analysieren und optimieren, steigern sie die Kosteneffizienz, etwa durch Anpassungen der Legierungszusammensetzung oder der Umformprozesse. So können Leichtbau-Komponenten auf Basis von Sekundäraluminium in die breite industrielle Anwendung gebracht werden, etwa bei Mittelklassefahrzeugen oder in Flugzeugen.
Ziel
Im Forschungsprojekt Green-AL-Light untersucht ein breit aufgestelltes Konsortium, wie Aluminium aus Auto-Schrott recycelt und wiederverwendet werden kann. Hierfür betrachten die Projektpartner die gesamte Prozesskette, beginnend mit dem Recyceln der Autos und der Materialsortierung der sogenannten End-of-Life (EoL)-Schrotte. Anschließend folgen die Entwicklung und Erprobung neuer Sekundär-Knetlegierungen, das Gießen der Legierungen mit möglichst hohem Sekundäraluminiumanteil, die Verarbeitung zum Bauteil durch Strangpressen und / oder Schmieden und die Erprobung für die Anwendung im Automobil. Damit die ganzheitliche Analyse gelingt, bauen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die einzelnen Schritte standortübergreifend und digital vernetzt auf. Dabei decken sie alle Stufen der Prozesskette ab. Das interdisziplinäre Team will so zeigen, dass EoL-Material auch für hochbelastete Aluminiumbauteile einsetzbar und kosteneffizient nutzbar ist.
Im Forschungsprojekt Green-AL-Light untersucht ein breit aufgestelltes Konsortium, wie Aluminium aus Auto-Schrott recycelt und wiederverwendet werden kann. Hierfür betrachten die Projektpartner die gesamte Prozesskette, beginnend mit dem Recyceln der Autos und der Materialsortierung der sogenannten End-of-Life (EoL)-Schrotte. Anschließend folgen die Entwicklung und Erprobung neuer Sekundär-Knetlegierungen, das Gießen der Legierungen mit möglichst hohem Sekundäraluminiumanteil, die Verarbeitung zum Bauteil durch Strangpressen und / oder Schmieden und die Erprobung für die Anwendung im Automobil. Damit die ganzheitliche Analyse gelingt, bauen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die einzelnen Schritte standortübergreifend und digital vernetzt auf. Dabei decken sie alle Stufen der Prozesskette ab. Das interdisziplinäre Team will so zeigen, dass EoL-Material auch für hochbelastete Aluminiumbauteile einsetzbar und kosteneffizient nutzbar ist.
Vorgehen
Damit das Sekundäraluminium wiederverwendet werden kann, müssen die EoL-Schrotte zuverlässig nach Sorten und Legierungen getrennt werden. Hierfür entwickelt das Projektteam die Sortiertechnologie unter Verwendung des sogenannten Laser-Induced-Brakedown-Spectroscopy-Verfahrens (LIBS) weiter. Dabei erforschen die Projektpartner unter anderem, ob, und wenn ja, in welcher Menge bisher unerwünschte Begleitelemente im recycelten Material enthalten sind. So können sie anschließend die Zusammensetzung der Legierung anpassen und optimieren.
Indem EoL-Schrotte in hochwertigen Aluminiumlegierungen wiederverwendet werden, wird der Materialkreislauf geschlossen. Das schont Ressourcen und verringert den Ausstoß von CO₂. Am Beispiel eines Aluminiumschmiede-Rads von Audi rechnen die Projektpartner mit einem Einsparpotential von mindestens der Hälfte an CO₂ gegenüber einem Rad aus Primäraluminium. Hinzu kommt, dass beim erhöhten Einsatz von Sekundäraluminium weniger problematisch zu entsorgende Abfälle wie Rotschlamm anfallen.
Damit das Sekundäraluminium wiederverwendet werden kann, müssen die EoL-Schrotte zuverlässig nach Sorten und Legierungen getrennt werden. Hierfür entwickelt das Projektteam die Sortiertechnologie unter Verwendung des sogenannten Laser-Induced-Brakedown-Spectroscopy-Verfahrens (LIBS) weiter. Dabei erforschen die Projektpartner unter anderem, ob, und wenn ja, in welcher Menge bisher unerwünschte Begleitelemente im recycelten Material enthalten sind. So können sie anschließend die Zusammensetzung der Legierung anpassen und optimieren.
Indem EoL-Schrotte in hochwertigen Aluminiumlegierungen wiederverwendet werden, wird der Materialkreislauf geschlossen. Das schont Ressourcen und verringert den Ausstoß von CO₂. Am Beispiel eines Aluminiumschmiede-Rads von Audi rechnen die Projektpartner mit einem Einsparpotential von mindestens der Hälfte an CO₂ gegenüber einem Rad aus Primäraluminium. Hinzu kommt, dass beim erhöhten Einsatz von Sekundäraluminium weniger problematisch zu entsorgende Abfälle wie Rotschlamm anfallen.
GUmProDig
Kaltmassivumformung ressourceneffizienter gestalten: digitale prozessbegleitende Prüfung
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Magnesium, Stahl, Titan
Hintergrund
Ein großer Teil der CO₂-Emissionen wird in der industriellen Produktion verursacht. Optimierte Produktionsprozesse – etwa im Automobil- oder Maschinenbau – bieten daher großes Potenzial für Emissionseinsparungen.
Die Umformtechnik, bei der Rohteile gezielt in eine andere Form gebracht werden ohne dabei Material zu entfernen, bietet große Vorteile gegenüber konventionellen Produktionsverfahren, wie der Zerspanung, bei der Material vom Rohteil abgetragen wird. Neben deutlich geringeren CO₂-Emissionen, verfügen Umformteile auch über sehr gute mechanische Eigenschaften, was sie widerstandsfähiger gegen Belastungen macht und so kleinere Bauformen ermöglicht. Bisher erfordert die Herstellung von Umformteilen mit engen Toleranzen speziell auf die Bauteile oder Prozesse zugeschnittene Lösungen. Um solche Umformprozesse ohne Sonderlösungen in die breite industrielle Anwendung zu bringen, werden daher allgemein einsetzbare Prüfverfahren benötigt, die auch bei sehr hohen Produktionstakten die benötigte Qualität garantieren. Hier setzt das Forschungsprojekt GUmProDig an.
Ein großer Teil der CO₂-Emissionen wird in der industriellen Produktion verursacht. Optimierte Produktionsprozesse – etwa im Automobil- oder Maschinenbau – bieten daher großes Potenzial für Emissionseinsparungen.
Die Umformtechnik, bei der Rohteile gezielt in eine andere Form gebracht werden ohne dabei Material zu entfernen, bietet große Vorteile gegenüber konventionellen Produktionsverfahren, wie der Zerspanung, bei der Material vom Rohteil abgetragen wird. Neben deutlich geringeren CO₂-Emissionen, verfügen Umformteile auch über sehr gute mechanische Eigenschaften, was sie widerstandsfähiger gegen Belastungen macht und so kleinere Bauformen ermöglicht. Bisher erfordert die Herstellung von Umformteilen mit engen Toleranzen speziell auf die Bauteile oder Prozesse zugeschnittene Lösungen. Um solche Umformprozesse ohne Sonderlösungen in die breite industrielle Anwendung zu bringen, werden daher allgemein einsetzbare Prüfverfahren benötigt, die auch bei sehr hohen Produktionstakten die benötigte Qualität garantieren. Hier setzt das Forschungsprojekt GUmProDig an.
Ziel
Ziel der Forschenden ist es, die Kaltmassivumformung mithilfe von Digitalisierung als Fertigungsverfahren energieeffizienter zu gestalten und die Genauigkeit und Oberflächenqualität von Umformteilen maßgeblich zu verbessern. Dies ermöglicht es, die energie- und materialintensive Zerspanung an vielen Stellen zu ersetzen. Die Projektpartner haben berechnet, dass die Umstellung auf dieses ressourcenschonendere Fertigungsverfahren sowie die Verringerung des Ausschusses durch die verkürzte Anlaufphase des Umformprozesses durch die Inline-Prüftechnik bereits große Mengen CO₂ einsparen.
Den größten Beitrag zur CO₂-Reduktion erwarten die Forschenden jedoch in einem späteren Schritt: Dank der durchgängigen Kontrolle und markierungsfreien Identifikation der Bauteile können kostspielige und ressourcenintensive Rückrufaktionen – wie sie insbesondere im Automobilbau üblich sind – verhindert werden. So sollen nach Prognosen der Projektpartner insgesamt CO₂-Einsparungen von mehr als 600.000 Tonnen jährlich möglich werden.
Ziel der Forschenden ist es, die Kaltmassivumformung mithilfe von Digitalisierung als Fertigungsverfahren energieeffizienter zu gestalten und die Genauigkeit und Oberflächenqualität von Umformteilen maßgeblich zu verbessern. Dies ermöglicht es, die energie- und materialintensive Zerspanung an vielen Stellen zu ersetzen. Die Projektpartner haben berechnet, dass die Umstellung auf dieses ressourcenschonendere Fertigungsverfahren sowie die Verringerung des Ausschusses durch die verkürzte Anlaufphase des Umformprozesses durch die Inline-Prüftechnik bereits große Mengen CO₂ einsparen.
Den größten Beitrag zur CO₂-Reduktion erwarten die Forschenden jedoch in einem späteren Schritt: Dank der durchgängigen Kontrolle und markierungsfreien Identifikation der Bauteile können kostspielige und ressourcenintensive Rückrufaktionen – wie sie insbesondere im Automobilbau üblich sind – verhindert werden. So sollen nach Prognosen der Projektpartner insgesamt CO₂-Einsparungen von mehr als 600.000 Tonnen jährlich möglich werden.
Vorgehen
Die Projektpartner entwickeln ein neuartiges Freifall-Inspektionssystem zur prozessbegleitenden Prüfung aller gefertigten Bauteile. Mit dem System können sie viele verschiedene Qualitätsparameter – etwa die Geometrie und die Oberflächenqualität – präzise erfassen. Diese Parameter lassen sich zusammen mit weiteren Daten zur Prozessüberwachung einzelnen Bauteilen individuell zuordnen.
Die Bauteile werden hierzu einzeln, aber ohne Vororientierung, über ein Förderband in eine Messkugel befördert und im freien Fall mithilfe von 16 Kameras aus allen Richtungen erfasst. Verschiedene, teilweise KI-basierte Bildverarbeitungsalgorithmen prüfen die Teile dabei mit bis zu drei Teilen pro Sekunde bis auf einige Mikrometer genau. Zusätzlich nutzt das Projektteam die individuelle Oberflächenstruktur der Teile an einer definierten Stelle als Fingerabdruck, anhand dessen sie später zurückverfolgt werden können.
Die Projektpartner entwickeln ein neuartiges Freifall-Inspektionssystem zur prozessbegleitenden Prüfung aller gefertigten Bauteile. Mit dem System können sie viele verschiedene Qualitätsparameter – etwa die Geometrie und die Oberflächenqualität – präzise erfassen. Diese Parameter lassen sich zusammen mit weiteren Daten zur Prozessüberwachung einzelnen Bauteilen individuell zuordnen.
Die Bauteile werden hierzu einzeln, aber ohne Vororientierung, über ein Förderband in eine Messkugel befördert und im freien Fall mithilfe von 16 Kameras aus allen Richtungen erfasst. Verschiedene, teilweise KI-basierte Bildverarbeitungsalgorithmen prüfen die Teile dabei mit bis zu drei Teilen pro Sekunde bis auf einige Mikrometer genau. Zusätzlich nutzt das Projektteam die individuelle Oberflächenstruktur der Teile an einer definierten Stelle als Fingerabdruck, anhand dessen sie später zurückverfolgt werden können.
Hemp-LMC
Rohstoff Hanf: Naturmaterialien für den Leichtbau industriell nutzbar machen
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
31.01.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Sonstige Biogene Werkstoffe, Naturfasern, Sonstige (Hanfstängelelemente), Duroplaste, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
Hintergrund
Der Einsatz natürlicher Rohstoffe gewinnt im Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Hanffasern bieten hier ein enormes Potenzial: Sie sind leicht, stabil und ökologisch vorteilhaft, da sie während ihres Wachstums CO₂ binden und ohne intensive Bewässerung auskommen. Dennoch bleibt ihre industrielle Nutzung bislang begrenzt, da sie den hohen Anforderungen moderner Leichtbauwerkstoffe nur eingeschränkt gerecht werden. Als Herausforderung gelten die für den Einsatz als Hochleistungswerkstoff die erforderliche schonende Faserextraktion und Aufbereitung der fasrigen Pflanzenteile und die Verfügbarkeit funktionsadäquater biogener Matrices.
Als besonders vielversprechender pflanzlicher Faserwerkstoff gilt daher die Hanfbastrinde, die wegen ihrer Morphologie bei geringer Dichte und der nativen, unidirektionalen Faserausrichtung durch hohe mechanische Belastbarkeit besticht und auch ohne weitere Faserisolation eingesetzt werden kann.
Besonders in der Automobil- und Bauindustrie besteht hierbei Bedarf an Materialien, die fossile Rohstoffe ersetzen können, ohne Einbußen bei Stabilität, Verarbeitung oder Kosteneffizienz hinzunehmen. Genau hier setzt Forschungsprojekt Hemp-LMC an, in dem Forschende die Eigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten von Hanfbastelementen und Hanfstägelelementen für die industrielle Produktion untersuchen.
Der Einsatz natürlicher Rohstoffe gewinnt im Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Hanffasern bieten hier ein enormes Potenzial: Sie sind leicht, stabil und ökologisch vorteilhaft, da sie während ihres Wachstums CO₂ binden und ohne intensive Bewässerung auskommen. Dennoch bleibt ihre industrielle Nutzung bislang begrenzt, da sie den hohen Anforderungen moderner Leichtbauwerkstoffe nur eingeschränkt gerecht werden. Als Herausforderung gelten die für den Einsatz als Hochleistungswerkstoff die erforderliche schonende Faserextraktion und Aufbereitung der fasrigen Pflanzenteile und die Verfügbarkeit funktionsadäquater biogener Matrices.
Als besonders vielversprechender pflanzlicher Faserwerkstoff gilt daher die Hanfbastrinde, die wegen ihrer Morphologie bei geringer Dichte und der nativen, unidirektionalen Faserausrichtung durch hohe mechanische Belastbarkeit besticht und auch ohne weitere Faserisolation eingesetzt werden kann.
Besonders in der Automobil- und Bauindustrie besteht hierbei Bedarf an Materialien, die fossile Rohstoffe ersetzen können, ohne Einbußen bei Stabilität, Verarbeitung oder Kosteneffizienz hinzunehmen. Genau hier setzt Forschungsprojekt Hemp-LMC an, in dem Forschende die Eigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten von Hanfbastelementen und Hanfstägelelementen für die industrielle Produktion untersuchen.
Ziel
Im Projekt Hemp-LMC steht die Entwicklung nachhaltiger Verbundwerkstoffe im Fokus. Ziel ist es, Hanfstängelelemente als Verstärkungsmaterial in Sheet Moulding Compounds (SMC) und Bulk Moulding Compounds (BMC) einzusetzen. Diese Werkstoffe setzt die Automobilindustrie beispielsweise bei Türinnenverkleidungen ein.
Gleichzeitig wollen die Partner biobasierte Harze entwickeln, die fossile Harze ersetzen können, ohne die Produktionsprozesse zu beeinträchtigen. Das Projektteam will die Treibhausgasemissionen durch lokale Rohstoffnutzung und optimierte Produktionsprozesse deutlich senken –um bis zu 70 Prozent im Vergleich zu konventionellen Materialien.
Im Projekt Hemp-LMC steht die Entwicklung nachhaltiger Verbundwerkstoffe im Fokus. Ziel ist es, Hanfstängelelemente als Verstärkungsmaterial in Sheet Moulding Compounds (SMC) und Bulk Moulding Compounds (BMC) einzusetzen. Diese Werkstoffe setzt die Automobilindustrie beispielsweise bei Türinnenverkleidungen ein.
Gleichzeitig wollen die Partner biobasierte Harze entwickeln, die fossile Harze ersetzen können, ohne die Produktionsprozesse zu beeinträchtigen. Das Projektteam will die Treibhausgasemissionen durch lokale Rohstoffnutzung und optimierte Produktionsprozesse deutlich senken –um bis zu 70 Prozent im Vergleich zu konventionellen Materialien.
Vorgehen
Das Projektteam untersucht die gesamte Wertschöpfungskette des Hanfanbaus und der Beerntung bis hin zur Produktion. Dabei steht insbesondere die Verarbeitung von Hanf und Hanfstängelelementen im Fokus. Und dies bereits von der ersten Stufe - dem Ernten - an: Neue Ernte- und Aufbereitungsverfahren ermöglichten eine gleichzeitige duale Beerntung von Stängel- und Fruchtmaterial.
Parallel dazu entwickeln die Forschenden biobasierte Harze, die hinsichtlich Aushärtezeiten und mechanischer Eigenschaften den erdölbasierten Alternativen ebenbürtig sind. Um die praktische Anwendbarkeit zu gewährleisten, testet das Team die neu entwickelten Werkstoffe in großtechnischen Produktionsanlagen. Anschließend erfolgt die Evaluation von produktspezifischen Eigenschaften, wie Dichte, Brandverhalten oder die Wasseraufnahme der naturfaserverstärkten Kunststoffe (NFK). Hierbei zeigt sich, dass die Hanffasern nicht nur die technischen Anforderungen erfüllen, sondern auch eine ressourcenschonende und kosteneffiziente Fertigung von Leichtbaustrukturen ermöglichen.
Das Projektteam untersucht die gesamte Wertschöpfungskette des Hanfanbaus und der Beerntung bis hin zur Produktion. Dabei steht insbesondere die Verarbeitung von Hanf und Hanfstängelelementen im Fokus. Und dies bereits von der ersten Stufe - dem Ernten - an: Neue Ernte- und Aufbereitungsverfahren ermöglichten eine gleichzeitige duale Beerntung von Stängel- und Fruchtmaterial.
Parallel dazu entwickeln die Forschenden biobasierte Harze, die hinsichtlich Aushärtezeiten und mechanischer Eigenschaften den erdölbasierten Alternativen ebenbürtig sind. Um die praktische Anwendbarkeit zu gewährleisten, testet das Team die neu entwickelten Werkstoffe in großtechnischen Produktionsanlagen. Anschließend erfolgt die Evaluation von produktspezifischen Eigenschaften, wie Dichte, Brandverhalten oder die Wasseraufnahme der naturfaserverstärkten Kunststoffe (NFK). Hierbei zeigt sich, dass die Hanffasern nicht nur die technischen Anforderungen erfüllen, sondern auch eine ressourcenschonende und kosteneffiziente Fertigung von Leichtbaustrukturen ermöglichen.
HempTape
Ressourceneffizient und CO₂-arm: Hochleistungsfähige Hanfverbundwerkstoffe entwickeln
Förderlaufzeit:
Start
01.01.23
Ende
30.06.25
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Naturfasern, Thermoplaste, Gelege, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
Hintergrund
Unternehmen stehen branchenübergreifend vor der Herausforderung, leistungsfähige und umweltfreundliche Materialien zu finden. Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), die derzeit in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen, verbrauchen viele Ressourcen und verursachen hohe CO₂-Emissionen. Hier gewinnen biobasierte Werkstoffe, insbesondere Naturfaserverbundwerkstoffe (NFK), zunehmend an Bedeutung. Sie senken nicht nur die Umweltbelastung, sondern bieten auch ein großes Potenzial im Leichtbau. Naturfasern wie Hanf zeichnen sich durch ihre hohe Verfügbarkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus und stellen eine vielversprechende Alternative dar. Bisher scheiterten jedoch viele Ansätze, diese Materialien im industriellen Maßstab zu nutzen, an hohen Produktionskosten und ineffizienten Prozessen. Das Projekt HempTape setzt genau hier an.
Unternehmen stehen branchenübergreifend vor der Herausforderung, leistungsfähige und umweltfreundliche Materialien zu finden. Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), die derzeit in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen, verbrauchen viele Ressourcen und verursachen hohe CO₂-Emissionen. Hier gewinnen biobasierte Werkstoffe, insbesondere Naturfaserverbundwerkstoffe (NFK), zunehmend an Bedeutung. Sie senken nicht nur die Umweltbelastung, sondern bieten auch ein großes Potenzial im Leichtbau. Naturfasern wie Hanf zeichnen sich durch ihre hohe Verfügbarkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschaften aus und stellen eine vielversprechende Alternative dar. Bisher scheiterten jedoch viele Ansätze, diese Materialien im industriellen Maßstab zu nutzen, an hohen Produktionskosten und ineffizienten Prozessen. Das Projekt HempTape setzt genau hier an.
Ziel
Die Projektpartner entwickeln eine ressourceneffiziente und CO₂-arme Alternative zu glasfaserverstärkten Thermoplasten für den Hochleistungsbereich – etwas mechanisch stark beanspruchte Bauteile im Automobil- oder Maschinenbau. Dabei konzentrieren sie sich auf die Herstellung neuartiger, stapelfaserverstärkter Halbzeuge mit unidirektionaler Faserausrichtung (UD-Tapes) aus Hanffasern und Biopolymeren. UD-Tape bestehen aus kurzen, losen Fasern, die in eine Matrix eingebunden werden. Diese Fasern orientieren sich während der Herstellung in eine bevorzugte Richtung, was den Bauteilen hohe Festigkeit und Steifigkeit verleiht.
Die Herausforderung besteht darin, das Leichtbaupotenzial von Naturfasern wie Hanf zu erschließen und gleichzeitig effiziente, kostengünstige Produktionsprozesse zu gewährleisten. Die Forschenden entwickeln deshalb biobasierte Materialien, die mit den aktuellen Technologien zur Herstellung von GFK-Bauteilen vergleichbar sind, jedoch geringere CO₂-Emissionen und einen verringerten Ressourcenverbrauch aufweisen. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Wertschöpfungskette zu etablieren, die den breiten Einsatz dieser Materialien in verschiedenen Industriezweigen ermöglicht.
Die Projektpartner entwickeln eine ressourceneffiziente und CO₂-arme Alternative zu glasfaserverstärkten Thermoplasten für den Hochleistungsbereich – etwas mechanisch stark beanspruchte Bauteile im Automobil- oder Maschinenbau. Dabei konzentrieren sie sich auf die Herstellung neuartiger, stapelfaserverstärkter Halbzeuge mit unidirektionaler Faserausrichtung (UD-Tapes) aus Hanffasern und Biopolymeren. UD-Tape bestehen aus kurzen, losen Fasern, die in eine Matrix eingebunden werden. Diese Fasern orientieren sich während der Herstellung in eine bevorzugte Richtung, was den Bauteilen hohe Festigkeit und Steifigkeit verleiht.
Die Herausforderung besteht darin, das Leichtbaupotenzial von Naturfasern wie Hanf zu erschließen und gleichzeitig effiziente, kostengünstige Produktionsprozesse zu gewährleisten. Die Forschenden entwickeln deshalb biobasierte Materialien, die mit den aktuellen Technologien zur Herstellung von GFK-Bauteilen vergleichbar sind, jedoch geringere CO₂-Emissionen und einen verringerten Ressourcenverbrauch aufweisen. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine kosteneffiziente und umweltfreundliche Wertschöpfungskette zu etablieren, die den breiten Einsatz dieser Materialien in verschiedenen Industriezweigen ermöglicht.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln bestehende Fertigungstechnologien für unidirektionale Naturfaserhalbzeuge weiter. Zunächst konzentrieren sie sich auf die Herstellung hochwertiger Hanffasern aus regionalen Rohstoffen. Diese Fasern kombinieren sie mit Biopolymeren und verarbeiten sie durch optimierte Verfahren zu robusten, hochleistungsfähigen Halbzeugen. Dabei legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Wert darauf, die Prozesse so zu gestalten, dass sie die Rohstoffe kostengünstig und effizient verarbeiten können.
Anschließend prüfen sie die mechanischen Eigenschaften der Materialien und der daraus resultierenden Bauteile mithilfe simulationsbasierter Auslegungsmethoden und Materialtests, um sicherzustellen, dass sie den Anforderungen an Hochleistungsanwendungen gerecht werden.
Die Forschenden berücksichtigen zudem die Recyclingfähigkeit der entwickelten Materialien, um einen geschlossenen Kreislauf in der Produktion zu fördern. Parallel zur technologischen Entwicklung führen sie ökologische Bilanzierungen durch, um das CO₂-Einsparpotenzial und die Ressourceneffizienz der neuen Werkstoffe genau zu quantifizieren.
Die Forschenden entwickeln bestehende Fertigungstechnologien für unidirektionale Naturfaserhalbzeuge weiter. Zunächst konzentrieren sie sich auf die Herstellung hochwertiger Hanffasern aus regionalen Rohstoffen. Diese Fasern kombinieren sie mit Biopolymeren und verarbeiten sie durch optimierte Verfahren zu robusten, hochleistungsfähigen Halbzeugen. Dabei legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Wert darauf, die Prozesse so zu gestalten, dass sie die Rohstoffe kostengünstig und effizient verarbeiten können.
Anschließend prüfen sie die mechanischen Eigenschaften der Materialien und der daraus resultierenden Bauteile mithilfe simulationsbasierter Auslegungsmethoden und Materialtests, um sicherzustellen, dass sie den Anforderungen an Hochleistungsanwendungen gerecht werden.
Die Forschenden berücksichtigen zudem die Recyclingfähigkeit der entwickelten Materialien, um einen geschlossenen Kreislauf in der Produktion zu fördern. Parallel zur technologischen Entwicklung führen sie ökologische Bilanzierungen durch, um das CO₂-Einsparpotenzial und die Ressourceneffizienz der neuen Werkstoffe genau zu quantifizieren.
Hybrid-Switch
Hybride Leichtbaustrukturen aus FKV und Metallen: automatisierte Fertigung ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.05.22
Ende
31.10.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Metallfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Garne, Rovings, Gelege, Gestricke, Gewebe, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Metallfaser-Polymer-Verbund
Hintergrund
Unternehmen setzen verstärkt auf hybriden Leichtbau, um technische Systeme effizienter und ressourcenschonender zu gestalten. Dabei kombinieren sie gezielt unterschiedliche Werkstoffe – etwa Metalle und Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) – in einem Bauteil. Diese Verbindung vereint die Stärken beider Materialien: hohe Festigkeit, geringes Gewicht und konstruktive Flexibilität. So entstehen Komponenten, die gezielt an lokale Belastungen angepasst sind.
In der Praxis scheitert der breite Einsatz solcher Hybridbauteile jedoch häufig an fehlenden Fügeverfahren und automatisierten Fertigungsprozessen. Bisher verfügbare Technologien lassen sich meist nur im Labormaßstab oder mit hohem manuellem Aufwand umsetzen. Die Übergänge zwischen FKV und Metall sind konstruktiv anspruchsvoll und schwer in bestehende Produktionsketten integrierbar. Gleichzeitig erschweren unzureichende Recyclingmöglichkeiten und fehlende Lebenszyklusanalysen eine nachhaltige Anwendung.
Unternehmen setzen verstärkt auf hybriden Leichtbau, um technische Systeme effizienter und ressourcenschonender zu gestalten. Dabei kombinieren sie gezielt unterschiedliche Werkstoffe – etwa Metalle und Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) – in einem Bauteil. Diese Verbindung vereint die Stärken beider Materialien: hohe Festigkeit, geringes Gewicht und konstruktive Flexibilität. So entstehen Komponenten, die gezielt an lokale Belastungen angepasst sind.
In der Praxis scheitert der breite Einsatz solcher Hybridbauteile jedoch häufig an fehlenden Fügeverfahren und automatisierten Fertigungsprozessen. Bisher verfügbare Technologien lassen sich meist nur im Labormaßstab oder mit hohem manuellem Aufwand umsetzen. Die Übergänge zwischen FKV und Metall sind konstruktiv anspruchsvoll und schwer in bestehende Produktionsketten integrierbar. Gleichzeitig erschweren unzureichende Recyclingmöglichkeiten und fehlende Lebenszyklusanalysen eine nachhaltige Anwendung.
Ziel
Das Projektteam von Hybrid-Switch setzt genau hier an. Die Partner entwickeln automatisierte, serientaugliche Fertigungsprozesse für hybride Leichtbaustrukturen aus FKV und Metallen. Dafür erarbeiten die Forschenden automatisierte Fertigungsprozesse, die sich in bestehende Produktionsumgebungen integrieren lassen und auch in kleinen und mittleren Unternehmen anwendbar sind.
Im Zentrum steht die Übertragung neuer Hybrid-Verbindungstechnologien auf etablierte Serienverfahren: Pultrusion, Harzinjektionsverfahren und Spritzgießen. Die Forschenden konstruieren Bauteile funktionsintegriert und verzichten bewusst auf zusätzliche Verbindungselemente. Das reduziert die Anzahl der Einzelteile, vereinfacht die Montage und steigert die Ressourceneffizienz. Gleichzeitig erweitern sie das Einsatzspektrum klassischer Fügeverfahren wie Schweißen und Nieten auf hybride Werkstoffsysteme.
Das Projektteam von Hybrid-Switch setzt genau hier an. Die Partner entwickeln automatisierte, serientaugliche Fertigungsprozesse für hybride Leichtbaustrukturen aus FKV und Metallen. Dafür erarbeiten die Forschenden automatisierte Fertigungsprozesse, die sich in bestehende Produktionsumgebungen integrieren lassen und auch in kleinen und mittleren Unternehmen anwendbar sind.
Im Zentrum steht die Übertragung neuer Hybrid-Verbindungstechnologien auf etablierte Serienverfahren: Pultrusion, Harzinjektionsverfahren und Spritzgießen. Die Forschenden konstruieren Bauteile funktionsintegriert und verzichten bewusst auf zusätzliche Verbindungselemente. Das reduziert die Anzahl der Einzelteile, vereinfacht die Montage und steigert die Ressourceneffizienz. Gleichzeitig erweitern sie das Einsatzspektrum klassischer Fügeverfahren wie Schweißen und Nieten auf hybride Werkstoffsysteme.
Vorgehen
Das Projektteam verfolgt drei technische Ansätze – jeweils mit Fokus auf unterschiedliche Bauteilarten und Fertigungsverfahren. Einen Schwerpunkt legt es auf die Herstellung hybrid verstärkter Profile. Dafür kombinieren die Partner textile Metallstrukturen mit Faserverbundsystemen und integrieren diese in das Pultrusionsverfahren – ein kontinuierliches Fertigungsverfahren zur Herstellung profilförmiger Bauteile. Die Forschenden erproben diese Technologie an einem Demonstrator aus dem Nutzfahrzeugbereich, konkret einem hybriden Profilverbinder.
In einem zweiten Ansatz entwickeln die Forschenden hybride Rohrverbindungen. Hier passen sie bestehende Rundtextilien für den Einsatz im Harzinjektionsverfahren und Wickelverfahren an. Ziel ist ein serientauglicher Herstellungsprozess für belastbare, elektrisch isolierende Rohrkomponenten. Hierfür entwickeln sie einen hybriden Rohrverbinder im Rohrleitungsbau als Demonstrator.
Außerdem untersucht das Team, wie sich Hybridtextilien gezielt als lokale Verstärkungselemente im Spritzgießprozess integrieren lassen.
Alle Verfahren testen die Projektpartner anhand praxisnaher Demonstratoren. Sie analysieren mechanische Kennwerte, Materialübergänge und Schnittstellen. Parallel bewerten sie die Recyclingfähigkeit und ökologischen Auswirkungen anhand von Lebenszyklusanalysen. Ein kontinuierlicher Wissenstransfer zwischen den technischen Linien stellt sicher, dass die entwickelten Technologien skalierbar und branchenübergreifend nutzbar sind.
Das Projektteam verfolgt drei technische Ansätze – jeweils mit Fokus auf unterschiedliche Bauteilarten und Fertigungsverfahren. Einen Schwerpunkt legt es auf die Herstellung hybrid verstärkter Profile. Dafür kombinieren die Partner textile Metallstrukturen mit Faserverbundsystemen und integrieren diese in das Pultrusionsverfahren – ein kontinuierliches Fertigungsverfahren zur Herstellung profilförmiger Bauteile. Die Forschenden erproben diese Technologie an einem Demonstrator aus dem Nutzfahrzeugbereich, konkret einem hybriden Profilverbinder.
In einem zweiten Ansatz entwickeln die Forschenden hybride Rohrverbindungen. Hier passen sie bestehende Rundtextilien für den Einsatz im Harzinjektionsverfahren und Wickelverfahren an. Ziel ist ein serientauglicher Herstellungsprozess für belastbare, elektrisch isolierende Rohrkomponenten. Hierfür entwickeln sie einen hybriden Rohrverbinder im Rohrleitungsbau als Demonstrator.
Außerdem untersucht das Team, wie sich Hybridtextilien gezielt als lokale Verstärkungselemente im Spritzgießprozess integrieren lassen.
Alle Verfahren testen die Projektpartner anhand praxisnaher Demonstratoren. Sie analysieren mechanische Kennwerte, Materialübergänge und Schnittstellen. Parallel bewerten sie die Recyclingfähigkeit und ökologischen Auswirkungen anhand von Lebenszyklusanalysen. Ein kontinuierlicher Wissenstransfer zwischen den technischen Linien stellt sicher, dass die entwickelten Technologien skalierbar und branchenübergreifend nutzbar sind.
HyConnect
Bauteile ressourcenschonend fertigen: hybride Herstellung mit Umformtechnik und 3D-Druck
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Industrieunternehmen müssen ihre Fertigungsprozesse effizienter, ressourcenschonender und umweltfreundlicher gestalten. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Leichtbaukomponenten, die das Gewicht von Maschinen und Fahrzeugen reduzieren und damit Energie sparen.
Viele herkömmliche Fertigungsmethoden verbrauchen jedoch große Mengen an Energie und Material. Hochbelastbare Bauteile entstehen oft in mehreren aufwendigen Schritten, die hohe Temperaturen und lange Bearbeitungszeiten erfordern. Das führt zu hohem Ressourcenverbrauch und erheblichen CO₂-Emissionen. Hinzu kommt, dass konventionelle Verfahren viel Material verschwenden, weil Bauteile häufig aus massivem Rohmaterial gefräst oder geschnitten werden.
Hier setzt das Forschungsprojekt HyConnect an. Die Forschenden kombinieren Umformtechnik mit Additiver Fertigung, um leistungsfähige Leichtbaukomponenten mit weniger Energie und Material herzustellen. Statt überschüssiges Material zu entfernen, setzen sie Werkstoffe gezielt nur dort ein, wo sie nötig sind. Das spart Ressourcen und macht die Produktion nachhaltiger.
Industrieunternehmen müssen ihre Fertigungsprozesse effizienter, ressourcenschonender und umweltfreundlicher gestalten. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Leichtbaukomponenten, die das Gewicht von Maschinen und Fahrzeugen reduzieren und damit Energie sparen.
Viele herkömmliche Fertigungsmethoden verbrauchen jedoch große Mengen an Energie und Material. Hochbelastbare Bauteile entstehen oft in mehreren aufwendigen Schritten, die hohe Temperaturen und lange Bearbeitungszeiten erfordern. Das führt zu hohem Ressourcenverbrauch und erheblichen CO₂-Emissionen. Hinzu kommt, dass konventionelle Verfahren viel Material verschwenden, weil Bauteile häufig aus massivem Rohmaterial gefräst oder geschnitten werden.
Hier setzt das Forschungsprojekt HyConnect an. Die Forschenden kombinieren Umformtechnik mit Additiver Fertigung, um leistungsfähige Leichtbaukomponenten mit weniger Energie und Material herzustellen. Statt überschüssiges Material zu entfernen, setzen sie Werkstoffe gezielt nur dort ein, wo sie nötig sind. Das spart Ressourcen und macht die Produktion nachhaltiger.
Ziel
Das Projektteam entwickelt eine hybride Fertigungsmethode, die die Vorteile der Umformtechnik und der Additiven Fertigung vereint. Während umformtechnische Verfahren mit hoher Material- und Energieeffizienz überzeugen, ermöglicht die Additive Fertigung eine flexible und präzise Anpassung der Bauteileigenschaften. Durch die Kombination beider Verfahren entstehen Bauteile, die weniger Ressourcen benötigen.
Im Fokus steht die Entwicklung einer Laufhülse, die hohen mechanischen Belastungen standhalten muss. Bislang entsteht dieses Bauteil in mehreren energieintensiven Schritten. Das Forschungsteam verfolgt einen neuen Ansatz: Mit Laserpulverauftragschweißen (LPAS) wollen die Forschenden gezielt verschleißbeständige Schichten auftragen, um die Materialeigenschaften lokal zu verbessern. Ein besonderer Vorteil ist die in-situ Legierungsbildung, mit der sie die Materialzusammensetzung bereits während der Fertigung anpassen. Dadurch entfällt die nachträgliche Wärmebehandlung, die normalerweise hohe Temperaturen und viel Energie erfordert.
Zusätzlich setzen die Forschenden auf eine digitale Prozessüberwachung. Sie steuert die Fertigung in Echtzeit, sodass Maschinen sofort auf Abweichungen reagieren. Das verbessert nicht nur die Qualität der Bauteile, sondern steigert auch die Effizienz der gesamten Wertschöpfungskette.
Das Projektteam entwickelt eine hybride Fertigungsmethode, die die Vorteile der Umformtechnik und der Additiven Fertigung vereint. Während umformtechnische Verfahren mit hoher Material- und Energieeffizienz überzeugen, ermöglicht die Additive Fertigung eine flexible und präzise Anpassung der Bauteileigenschaften. Durch die Kombination beider Verfahren entstehen Bauteile, die weniger Ressourcen benötigen.
Im Fokus steht die Entwicklung einer Laufhülse, die hohen mechanischen Belastungen standhalten muss. Bislang entsteht dieses Bauteil in mehreren energieintensiven Schritten. Das Forschungsteam verfolgt einen neuen Ansatz: Mit Laserpulverauftragschweißen (LPAS) wollen die Forschenden gezielt verschleißbeständige Schichten auftragen, um die Materialeigenschaften lokal zu verbessern. Ein besonderer Vorteil ist die in-situ Legierungsbildung, mit der sie die Materialzusammensetzung bereits während der Fertigung anpassen. Dadurch entfällt die nachträgliche Wärmebehandlung, die normalerweise hohe Temperaturen und viel Energie erfordert.
Zusätzlich setzen die Forschenden auf eine digitale Prozessüberwachung. Sie steuert die Fertigung in Echtzeit, sodass Maschinen sofort auf Abweichungen reagieren. Das verbessert nicht nur die Qualität der Bauteile, sondern steigert auch die Effizienz der gesamten Wertschöpfungskette.
Vorgehen
Zunächst testen die Forschenden, wie sich additiv aufgetragene Strukturen umformen lassen und welche Materialeigenschaften dabei entstehen. Danach fertigen sie eine Demonstratorlaufhülse mit gezielt verstärkten Verschleißbereichen. Dabei nutzen sie neue Werkstoffmodelle, um das Verhalten des Materials während der Umformung präzise vorherzusagen.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Prozessüberwachung und Digitalisierung. Eine Blockchain-basierte Datenplattform dokumentiert alle Fertigungsschritte manipulationssicher und ermöglicht den unternehmensübergreifenden Austausch der Daten. So lassen sich Produktionsprozesse genau zurückverfolgen und gezielt optimieren. Durch den kontinuierlichen Abgleich von Prozessparametern sinkt der Ausschuss, und die Forschenden steigern die Ressourceneffizienz.
Am Ende des Projekts erprobt das Team die neue Fertigungsmethode unter realen Bedingungen. Die Ergebnisse sind nicht nur für die Automobilindustrie interessant, sondern auch für andere Branchen, die nachhaltige und leistungsfähige Bauteile benötigen – von der Luftfahrt bis zum Maschinenbau.
Zunächst testen die Forschenden, wie sich additiv aufgetragene Strukturen umformen lassen und welche Materialeigenschaften dabei entstehen. Danach fertigen sie eine Demonstratorlaufhülse mit gezielt verstärkten Verschleißbereichen. Dabei nutzen sie neue Werkstoffmodelle, um das Verhalten des Materials während der Umformung präzise vorherzusagen.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Prozessüberwachung und Digitalisierung. Eine Blockchain-basierte Datenplattform dokumentiert alle Fertigungsschritte manipulationssicher und ermöglicht den unternehmensübergreifenden Austausch der Daten. So lassen sich Produktionsprozesse genau zurückverfolgen und gezielt optimieren. Durch den kontinuierlichen Abgleich von Prozessparametern sinkt der Ausschuss, und die Forschenden steigern die Ressourceneffizienz.
Am Ende des Projekts erprobt das Team die neue Fertigungsmethode unter realen Bedingungen. Die Ergebnisse sind nicht nur für die Automobilindustrie interessant, sondern auch für andere Branchen, die nachhaltige und leistungsfähige Bauteile benötigen – von der Luftfahrt bis zum Maschinenbau.
HyCoPE
Virtuelle Auslegung und neue Materialien: Wasserstofftanks ressourceneffizient herstellen
Förderlaufzeit:
Start
01.08.21
Ende
31.01.25
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Duroplaste, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Der Verkehrssektor verursacht einen erheblichen Teil der CO₂-Emissionen in Deutschland und stellt damit ein zentrales Handlungsfeld für den Klimaschutz dar. Wasserstoff-betriebene Antriebe gelten als Schlüsseltechnologie für eine klimafreundliche Mobilität – insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, wo batterieelektrische Lösungen an ihre Grenzen stoßen. Der breite Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen scheitert bisher jedoch an den hohen Systemkosten – insbesondere an den aufwendig hergestellten Wasserstoff-Drucktanks, die bis zu 30 Prozent der Gesamtkosten betragen. Besonders teuer sind die Kohlenstofffasern, die den Tank stabil und gleichzeitig leicht machen. Ihre energieintensive Produktion verursacht zusätzliche CO₂-Emissionen. Um Brennstoffzellenfahrzeuge wettbewerbsfähiger zu machen und ihre breitere Anwendung zu beschleunigen, braucht es eine wirtschaftlichere und ressourcenschonendere Tankproduktion. Genau hier setzt das Forschungsprojekt HyCoPE an.
Der Verkehrssektor verursacht einen erheblichen Teil der CO₂-Emissionen in Deutschland und stellt damit ein zentrales Handlungsfeld für den Klimaschutz dar. Wasserstoff-betriebene Antriebe gelten als Schlüsseltechnologie für eine klimafreundliche Mobilität – insbesondere im Nutzfahrzeugbereich, wo batterieelektrische Lösungen an ihre Grenzen stoßen. Der breite Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen scheitert bisher jedoch an den hohen Systemkosten – insbesondere an den aufwendig hergestellten Wasserstoff-Drucktanks, die bis zu 30 Prozent der Gesamtkosten betragen. Besonders teuer sind die Kohlenstofffasern, die den Tank stabil und gleichzeitig leicht machen. Ihre energieintensive Produktion verursacht zusätzliche CO₂-Emissionen. Um Brennstoffzellenfahrzeuge wettbewerbsfähiger zu machen und ihre breitere Anwendung zu beschleunigen, braucht es eine wirtschaftlichere und ressourcenschonendere Tankproduktion. Genau hier setzt das Forschungsprojekt HyCoPE an.
Ziel
Das Projektteam verfolgt das Ziel, Wasserstoff-Drucktanks leichter, günstiger und klimafreundlicher zu fertigen. Dabei betrachten die Forschenden den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess – von der Materialherstellung über die Fertigung bis zur Qualitätssicherung. Sie wollen den Materialeinsatz senken, ohne Sicherheit oder Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Um das zu erreichen nutzen die Forschenden virtuelle Auslegungsmethoden, die eine präzise Tankdimensionierung erlauben. Dadurch reduzieren sie den bisher notwendigen Sicherheitszuschlag und senken den Ressourcenverbrauch. Ein neu entwickeltes Messsystem soll die Fertigung präzisieren und Fehler frühzeitig erkennen.
Zudem entwickelt das Team ein neues spuleninfiltriertes TowPreg-Halbzeug, das hochwertige Fasern mit einer Harzmatrix kombiniert und sich deutlich günstiger herstellen lässt als bisherige Materialien. TowPregs sind vorimprägnierte Faserbündel, bei denen das Harz bereits gleichmäßig aufgetragen ist – das erleichtert die Verarbeitung und spart Material. Damit wollen die Forschenden die Tankkosten um bis zu 15 Prozent senken und gleichzeitig die CO₂-Emissionen pro Tank um rund 370 Kilogramm verringern.
Das Projektteam verfolgt das Ziel, Wasserstoff-Drucktanks leichter, günstiger und klimafreundlicher zu fertigen. Dabei betrachten die Forschenden den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess – von der Materialherstellung über die Fertigung bis zur Qualitätssicherung. Sie wollen den Materialeinsatz senken, ohne Sicherheit oder Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Um das zu erreichen nutzen die Forschenden virtuelle Auslegungsmethoden, die eine präzise Tankdimensionierung erlauben. Dadurch reduzieren sie den bisher notwendigen Sicherheitszuschlag und senken den Ressourcenverbrauch. Ein neu entwickeltes Messsystem soll die Fertigung präzisieren und Fehler frühzeitig erkennen.
Zudem entwickelt das Team ein neues spuleninfiltriertes TowPreg-Halbzeug, das hochwertige Fasern mit einer Harzmatrix kombiniert und sich deutlich günstiger herstellen lässt als bisherige Materialien. TowPregs sind vorimprägnierte Faserbündel, bei denen das Harz bereits gleichmäßig aufgetragen ist – das erleichtert die Verarbeitung und spart Material. Damit wollen die Forschenden die Tankkosten um bis zu 15 Prozent senken und gleichzeitig die CO₂-Emissionen pro Tank um rund 370 Kilogramm verringern.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert Verfahren aus der Simulation, Materialentwicklung und Fertigungstechnik, um die Herstellung von Wasserstoff-Drucktanks ganzheitlich zu optimieren. Zunächst entwickeln die Forschenden ein kosteneffizientes TowPreg-Material, das sich flexibel an verschiedene Fasertypen und Harzsysteme anpassen lässt.
Parallel erarbeiten die Partner digitale Simulationsmodelle, die sowohl die Tankstruktur als auch den Wickelprozess digital abbilden. Dafür entwickeln sie ein neuartiges Messsystem, das während des Wickelprozesses wichtige Qualitätsmerkmale wie den Faserwinkel in Echtzeit erfasst. Mit dem digitalen Zwilling führen sie reale Fertigungsdaten in die virtuelle Auslegung zurück und verbessern kontinuierlich die Auslegung und Prozesssteuerung. So lassen sich Materialeinsatz und Gewicht gezielt reduzieren.
Anschließend testen die Forschenden die entwickelten Technologien unter realen Bedingungen, integrieren sie in bestehende Anlagen und bereiten sie für die Serienfertigung vor.
Das Projektteam kombiniert Verfahren aus der Simulation, Materialentwicklung und Fertigungstechnik, um die Herstellung von Wasserstoff-Drucktanks ganzheitlich zu optimieren. Zunächst entwickeln die Forschenden ein kosteneffizientes TowPreg-Material, das sich flexibel an verschiedene Fasertypen und Harzsysteme anpassen lässt.
Parallel erarbeiten die Partner digitale Simulationsmodelle, die sowohl die Tankstruktur als auch den Wickelprozess digital abbilden. Dafür entwickeln sie ein neuartiges Messsystem, das während des Wickelprozesses wichtige Qualitätsmerkmale wie den Faserwinkel in Echtzeit erfasst. Mit dem digitalen Zwilling führen sie reale Fertigungsdaten in die virtuelle Auslegung zurück und verbessern kontinuierlich die Auslegung und Prozesssteuerung. So lassen sich Materialeinsatz und Gewicht gezielt reduzieren.
Anschließend testen die Forschenden die entwickelten Technologien unter realen Bedingungen, integrieren sie in bestehende Anlagen und bereiten sie für die Serienfertigung vor.
HyDuty
Hybride Werkstoffe nutzen: Leichtbau-Kofferböden für Nutzfahrzeuge
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
30.11.23
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Leichtbau ist eine der Schlüsseltechnologien, um die CO₂-Emissionen im Transportsektor nachhaltig zu senken. Besonders im Bereich der leichten Nutzfahrzeuge, die zwei Drittel der Fahrzeugflotten im Kurier-, Express- und Paketdienst (KEP) ausmachen, bietet er enormes Potenzial. Der Boden solcher Fahrzeuge besteht oft aus zahlreichen Einzelteilen, die aus schwereren Materialien wie Holz oder Metall gefertigt sind. Diese Bauweise ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern auch schwer optimierbar.
Eine Herausforderung ist der Einsatz moderner Werkstoffe wie glasfaserverstärkter Kunststoffe. Diese Materialien sind zwar leicht und belastbar, erfordern jedoch spezielle Verarbeitungs- und Fertigungstechniken, um sie für den Fahrzeugbau nutzbar zu machen. Die Integration von Funktionselementen wie Zurrpunkten oder Verschraubungen stellt zusätzliche technische Ansprüche. Hier setzt das Forschungsprojekt HyDuty mit dem Ziel an, diese Hürden durch innovative Ansätze zu überwinden.
Leichtbau ist eine der Schlüsseltechnologien, um die CO₂-Emissionen im Transportsektor nachhaltig zu senken. Besonders im Bereich der leichten Nutzfahrzeuge, die zwei Drittel der Fahrzeugflotten im Kurier-, Express- und Paketdienst (KEP) ausmachen, bietet er enormes Potenzial. Der Boden solcher Fahrzeuge besteht oft aus zahlreichen Einzelteilen, die aus schwereren Materialien wie Holz oder Metall gefertigt sind. Diese Bauweise ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern auch schwer optimierbar.
Eine Herausforderung ist der Einsatz moderner Werkstoffe wie glasfaserverstärkter Kunststoffe. Diese Materialien sind zwar leicht und belastbar, erfordern jedoch spezielle Verarbeitungs- und Fertigungstechniken, um sie für den Fahrzeugbau nutzbar zu machen. Die Integration von Funktionselementen wie Zurrpunkten oder Verschraubungen stellt zusätzliche technische Ansprüche. Hier setzt das Forschungsprojekt HyDuty mit dem Ziel an, diese Hürden durch innovative Ansätze zu überwinden.
Ziel
Das Projekt HyDuty verfolgt das Ziel, eine neue Kofferaufbaubodengruppe für leichte Nutzfahrzeuge zu entwickeln. Dieser Boden wird aus glasfaserverstärkten Kunststoffen und hybriden Werkstoffen gefertigt. Die modulare Bauweise erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Fahrzeugtypen. Im Zentrum steht die Integralbauweise: Sie vereint Unterkonstruktion und Bodenplatte in einer kompakten Einheit. Dadurch entfallen viele Montageschritte, was Zeit und Kosten spart.
Neben der Materialeinsparung liegt ein Schwerpunkt auf der Reduktion von CO₂-Emissionen über die gesamte Lebensdauer der Fahrzeuge hinweg – von der Herstellung über den Betrieb bis zur Wiederverwertung. Das Projekt will zeigen, dass durch Leichtbau Gewicht, Emissionen und Kosten gleichzeitig reduziert werden können, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.
Das Projekt HyDuty verfolgt das Ziel, eine neue Kofferaufbaubodengruppe für leichte Nutzfahrzeuge zu entwickeln. Dieser Boden wird aus glasfaserverstärkten Kunststoffen und hybriden Werkstoffen gefertigt. Die modulare Bauweise erlaubt eine flexible Anpassung an verschiedene Fahrzeugtypen. Im Zentrum steht die Integralbauweise: Sie vereint Unterkonstruktion und Bodenplatte in einer kompakten Einheit. Dadurch entfallen viele Montageschritte, was Zeit und Kosten spart.
Neben der Materialeinsparung liegt ein Schwerpunkt auf der Reduktion von CO₂-Emissionen über die gesamte Lebensdauer der Fahrzeuge hinweg – von der Herstellung über den Betrieb bis zur Wiederverwertung. Das Projekt will zeigen, dass durch Leichtbau Gewicht, Emissionen und Kosten gleichzeitig reduziert werden können, ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen.
Vorgehen
Das Projektteam definiert zunächst die Anforderungen an die Bodengruppe. Hierbei fließen Daten aus Simulationen und realen Messfahrten ein, um die typischen Belastungen im Alltag eines KEP-Fahrzeugs abzubilden. Auf dieser Basis entstehen Prototypen, die aus glasfaserverstärkten Kunststoffen im Fließpressverfahren gefertigt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht, Funktionselemente wie Zurrpunkte oder Befestigungselemente direkt in einem Fertigungsschritt zu integrieren. Anschließend erfolgt die Validierung: Der Aufbau wird auf einem Prüfstand und im realen Einsatz getestet. Dabei prüft das Team, ob die simulierten Belastungen mit den realen Beanspruchungen übereinstimmen. Die Ergebnisse fließen in die Optimierung des Designs und der Fertigungsprozesse ein.
Das Projektteam definiert zunächst die Anforderungen an die Bodengruppe. Hierbei fließen Daten aus Simulationen und realen Messfahrten ein, um die typischen Belastungen im Alltag eines KEP-Fahrzeugs abzubilden. Auf dieser Basis entstehen Prototypen, die aus glasfaserverstärkten Kunststoffen im Fließpressverfahren gefertigt werden.
Dieses Verfahren ermöglicht, Funktionselemente wie Zurrpunkte oder Befestigungselemente direkt in einem Fertigungsschritt zu integrieren. Anschließend erfolgt die Validierung: Der Aufbau wird auf einem Prüfstand und im realen Einsatz getestet. Dabei prüft das Team, ob die simulierten Belastungen mit den realen Beanspruchungen übereinstimmen. Die Ergebnisse fließen in die Optimierung des Designs und der Fertigungsprozesse ein.
I-Detekt
Beschädigungen automatisch erkennen: intelligentes Batterieschutzsystem für E-Autos
Förderlaufzeit:
Start
01.12.20
Ende
30.11.23
Anwendung:
Material:
Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Damit die Energiewende nachhaltig gelingen kann, ist es entscheidend, den Verkehrssektor schrittweise zu elektrifizieren. Eines der größten Hemmnisse ist dabei aktuell die vergleichsweise geringe Reichweite der Elektrofahrzeuge. Hier bietet Leichtbau erhebliche Potenziale, da er dazu beitragen kann, die bewegten Massen zu reduzieren und so die Fahrzeugreichweite zu erhöhen.
Die Batterieschutzstruktur eines Elektrofahrzeugs befindet sich unterhalb der Antriebsbatterie und schützt diese vor mechanischen Belastungen wie etwa von der Fahrbahn hochgeschleuderten Steinen. Sie besteht bislang meist aus dickwandigem Aluminium, Stahl oder Titan und ist somit schwer und teuer.
Außerdem gibt es aktuell noch keine Möglichkeit, nach einer mechanischen Belastung das Schadensausmaß automatisiert und ohne Ausbau von Komponenten festzustellen, sodass ein Werkstattaufenthalt und möglicherweise ein Tausch der gesamten Struktur bereits bei bloßem Verdacht notwendig werden kann.
Damit die Energiewende nachhaltig gelingen kann, ist es entscheidend, den Verkehrssektor schrittweise zu elektrifizieren. Eines der größten Hemmnisse ist dabei aktuell die vergleichsweise geringe Reichweite der Elektrofahrzeuge. Hier bietet Leichtbau erhebliche Potenziale, da er dazu beitragen kann, die bewegten Massen zu reduzieren und so die Fahrzeugreichweite zu erhöhen.
Die Batterieschutzstruktur eines Elektrofahrzeugs befindet sich unterhalb der Antriebsbatterie und schützt diese vor mechanischen Belastungen wie etwa von der Fahrbahn hochgeschleuderten Steinen. Sie besteht bislang meist aus dickwandigem Aluminium, Stahl oder Titan und ist somit schwer und teuer.
Außerdem gibt es aktuell noch keine Möglichkeit, nach einer mechanischen Belastung das Schadensausmaß automatisiert und ohne Ausbau von Komponenten festzustellen, sodass ein Werkstattaufenthalt und möglicherweise ein Tausch der gesamten Struktur bereits bei bloßem Verdacht notwendig werden kann.
Ziel
Im Vorhaben I-Detekt wollen die Projektpartner ein intelligentes Batterieschutzsystem für Elektrofahrzeuge entwickeln, das Beschädigungen an der Batterieschutzstruktur, aber auch an der Batterie selbst, automatisch erkennt.
Das Projektteam will eine Batterieschutzstruktur aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit integrierten Sensoren entwickeln. Letztere sollen relevante Schädigungen automatisch erkennen und klassifizieren. Dank des geringeren Bauteilgewichts können sowohl bei der Produktion als auch während des gesamten Nutzungszyklus Ressourcen eingespart werden. Die integrierte Sensorik führt zudem zu einer weiteren erheblichen Einsparung von Werkstoffressourcen, da der Batterieschutz und die Batterie selbst nur dann ausgetauscht werden müssen, wenn tatsächlich ein Defekt vorliegt.
Im Vorhaben I-Detekt wollen die Projektpartner ein intelligentes Batterieschutzsystem für Elektrofahrzeuge entwickeln, das Beschädigungen an der Batterieschutzstruktur, aber auch an der Batterie selbst, automatisch erkennt.
Das Projektteam will eine Batterieschutzstruktur aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff mit integrierten Sensoren entwickeln. Letztere sollen relevante Schädigungen automatisch erkennen und klassifizieren. Dank des geringeren Bauteilgewichts können sowohl bei der Produktion als auch während des gesamten Nutzungszyklus Ressourcen eingespart werden. Die integrierte Sensorik führt zudem zu einer weiteren erheblichen Einsparung von Werkstoffressourcen, da der Batterieschutz und die Batterie selbst nur dann ausgetauscht werden müssen, wenn tatsächlich ein Defekt vorliegt.
Vorgehen
Das Team will die Strukturen sowohl virtuell – anhand digitaler Zwillinge – als auch experimentell erproben und überprüfen, um eine anschließende industrielle Serienproduktion zu ermöglichen. Möglich wird dies durch die breite fachliche Zusammensetzung des Konsortiums über die gesamte Lieferkette. Perspektivisch soll das intelligente Batterieschutzsystem auch auf andere Branchen und Anwendungen, etwa bei Schienenfahrzeugen oder im Maschinen- und Anlagenbau, übertragbar sein.
Die Projektpartner rechnen mit einem Einsparpotenzial an Treibhausgasen von bis zu 440.000 Tonnen CO₂-Äquivalent. Bei dieser Berechnung gehen sie von der Elektrofahrzeug-Jahresproduktion des VW-Konzerns ab voraussichtlich 2025 bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 200.000 km aus.
Das Forschungsergebnis zeigt, dass die Detektion von Schadstufen über den Unterbodenfahrschutz grundsätzlich möglich ist. Die technischen Herausforderungen wie Bauteilkomplexität und Differenzierung der Schadstufen sind nun detaillierter zu klären, genauso wie die Potenziale der wirtschaftlichen und ökologischen Fragen.
Das Team will die Strukturen sowohl virtuell – anhand digitaler Zwillinge – als auch experimentell erproben und überprüfen, um eine anschließende industrielle Serienproduktion zu ermöglichen. Möglich wird dies durch die breite fachliche Zusammensetzung des Konsortiums über die gesamte Lieferkette. Perspektivisch soll das intelligente Batterieschutzsystem auch auf andere Branchen und Anwendungen, etwa bei Schienenfahrzeugen oder im Maschinen- und Anlagenbau, übertragbar sein.
Die Projektpartner rechnen mit einem Einsparpotenzial an Treibhausgasen von bis zu 440.000 Tonnen CO₂-Äquivalent. Bei dieser Berechnung gehen sie von der Elektrofahrzeug-Jahresproduktion des VW-Konzerns ab voraussichtlich 2025 bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 200.000 km aus.
Das Forschungsergebnis zeigt, dass die Detektion von Schadstufen über den Unterbodenfahrschutz grundsätzlich möglich ist. Die technischen Herausforderungen wie Bauteilkomplexität und Differenzierung der Schadstufen sind nun detaillierter zu klären, genauso wie die Potenziale der wirtschaftlichen und ökologischen Fragen.
InDrutec-E
Druckguss für E-Autos optimieren: mit innovativen Aluminium-Legierungen und Magnesium
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
31.12.23
Anwendung:
Material:
Aluminium, Magnesium
Hintergrund
Seit Beginn des motorisierten Verkehrs sind Gussbauteile ein elementarer Bestandteil der Fahrzeugtechnik. Mit ihren hochentwickelten Druckgussteilen für Verbrennungsmotoren, Getriebe und Strukturbauteile führen deutsche Gießereien den Weltmarkt an. Um diese Technologieführerschaft angesichts der Elektromobilitätswende zu sichern, müssen die Unternehmen ihre Werkstoffe und Prozesse nun optimal für die Anwendung in Elektroautos anpassen. Hierfür nutzt das Projektteam verschiedene Leichtbautechnologien entlang der Wertschöpfungskette. Die Partner decken die gesamte automobile Produktion ab – von der Material, Bauteil- und Prozessentwicklung, über die Zulieferung bis hin zum Einsatz im Auto.
Seit Beginn des motorisierten Verkehrs sind Gussbauteile ein elementarer Bestandteil der Fahrzeugtechnik. Mit ihren hochentwickelten Druckgussteilen für Verbrennungsmotoren, Getriebe und Strukturbauteile führen deutsche Gießereien den Weltmarkt an. Um diese Technologieführerschaft angesichts der Elektromobilitätswende zu sichern, müssen die Unternehmen ihre Werkstoffe und Prozesse nun optimal für die Anwendung in Elektroautos anpassen. Hierfür nutzt das Projektteam verschiedene Leichtbautechnologien entlang der Wertschöpfungskette. Die Partner decken die gesamte automobile Produktion ab – von der Material, Bauteil- und Prozessentwicklung, über die Zulieferung bis hin zum Einsatz im Auto.
Ziel
Die Projektpartner wollen die Werkstoffe, Bauweisen und die Prozesse des Druckgusses so optimieren, dass Bauteile mit geringerem Gewicht, niedrigeren Kosten, verbesserter Qualität sowie einem verminderten CO₂-Ausstoß hergestellt werden können. Zum einen entwickelt das Projektteam neue Aluminiumdruckgusslegierungen mit hohem Recyclinganteil, welche ohne weitere Verfahrensschritte bereits direkt nach dem Druckguss die geforderten Eigenschaften aufweisen. Diese innovativen Legierungen haben bessere mechanische Eigenschaften, machen die Bauteile leichter und kommen ohne die energie- und kostenintensive Wärmebehandlung aus. Gegenüber konventionellen Aluminiumlösungen ermöglichen sie bis zu 20 Prozent leichtere Bauteile, was auch in der Anwendung Kosten und CO₂-Emissionen einspart.
Zum anderen wollen die Forschenden Magnesiumdruckgussteile für den Elektro-Antriebsstrang entwickeln. Magnesium ist nicht nur leichter als andere Metalle, sondern verfügt auch über wesentlich bessere Dämpfungseigenschaften, welche im E-Antriebsstrang vorteilhaft sind, um störende Geräusche zu reduzieren.
Die Projektpartner wollen die Werkstoffe, Bauweisen und die Prozesse des Druckgusses so optimieren, dass Bauteile mit geringerem Gewicht, niedrigeren Kosten, verbesserter Qualität sowie einem verminderten CO₂-Ausstoß hergestellt werden können. Zum einen entwickelt das Projektteam neue Aluminiumdruckgusslegierungen mit hohem Recyclinganteil, welche ohne weitere Verfahrensschritte bereits direkt nach dem Druckguss die geforderten Eigenschaften aufweisen. Diese innovativen Legierungen haben bessere mechanische Eigenschaften, machen die Bauteile leichter und kommen ohne die energie- und kostenintensive Wärmebehandlung aus. Gegenüber konventionellen Aluminiumlösungen ermöglichen sie bis zu 20 Prozent leichtere Bauteile, was auch in der Anwendung Kosten und CO₂-Emissionen einspart.
Zum anderen wollen die Forschenden Magnesiumdruckgussteile für den Elektro-Antriebsstrang entwickeln. Magnesium ist nicht nur leichter als andere Metalle, sondern verfügt auch über wesentlich bessere Dämpfungseigenschaften, welche im E-Antriebsstrang vorteilhaft sind, um störende Geräusche zu reduzieren.
Vorgehen
Das Projektteam strebt für das Gießen der Magnesiumbauteile an, die Bauteilqualität im Kaltkammer-Druckgussverfahren auf das Niveau heutiger Warmkammerverfahren zu heben, indem sie die sogenannte Vacural-Technologie nutzen. Dadurch lassen sich hochbelastete oder große Magnesiumbauteile mit niedrigen Ausschussraten und sehr guten Werkstoffeigenschaften herstellen.
Ihre Erkenntnisse führen die Forschenden im Bau eines repräsentativen Teils aus dem elektrischen Antriebsstrang zusammen. So entwickeln sie den Lagerdeckel eines Getriebemoduls, der mit seinen Lagersitzen und vielfältigen lokalen Versteifungsrippen ideal geeignet ist, um die verbesserten mechanischen Eigenschaften darzustellen. Zudem spielen dort auch die thermische Leitfähigkeit und die Schwingungsdämpfung eine große Rolle. Der Getriebedeckel wird als Variante aus Sekundäraluminium und aus Magnesium entwickelt, hergestellt und getestet. Die Anwendung mit ihren Werkstoffvarianten ist so ausgewählt, dass das Forschungsteam die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Bauteile des elektrischen Antriebsstrangs oder der Fahrzeugstruktur übertragen kann.
Das Projektteam strebt für das Gießen der Magnesiumbauteile an, die Bauteilqualität im Kaltkammer-Druckgussverfahren auf das Niveau heutiger Warmkammerverfahren zu heben, indem sie die sogenannte Vacural-Technologie nutzen. Dadurch lassen sich hochbelastete oder große Magnesiumbauteile mit niedrigen Ausschussraten und sehr guten Werkstoffeigenschaften herstellen.
Ihre Erkenntnisse führen die Forschenden im Bau eines repräsentativen Teils aus dem elektrischen Antriebsstrang zusammen. So entwickeln sie den Lagerdeckel eines Getriebemoduls, der mit seinen Lagersitzen und vielfältigen lokalen Versteifungsrippen ideal geeignet ist, um die verbesserten mechanischen Eigenschaften darzustellen. Zudem spielen dort auch die thermische Leitfähigkeit und die Schwingungsdämpfung eine große Rolle. Der Getriebedeckel wird als Variante aus Sekundäraluminium und aus Magnesium entwickelt, hergestellt und getestet. Die Anwendung mit ihren Werkstoffvarianten ist so ausgewählt, dass das Forschungsteam die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Bauteile des elektrischen Antriebsstrangs oder der Fahrzeugstruktur übertragen kann.
Infinity
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe recyceln: nachhaltige Rohstoffe für den Leichtbau
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.06.23
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Sonstige (Tapes), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind wichtige Werkstoffe für viele Leichtbaulösungen, da sie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aufweisen. Die Herstellung von Carbonfasern ist jedoch energie- und ressourcenintensiv und stößt große Mengen CO₂ aus. Auch entstehen sehr viele Produktionsabfälle, denn bis zu 40 Prozent des Materials werden während der Fertigung als Verschnitt oder Ausschuss entsorgt. Gleichzeitig werden diese Abfälle sowie CFK-Bauteile am Ende ihres Produktlebenszyklus häufig nicht recycelt, sondern deponiert oder verbrannt – ein umweltbelastender Prozess, bei dem wertvolle Rohstoffe ungenutzt bleiben. Um die Recyclingquote von CFK zu steigern, hochwertige Sekundärrohstoffe bereitzustellen und einen geschlossenen Materialkreislauf für CFK zu etablieren, müssen neue Recyclingtechnologien entwickelt werden. Hier setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsvorhaben Infinity an.
Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind wichtige Werkstoffe für viele Leichtbaulösungen, da sie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei geringem Gewicht aufweisen. Die Herstellung von Carbonfasern ist jedoch energie- und ressourcenintensiv und stößt große Mengen CO₂ aus. Auch entstehen sehr viele Produktionsabfälle, denn bis zu 40 Prozent des Materials werden während der Fertigung als Verschnitt oder Ausschuss entsorgt. Gleichzeitig werden diese Abfälle sowie CFK-Bauteile am Ende ihres Produktlebenszyklus häufig nicht recycelt, sondern deponiert oder verbrannt – ein umweltbelastender Prozess, bei dem wertvolle Rohstoffe ungenutzt bleiben. Um die Recyclingquote von CFK zu steigern, hochwertige Sekundärrohstoffe bereitzustellen und einen geschlossenen Materialkreislauf für CFK zu etablieren, müssen neue Recyclingtechnologien entwickelt werden. Hier setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Forschungsvorhaben Infinity an.
Ziel
Das Forschungsteam verfolgt das Ziel, CFK nachhaltig und wirtschaftlich zu recyceln und den Einsatz von Primärmaterial drastisch zu reduzieren. Hierzu etablieren die Forschenden ein Kreislaufsystem, in dem recycelte Carbonfasern (rCF) aus CFK-Abfällen wiedergewonnen und zu textilen Halbzeugen verarbeitet werden. Diese Materialien sollen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Primärmaterial bieten – jedoch mit einem Bruchteil des Energie- und Ressourcenaufwands. Mit eigens entwickelten Technologien wollen die Forschenden dabei nicht nur die Faser selbst, sondern auch das Pyrolyseöl – ein Nebenprodukt des Recyclingprozesses – weiterverwerten. Mit diesem ganzheitlichen Ansatz möchte das Team CO₂-Emissionen entlang der gesamten Prozesskette maßgeblich senken. Die erzeugten Materialien sind zudem nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch kosteneffizient, was ihre breite Anwendung in verschiedenen Branchen, etwa der Luftfahrt, dem Automobilbau oder dem Windenergieanlagenbau ermöglicht.
Das Forschungsteam verfolgt das Ziel, CFK nachhaltig und wirtschaftlich zu recyceln und den Einsatz von Primärmaterial drastisch zu reduzieren. Hierzu etablieren die Forschenden ein Kreislaufsystem, in dem recycelte Carbonfasern (rCF) aus CFK-Abfällen wiedergewonnen und zu textilen Halbzeugen verarbeitet werden. Diese Materialien sollen die gleichen mechanischen Eigenschaften wie Primärmaterial bieten – jedoch mit einem Bruchteil des Energie- und Ressourcenaufwands. Mit eigens entwickelten Technologien wollen die Forschenden dabei nicht nur die Faser selbst, sondern auch das Pyrolyseöl – ein Nebenprodukt des Recyclingprozesses – weiterverwerten. Mit diesem ganzheitlichen Ansatz möchte das Team CO₂-Emissionen entlang der gesamten Prozesskette maßgeblich senken. Die erzeugten Materialien sind zudem nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch kosteneffizient, was ihre breite Anwendung in verschiedenen Branchen, etwa der Luftfahrt, dem Automobilbau oder dem Windenergieanlagenbau ermöglicht.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt zunächst eine neuartige Pyrolyse-Pilotanlage, in der recycelte Carbonfasern in hoher Qualität rückgewonnen und das entstehende Pyrolyseöl zur stofflichen Verwertung aufbereitet werden. Parallel entwickeln die Forschenden eine textiltechnische Verarbeitungslinie, die CFK-Abfälle in hochwertige Zwischenprodukte in Form von unidirektionalen Tapes umwandelt. Diese Materialien erproben sie in industriellen Prozessen, um ihre Eignung für hochleistungsfähige Anwendungen nachzuweisen. Mit einer begleitenden Lebenszyklusanalyse stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem sicher, dass die angestrebten CO₂-Einsparungen messbar sind.
Die entwickelten Infinity-Tapes erreichen etwa 88 Prozent der Zugfestigkeit und des E-Moduls – dieser Wert gibt an, wie stark sich ein Material unter Spannung verformt – eines vergleichbaren Neufaserprodukts. Zudem zeigt die Lebenszyklusanalyse eine Reduktion des Treibhausgaspotentials von bis zu 66 Prozent abhängig von der Wahl der Recyclingfaser. Das Projekt leistet somit einen wichtigen Beitrag zur echten Substitution von Neufaser-CFK anstelle des Downcyclings zu schwach orientierten Materialien und dem damit verbundenen Verlust an mechanischen Eigenschaften.
Das Projektteam entwickelt zunächst eine neuartige Pyrolyse-Pilotanlage, in der recycelte Carbonfasern in hoher Qualität rückgewonnen und das entstehende Pyrolyseöl zur stofflichen Verwertung aufbereitet werden. Parallel entwickeln die Forschenden eine textiltechnische Verarbeitungslinie, die CFK-Abfälle in hochwertige Zwischenprodukte in Form von unidirektionalen Tapes umwandelt. Diese Materialien erproben sie in industriellen Prozessen, um ihre Eignung für hochleistungsfähige Anwendungen nachzuweisen. Mit einer begleitenden Lebenszyklusanalyse stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem sicher, dass die angestrebten CO₂-Einsparungen messbar sind.
Die entwickelten Infinity-Tapes erreichen etwa 88 Prozent der Zugfestigkeit und des E-Moduls – dieser Wert gibt an, wie stark sich ein Material unter Spannung verformt – eines vergleichbaren Neufaserprodukts. Zudem zeigt die Lebenszyklusanalyse eine Reduktion des Treibhausgaspotentials von bis zu 66 Prozent abhängig von der Wahl der Recyclingfaser. Das Projekt leistet somit einen wichtigen Beitrag zur echten Substitution von Neufaser-CFK anstelle des Downcyclings zu schwach orientierten Materialien und dem damit verbundenen Verlust an mechanischen Eigenschaften.
InMaGie
Magnesium-Druckgussbehälter länger haltbar: Innenbeschichtung reduziert Verschleiß
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
31.10.24
Anwendung:
Material:
Magnesium
Hintergrund
Der Warmkammer-Druckguss ist ein bewährtes Verfahren für die Massenproduktion von Gussteilen. Besonders Magnesium bietet großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, da es deutlich leichter als Aluminium ist. Doch der Einsatz in der Industrie bleibt begrenzt. Der Grund: Die stark beanspruchten Gießbehälter verschleißen schnell. Nach etwa 80.000 bis 100.000 Schuss müssen sie überarbeitet oder ersetzt werden. Eine Nachbearbeitung – etwa das Vergrößern des Innendurchmessers – erfordert den Austausch von Kolben und Dichtkomponenten.
Diese Anpassungen verändern die Füllparameter, was die Prozesssicherheit mindert und zu erhöhtem Ausschuss führt. Frühere Ansätze, wie der Einbau austauschbarer Verschleißteile oder konventionelle Innenbeschichtungen, scheiterten an Undichtigkeiten und Rissbildungen, bedingt durch die eingeschränkte Schweißbarkeit des Werkstoffs.
Der Warmkammer-Druckguss ist ein bewährtes Verfahren für die Massenproduktion von Gussteilen. Besonders Magnesium bietet großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, da es deutlich leichter als Aluminium ist. Doch der Einsatz in der Industrie bleibt begrenzt. Der Grund: Die stark beanspruchten Gießbehälter verschleißen schnell. Nach etwa 80.000 bis 100.000 Schuss müssen sie überarbeitet oder ersetzt werden. Eine Nachbearbeitung – etwa das Vergrößern des Innendurchmessers – erfordert den Austausch von Kolben und Dichtkomponenten.
Diese Anpassungen verändern die Füllparameter, was die Prozesssicherheit mindert und zu erhöhtem Ausschuss führt. Frühere Ansätze, wie der Einbau austauschbarer Verschleißteile oder konventionelle Innenbeschichtungen, scheiterten an Undichtigkeiten und Rissbildungen, bedingt durch die eingeschränkte Schweißbarkeit des Werkstoffs.
Ziel
Im Forschungsprojekt InMaGie entwickelt das Projektteam eine neue Prozesskette für die Innenbeschichtung von Magnesium-Druckgussbehältern. Ziel ist es, die Standzeit der Behälter auf über 120.000 Schuss zu erhöhen und eine Wiederaufbereitung verschlissener Komponenten zu ermöglichen. Die Forschenden setzen dafür auf das so genannte EHLA-Verfahren, kurz für Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Dies ist ein additives Fertigungsverfahren, das schmelzmetallurgisch hochbeständige Beschichtungslegierungen – etwa kobaltbasiert – aufträgt.
Eine abgestimmte Wärmebehandlung und ergänzende Plasmanitrierung, also die Härtung der Randschicht durch Anreicherung mit Stickstoff, sichern die dauerhafte Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat. Durch die gesteigerte Lebensdauer sinkt der Materialverbrauch, und es werden signifikant CO₂-Emissionen reduziert. Mit dieser verbesserten Technik will das Projektteam den Magnesiumdruckguss auch für kostenintensive Branchen wie Automobil- und Luftfahrtindustrie wirtschaftlich machen.
Im Forschungsprojekt InMaGie entwickelt das Projektteam eine neue Prozesskette für die Innenbeschichtung von Magnesium-Druckgussbehältern. Ziel ist es, die Standzeit der Behälter auf über 120.000 Schuss zu erhöhen und eine Wiederaufbereitung verschlissener Komponenten zu ermöglichen. Die Forschenden setzen dafür auf das so genannte EHLA-Verfahren, kurz für Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Dies ist ein additives Fertigungsverfahren, das schmelzmetallurgisch hochbeständige Beschichtungslegierungen – etwa kobaltbasiert – aufträgt.
Eine abgestimmte Wärmebehandlung und ergänzende Plasmanitrierung, also die Härtung der Randschicht durch Anreicherung mit Stickstoff, sichern die dauerhafte Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat. Durch die gesteigerte Lebensdauer sinkt der Materialverbrauch, und es werden signifikant CO₂-Emissionen reduziert. Mit dieser verbesserten Technik will das Projektteam den Magnesiumdruckguss auch für kostenintensive Branchen wie Automobil- und Luftfahrtindustrie wirtschaftlich machen.
Vorgehen
Das Projektteam optimiert zunächst das EHLA-Verfahren, indem es Parameter wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Materialauftrag exakt abstimmt. In iterativen Versuchsreihen fertigen die Forschenden Prototypen mit unterschiedlichen Beschichtungslegierungen. Anschließend integrieren sie gezielte Wärmebehandlungen und Plasmanitrierung, um die metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Behälter zu stärken.
Detaillierte Materialanalysen und kontinuierliche Tests fließen in die Optimierung der gesamten Prozesskette ein. Die gewonnenen Ergebnisse bilden die Basis für eine industrielle Umsetzung und den breiteren Einsatz des Magnesiumdruckgusses in anspruchsvollen Anwendungen.
Das Projektteam optimiert zunächst das EHLA-Verfahren, indem es Parameter wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Materialauftrag exakt abstimmt. In iterativen Versuchsreihen fertigen die Forschenden Prototypen mit unterschiedlichen Beschichtungslegierungen. Anschließend integrieren sie gezielte Wärmebehandlungen und Plasmanitrierung, um die metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Behälter zu stärken.
Detaillierte Materialanalysen und kontinuierliche Tests fließen in die Optimierung der gesamten Prozesskette ein. Die gewonnenen Ergebnisse bilden die Basis für eine industrielle Umsetzung und den breiteren Einsatz des Magnesiumdruckgusses in anspruchsvollen Anwendungen.
InPeiro
Funktionsintegrierte Bauteile für den Möbelbau: Ressourcen schonen, Recycling ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.06.22
Ende
31.07.25
Anwendung:
Material:
Holz, Stahl
Hintergrund
Der Bedarf an ressourcenschonenden, energieeffizienten und kreislauffähigen Produkten wächst branchenübergreifend. Auch Unternehmen im Möbel- und Innenausbau stehen vor der Herausforderung, moderne, nachhaltige Materialien mit innovativen Fertigungstechniken zu kombinieren. Aktuell dominieren in der Branche herkömmliche Holzwerkstoffe wie Span- und Faserplatten. Dreh- und Schiebtüren oder Klappen werden über raumgreifende, materialintensive Metallbeschläge realisiert, die auf der Innenseite des Möbels mit den Plattenwerkstoffen verschraubt werden.
Eine vielversprechende Lösung ist die direkte Integration der Beschlagtechnik in das Möbelbauteil. Dadurch entsteht ein plattenförmiges Leichtbauteil mit erhöhter Festigkeit, wodurch der Materialeinsatz erheblich reduziert und die Recyclingfähigkeit der Produkte verbessert wird. Durch den Verzicht auf externe Metallbeschläge wird die Wiederverwertbarkeit der Bauteile erheblich erleichtert. Gleichzeitig müssen sowohl die mechanischen Anforderungen als auch die Ästhetik der Möbel berücksichtigt werden. Hier setzen die Forschenden im Projekt InPeiro an.
Der Bedarf an ressourcenschonenden, energieeffizienten und kreislauffähigen Produkten wächst branchenübergreifend. Auch Unternehmen im Möbel- und Innenausbau stehen vor der Herausforderung, moderne, nachhaltige Materialien mit innovativen Fertigungstechniken zu kombinieren. Aktuell dominieren in der Branche herkömmliche Holzwerkstoffe wie Span- und Faserplatten. Dreh- und Schiebtüren oder Klappen werden über raumgreifende, materialintensive Metallbeschläge realisiert, die auf der Innenseite des Möbels mit den Plattenwerkstoffen verschraubt werden.
Eine vielversprechende Lösung ist die direkte Integration der Beschlagtechnik in das Möbelbauteil. Dadurch entsteht ein plattenförmiges Leichtbauteil mit erhöhter Festigkeit, wodurch der Materialeinsatz erheblich reduziert und die Recyclingfähigkeit der Produkte verbessert wird. Durch den Verzicht auf externe Metallbeschläge wird die Wiederverwertbarkeit der Bauteile erheblich erleichtert. Gleichzeitig müssen sowohl die mechanischen Anforderungen als auch die Ästhetik der Möbel berücksichtigt werden. Hier setzen die Forschenden im Projekt InPeiro an.
Ziel
Die Projektbeteiligten entwickeln Sandwichleichtbauteile (PANELS), die nicht nur die strukturellen Funktionen im Möbelbau erfüllen, sondern auch mechanische Funktionen wie Beschläge für Tür- und Klappenöffnungen integrieren. Durch Vollintegration der Beschlagtechnik als funktionale, statisch wirksame Kernstruktur eines Sandwichbauteils entsteht eine Technologieplattform, die das Potenzial besitzt, weitere Technikelemente und Smart Home Devices aufzunehmen. So kann der Materialeinsatz deutlich reduziert und die Recyclingfähigkeit verbessert werden.
Die Forschenden testen die Technologie zunächst für den Möbelbau; perspektivisch soll sie aber auch auf andere Branchen wie den Fahrzeug-, Boots- oder Luftfahrtbau übertragbar sein. Langfristig soll die entwickelte Technologie Marktreife erreichen und damit zu einer effizienten, umweltfreundlichen und kostengünstigen Produktion von Möbeln und ähnlichen Produkten beitragen.
Die Projektbeteiligten entwickeln Sandwichleichtbauteile (PANELS), die nicht nur die strukturellen Funktionen im Möbelbau erfüllen, sondern auch mechanische Funktionen wie Beschläge für Tür- und Klappenöffnungen integrieren. Durch Vollintegration der Beschlagtechnik als funktionale, statisch wirksame Kernstruktur eines Sandwichbauteils entsteht eine Technologieplattform, die das Potenzial besitzt, weitere Technikelemente und Smart Home Devices aufzunehmen. So kann der Materialeinsatz deutlich reduziert und die Recyclingfähigkeit verbessert werden.
Die Forschenden testen die Technologie zunächst für den Möbelbau; perspektivisch soll sie aber auch auf andere Branchen wie den Fahrzeug-, Boots- oder Luftfahrtbau übertragbar sein. Langfristig soll die entwickelte Technologie Marktreife erreichen und damit zu einer effizienten, umweltfreundlichen und kostengünstigen Produktion von Möbeln und ähnlichen Produkten beitragen.
Vorgehen
Das Projektteam erarbeitet zunächst ein Konzept, das eine vollständig integrierte Beschlagtechnik ermöglicht. Dabei arbeiten die Forschenden an der Entwicklung von Verbindungs- und Fügeverfahren, die die mechanische Funktion der Beschläge im Sandwichkern sicherstellen.
Im nächsten Schritt fertigen die Beteiligten Prototypen und testen diese auf ihre Praxistauglichkeit. Dabei untersuchen sie auch die Materialeigenschaften und entwickeln Techniken zur sicheren und nachhaltigen Verbindung der Deckschichten.
Um die Technologie auch im industriellen Maßstab einsetzen zu können, entwickelt das Team eine spezielle Fertigungsmaschine, die eine teilautomatisierte Produktion ermöglicht. Parallel dazu führen sie ökologische Bewertungen der neuen Bauteile durch, um das CO₂-Einsparpotenzial und die Ressourceneffizienz der neuen Technologie zu ermitteln.
Das Projektteam erarbeitet zunächst ein Konzept, das eine vollständig integrierte Beschlagtechnik ermöglicht. Dabei arbeiten die Forschenden an der Entwicklung von Verbindungs- und Fügeverfahren, die die mechanische Funktion der Beschläge im Sandwichkern sicherstellen.
Im nächsten Schritt fertigen die Beteiligten Prototypen und testen diese auf ihre Praxistauglichkeit. Dabei untersuchen sie auch die Materialeigenschaften und entwickeln Techniken zur sicheren und nachhaltigen Verbindung der Deckschichten.
Um die Technologie auch im industriellen Maßstab einsetzen zu können, entwickelt das Team eine spezielle Fertigungsmaschine, die eine teilautomatisierte Produktion ermöglicht. Parallel dazu führen sie ökologische Bewertungen der neuen Bauteile durch, um das CO₂-Einsparpotenzial und die Ressourceneffizienz der neuen Technologie zu ermitteln.
inProAdd
3D-Beton-Druck optimieren: Intelligente Prozesssteuerung für höhere Bauteilqualität
Förderlaufzeit:
Start
01.03.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Mörtel)
Hintergrund
Die Bauindustrie steht vor vielfältigen Herausforderungen: Komplexe Gebäudeformen, steigende Anforderungen an Ressourceneffizienz und die Notwendigkeit, Emissionen zu senken, erfordern neue Ansätze in der Bauteilherstellung. Additive Fertigungsverfahren – insbesondere der extrusionsbasierte 3D-Druck von Betonbauteilen – gelten als vielversprechende Lösung. Bei der Extrusion wird ein Material – wie etwa Mörtel oder Beton – unter Druck durch eine Düse gepresst. Dabei entsteht ein kontinuierlicher Strang, der Schicht für Schicht aufgebaut wird, um ein Bauteil zu formen. Das ermöglicht formoptimierte, materialeffiziente Konstruktionen ohne den aufwendigen Einsatz von Schalungen.
Allerdings bringt der 3D-Druck mit Beton auch technische Herausforderungen mit sich: Der Frischmörtel muss nicht nur gut fließen, sondern nach dem Austritt aus der Düse schnell erstarren und stabile Schichten bilden. Inhomogenitäten im Material sowie Geometrieabweichungen können die Qualität der Bauteile gefährden. Daher ist eine präzise Überwachung und Steuerung des gesamten Druckprozesses nötig, um belastbare, normgerechte Bauteile herstellen zu können und die additive Fertigung in die industrielle Praxis zu überführen.
Die Bauindustrie steht vor vielfältigen Herausforderungen: Komplexe Gebäudeformen, steigende Anforderungen an Ressourceneffizienz und die Notwendigkeit, Emissionen zu senken, erfordern neue Ansätze in der Bauteilherstellung. Additive Fertigungsverfahren – insbesondere der extrusionsbasierte 3D-Druck von Betonbauteilen – gelten als vielversprechende Lösung. Bei der Extrusion wird ein Material – wie etwa Mörtel oder Beton – unter Druck durch eine Düse gepresst. Dabei entsteht ein kontinuierlicher Strang, der Schicht für Schicht aufgebaut wird, um ein Bauteil zu formen. Das ermöglicht formoptimierte, materialeffiziente Konstruktionen ohne den aufwendigen Einsatz von Schalungen.
Allerdings bringt der 3D-Druck mit Beton auch technische Herausforderungen mit sich: Der Frischmörtel muss nicht nur gut fließen, sondern nach dem Austritt aus der Düse schnell erstarren und stabile Schichten bilden. Inhomogenitäten im Material sowie Geometrieabweichungen können die Qualität der Bauteile gefährden. Daher ist eine präzise Überwachung und Steuerung des gesamten Druckprozesses nötig, um belastbare, normgerechte Bauteile herstellen zu können und die additive Fertigung in die industrielle Praxis zu überführen.
Ziel
Das Team im Projekt inProAdd entwickelt eine intelligente Prozessüberwachung und -steuerung für das extrusionsbasierte 3D-Drucken von Beton. Ziel ist es, die Qualität der gedruckten Bauteile durch eine kontinuierliche Überwachung und automatisierte Anpassung während des Druckprozesses erheblich zu steigern. Die Forschenden wollen die Eigenschaften des Frischmörtels, die Maßhaltigkeit und die physikalischen Eigenschaften der Schichten in Echtzeit erfassen und analysieren. Bei Abweichungen sollen die Prozessparameter sofort angepasst werden, etwa durch Änderung der Mörtelzusammensetzung oder der Extrusionsgeschwindigkeit. Mit dieser innovativen Prozesssteuerung wollen die Forschenden den 3D-Druck von Beton stabiler und zuverlässiger machen, um ihn für die Serienproduktion tauglich zu machen.
Das Team im Projekt inProAdd entwickelt eine intelligente Prozessüberwachung und -steuerung für das extrusionsbasierte 3D-Drucken von Beton. Ziel ist es, die Qualität der gedruckten Bauteile durch eine kontinuierliche Überwachung und automatisierte Anpassung während des Druckprozesses erheblich zu steigern. Die Forschenden wollen die Eigenschaften des Frischmörtels, die Maßhaltigkeit und die physikalischen Eigenschaften der Schichten in Echtzeit erfassen und analysieren. Bei Abweichungen sollen die Prozessparameter sofort angepasst werden, etwa durch Änderung der Mörtelzusammensetzung oder der Extrusionsgeschwindigkeit. Mit dieser innovativen Prozesssteuerung wollen die Forschenden den 3D-Druck von Beton stabiler und zuverlässiger machen, um ihn für die Serienproduktion tauglich zu machen.
Vorgehen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bauen zunächst einen speziell konzipierten Versuchsstand auf, der den gesamten 3D-Druckprozess realitätsnah abbildet. Hier testen sie unterschiedliche Mörtelmischungen und Prozessparameter mit zerstörungsfreien Prüftechniken. Während des Druckvorgangs erfassen Sensoren kontinuierlich relevante Daten, wie etwa das Fließverhalten des Mörtels und Abweichungen in der Schichtgeometrie. Eine eigens entwickelte intelligente Steuerung gleicht diese Daten mit Sollwerten ab und passt die Prozessführung automatisch an, etwa durch Variation der Materialzufuhr oder Druckgeschwindigkeit. Das Projektteam nutzt bestehende Open-Source-Softwarelösungen der additiven Fertigung und erweitert diese um baustoffspezifische Anforderungen. Abschließend erprobt und validiert das Team die Leistungsfähigkeit der entwickelten Technologie an einem Demonstrator: Eine Wandstruktur wird mehrfach gedruckt, um zu zeigen, dass sich der Prozess zuverlässig wiederholen lässt. Dabei überprüfen die Forschenden, ob die intelligente Prozesssteuerung gleichbleibend hohe Bauteilqualität ermöglicht.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bauen zunächst einen speziell konzipierten Versuchsstand auf, der den gesamten 3D-Druckprozess realitätsnah abbildet. Hier testen sie unterschiedliche Mörtelmischungen und Prozessparameter mit zerstörungsfreien Prüftechniken. Während des Druckvorgangs erfassen Sensoren kontinuierlich relevante Daten, wie etwa das Fließverhalten des Mörtels und Abweichungen in der Schichtgeometrie. Eine eigens entwickelte intelligente Steuerung gleicht diese Daten mit Sollwerten ab und passt die Prozessführung automatisch an, etwa durch Variation der Materialzufuhr oder Druckgeschwindigkeit. Das Projektteam nutzt bestehende Open-Source-Softwarelösungen der additiven Fertigung und erweitert diese um baustoffspezifische Anforderungen. Abschließend erprobt und validiert das Team die Leistungsfähigkeit der entwickelten Technologie an einem Demonstrator: Eine Wandstruktur wird mehrfach gedruckt, um zu zeigen, dass sich der Prozess zuverlässig wiederholen lässt. Dabei überprüfen die Forschenden, ob die intelligente Prozesssteuerung gleichbleibend hohe Bauteilqualität ermöglicht.
KANAL
Aluminium im Kreislauf führen: sortenreine Neuschrottaufbereitung mit Laserspektroskopie
Förderlaufzeit:
Start
01.05.23
Ende
30.04.26
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Aluminium ist ein Schlüsselwerkstoff für viele Industrien, insbesondere im Automobilbau. Doch die Herstellung ist energieintensiv, und die weltweite Nachfrage steigt stetig. Recycling kann den Bedarf an Primäraluminium senken und die CO₂-Emissionen erheblich reduzieren. Allerdings stoßen bestehende Prozesse zum Aluminium-Recycling an Grenzen: Besonders herausfordernd ist die Rückführung von Aluminium-Neuschrotten – also in der Produktion anfallenden Abfällen – aus der Automobilindustrie in hochwertige Legierungen. So fallen etwa beim Stanzen von Karosserie- und Strukturbauteilen 30 bis 50 Prozent des eingesetzten Aluminiums als Schrott an. Aktuell werden viele dieser Schrotte vermischt. Da die unterschiedlichen verwendeten Legierungen optisch und in ihrer Dichte sehr ähnlich sind, konnten sie bisher nicht effizient getrennt werden, sodass sie nicht mehr für anspruchsvolle Anwendungen genutzt werden. In der Folge fließen sie in minderwertigere Produkte. Gleichzeitig werden große Mengen Aluminium-Neuschrott exportiert, anstatt sie in Deutschland erneut einzusetzen. Hier setzt das Forschungsprojekt KANAL mit der Entwicklung einer geschlossenen Recycling-Prozesskette an.
Aluminium ist ein Schlüsselwerkstoff für viele Industrien, insbesondere im Automobilbau. Doch die Herstellung ist energieintensiv, und die weltweite Nachfrage steigt stetig. Recycling kann den Bedarf an Primäraluminium senken und die CO₂-Emissionen erheblich reduzieren. Allerdings stoßen bestehende Prozesse zum Aluminium-Recycling an Grenzen: Besonders herausfordernd ist die Rückführung von Aluminium-Neuschrotten – also in der Produktion anfallenden Abfällen – aus der Automobilindustrie in hochwertige Legierungen. So fallen etwa beim Stanzen von Karosserie- und Strukturbauteilen 30 bis 50 Prozent des eingesetzten Aluminiums als Schrott an. Aktuell werden viele dieser Schrotte vermischt. Da die unterschiedlichen verwendeten Legierungen optisch und in ihrer Dichte sehr ähnlich sind, konnten sie bisher nicht effizient getrennt werden, sodass sie nicht mehr für anspruchsvolle Anwendungen genutzt werden. In der Folge fließen sie in minderwertigere Produkte. Gleichzeitig werden große Mengen Aluminium-Neuschrott exportiert, anstatt sie in Deutschland erneut einzusetzen. Hier setzt das Forschungsprojekt KANAL mit der Entwicklung einer geschlossenen Recycling-Prozesskette an.
Ziel
Das Projektteam arbeitet daran, ein effizientes Kreislaufsystem für gemischte Aluminium-Neuschrotte zu etablieren. Die Beteiligten wollen Schrotte aus der Automobilproduktion so sortieren und sortenrein aufbereiten, dass sie erneut für hochwertige Leichtbauanwendungen in der Produktion eingesetzt werden können – etwa für Karosserie- und Strukturteile. Die Forschenden nutzen hierzu die innovative LIPS-Technologie (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie), mit der sich unterschiedliche Aluminiumlegierungen präzise identifizieren und trennen lassen. Über die Technologieentwicklung hinaus untersuchen die Forschenden auch die wirtschaftlichen Potenziale und mögliche CO₂-Einsparungen des Verfahrens. Zudem prüfen sie, wie sich der Ansatz auf weitere Branchen wie die Luftfahrt oder das Bauwesen übertragen lässt.
Das Projektteam arbeitet daran, ein effizientes Kreislaufsystem für gemischte Aluminium-Neuschrotte zu etablieren. Die Beteiligten wollen Schrotte aus der Automobilproduktion so sortieren und sortenrein aufbereiten, dass sie erneut für hochwertige Leichtbauanwendungen in der Produktion eingesetzt werden können – etwa für Karosserie- und Strukturteile. Die Forschenden nutzen hierzu die innovative LIPS-Technologie (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie), mit der sich unterschiedliche Aluminiumlegierungen präzise identifizieren und trennen lassen. Über die Technologieentwicklung hinaus untersuchen die Forschenden auch die wirtschaftlichen Potenziale und mögliche CO₂-Einsparungen des Verfahrens. Zudem prüfen sie, wie sich der Ansatz auf weitere Branchen wie die Luftfahrt oder das Bauwesen übertragen lässt.
Vorgehen
Um eine geschlossene Recycling-Kette zu ermöglichen, analysieren die Forschenden zunächst die Anforderungen entlang des gesamten Prozesses – von der Schrottentstehung über die Sortierung bis zur Wiederverwertung. Anschließend testen und optimieren sie die LIPS-Technologie in einer Demonstrationsanlage unter realen Bedingungen. Dabei arbeiten sie mit industriellen Materialströmen, um die praktische Anwendbarkeit sicherzustellen. Das System nutzt 3D-Objekterkennung, um die Form, Höhe und Position des Materials zu bestimmen und präzise zu analysieren. Auch überlappende oder unregelmäßig geformte Aluminiumteile lassen sich so exakt identifizieren und sortieren. Dadurch erreicht das System eine Sortiergenauigkeit von über 95 Prozent, wodurch das Aluminium ohne Qualitätsverlust wiederverwendet werden kann.
Parallel dazu bewertet das Team die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen des Verfahrens, um es langfristig nachhaltig und marktfähig zu gestalten. Abschließend untersuchen die Forschenden, wie sich die Technologie auch für andere Industriezweige nutzen lässt. Ziel ist es, den Recyclingprozess so weiterzuentwickeln, dass hochwertiges Aluminium zukünftig ressourcenschonend im Kreislauf geführt werden kann.
Um eine geschlossene Recycling-Kette zu ermöglichen, analysieren die Forschenden zunächst die Anforderungen entlang des gesamten Prozesses – von der Schrottentstehung über die Sortierung bis zur Wiederverwertung. Anschließend testen und optimieren sie die LIPS-Technologie in einer Demonstrationsanlage unter realen Bedingungen. Dabei arbeiten sie mit industriellen Materialströmen, um die praktische Anwendbarkeit sicherzustellen. Das System nutzt 3D-Objekterkennung, um die Form, Höhe und Position des Materials zu bestimmen und präzise zu analysieren. Auch überlappende oder unregelmäßig geformte Aluminiumteile lassen sich so exakt identifizieren und sortieren. Dadurch erreicht das System eine Sortiergenauigkeit von über 95 Prozent, wodurch das Aluminium ohne Qualitätsverlust wiederverwendet werden kann.
Parallel dazu bewertet das Team die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen des Verfahrens, um es langfristig nachhaltig und marktfähig zu gestalten. Abschließend untersuchen die Forschenden, wie sich die Technologie auch für andere Industriezweige nutzen lässt. Ziel ist es, den Recyclingprozess so weiterzuentwickeln, dass hochwertiges Aluminium zukünftig ressourcenschonend im Kreislauf geführt werden kann.
KeraSchaum
Schaumkeramiken für den Leichtbau: wirtschaftlich fertigen, Porosität steuern
Förderlaufzeit:
Start
01.04.22
Ende
30.09.25
Anwendung:
Material:
Oxidische Keramiken, Ultra-Hochtemperatur-Keramiken
Hintergrund
Keramische Werkstoffe widerstehen hohen Temperaturen, Chemikalien, Korrosion und mechanischen Belastungen. Doch ihr Einsatz ist häufig eingeschränkt – vor allem wegen ihres hohen Gewichts, ihrer Sprödigkeit und des energieaufwendigen Herstellungsprozesses. Diese Nachteile machen keramische Werkstoffe teuer und für viele Anwendungen wenig flexibel.
Gleichzeitig wächst in vielen Branchen der Bedarf an leichten, belastbaren Werkstoffen – etwa in der E-Mobilität, der Filtertechnik und thermisch beanspruchten Baugruppen. Schaumkeramiken bieten hier großes Potenzial: Sie kombinieren die Vorteile keramischer Werkstoffe mit deutlich verringertem Gewicht und können durch gezielt einstellbare Porenstrukturen an spezifische Anwendungen angepasst werden. Der Leichtbaugedanke spielt dabei eine Schlüsselrolle – denn weniger Masse bedeutet geringeren Energieeinsatz, sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb. Hier setzt das Projekt KeraSchaum an.
Keramische Werkstoffe widerstehen hohen Temperaturen, Chemikalien, Korrosion und mechanischen Belastungen. Doch ihr Einsatz ist häufig eingeschränkt – vor allem wegen ihres hohen Gewichts, ihrer Sprödigkeit und des energieaufwendigen Herstellungsprozesses. Diese Nachteile machen keramische Werkstoffe teuer und für viele Anwendungen wenig flexibel.
Gleichzeitig wächst in vielen Branchen der Bedarf an leichten, belastbaren Werkstoffen – etwa in der E-Mobilität, der Filtertechnik und thermisch beanspruchten Baugruppen. Schaumkeramiken bieten hier großes Potenzial: Sie kombinieren die Vorteile keramischer Werkstoffe mit deutlich verringertem Gewicht und können durch gezielt einstellbare Porenstrukturen an spezifische Anwendungen angepasst werden. Der Leichtbaugedanke spielt dabei eine Schlüsselrolle – denn weniger Masse bedeutet geringeren Energieeinsatz, sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb. Hier setzt das Projekt KeraSchaum an.
Ziel
Die Forschenden im Projekt KeraSchaum wollen eine wirtschaftliche, durchgängige Prozesskette zur Herstellung poröser Schaumkeramiken entwickeln. Ziel ist es, keramische Strukturen mit einstellbarer Porosität herzustellen. Grundlage bildet ein thermoplastischer Feedstock – eine verarbeitungsfähige Materialmischung aus keramischen Partikeln, schäumbarem Füllstoff und Kunststoffmatrix. Daraus will das Team mechanisch stabile, formgenaue und funktional anpassbare Bauteile fertigen.
Darüber hinaus zielt das Projekt auf die Bearbeitbarkeit in verschiedenen Fertigungszuständen: Im Grünzustand liegt der Formkörper noch mit Kunststoffanteilen vor und ist gut mechanisch bearbeitbar; im Weißzustand ist der Kunststoff entfernt, der Körper gesintert, aber noch nicht endgültig gehärtet. Die Forschenden wollen geeignete Bearbeitungsverfahren für beide Stadien entwickeln und bionisch inspirierte Porenstrukturen integrieren, um die Festigkeit weiter zu verbessern. Abschließend sollen Demonstratoren für konkrete Anwendungsfelder entstehen – etwa für Filter, Katalysatorträger oder Brennunterlagen. Dabei stehen eine messbare Reduktion des Materialeinsatzes und der CO₂-Emissionen im Fokus.
Die Forschenden im Projekt KeraSchaum wollen eine wirtschaftliche, durchgängige Prozesskette zur Herstellung poröser Schaumkeramiken entwickeln. Ziel ist es, keramische Strukturen mit einstellbarer Porosität herzustellen. Grundlage bildet ein thermoplastischer Feedstock – eine verarbeitungsfähige Materialmischung aus keramischen Partikeln, schäumbarem Füllstoff und Kunststoffmatrix. Daraus will das Team mechanisch stabile, formgenaue und funktional anpassbare Bauteile fertigen.
Darüber hinaus zielt das Projekt auf die Bearbeitbarkeit in verschiedenen Fertigungszuständen: Im Grünzustand liegt der Formkörper noch mit Kunststoffanteilen vor und ist gut mechanisch bearbeitbar; im Weißzustand ist der Kunststoff entfernt, der Körper gesintert, aber noch nicht endgültig gehärtet. Die Forschenden wollen geeignete Bearbeitungsverfahren für beide Stadien entwickeln und bionisch inspirierte Porenstrukturen integrieren, um die Festigkeit weiter zu verbessern. Abschließend sollen Demonstratoren für konkrete Anwendungsfelder entstehen – etwa für Filter, Katalysatorträger oder Brennunterlagen. Dabei stehen eine messbare Reduktion des Materialeinsatzes und der CO₂-Emissionen im Fokus.
Vorgehen
Im ersten Schritt formulieren die Forschenden den keramisch gefüllten Feedstock und optimieren seine Verarbeitbarkeit. Anschließend entwickeln sie Werkzeuge und Verfahren, um das Material unter kontrollierten Bedingungen in definierte Geometrien zu überführen – darunter profilierte Platten oder Stäbe. Einen Schwerpunkt legen sie auf die Gestaltung und Steuerung der Porenstruktur sowie die Entwicklung geeigneter Schäumverfahren.
In den Prozessstufen Grün- und Weißbearbeitung untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spanende und laserbasierte Verfahren, um die Formgebung zu verfeinern. Die Integration bionischer Strukturprinzipien unterstützt dabei die mechanische Stabilität. Abschließend fertigt das Team Demonstratoren, um die Technologie in Bezug auf Bauteileigenschaften sowie CO₂-Einsparpotenzial – etwa durch reduzierte Sintermasse und geringeren Energiebedarf – zu erproben.
Im ersten Schritt formulieren die Forschenden den keramisch gefüllten Feedstock und optimieren seine Verarbeitbarkeit. Anschließend entwickeln sie Werkzeuge und Verfahren, um das Material unter kontrollierten Bedingungen in definierte Geometrien zu überführen – darunter profilierte Platten oder Stäbe. Einen Schwerpunkt legen sie auf die Gestaltung und Steuerung der Porenstruktur sowie die Entwicklung geeigneter Schäumverfahren.
In den Prozessstufen Grün- und Weißbearbeitung untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler spanende und laserbasierte Verfahren, um die Formgebung zu verfeinern. Die Integration bionischer Strukturprinzipien unterstützt dabei die mechanische Stabilität. Abschließend fertigt das Team Demonstratoren, um die Technologie in Bezug auf Bauteileigenschaften sowie CO₂-Einsparpotenzial – etwa durch reduzierte Sintermasse und geringeren Energiebedarf – zu erproben.
KoLibri
Leichtbau-Kühlsystem entwickeln für E-Antriebe: leistungsstärker und ressourcenschonend
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
28.02.25
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Aluminium, Sonstige (Galvanische Beschichtung mit Kupfer), Geschlossenporig, Offenporig
Hintergrund
Mit dem Wandel der Mobilität hin zu elektrischen Antrieben steigt der Bedarf an effizientem Temperaturmanagement. Denn Elektromotoren und Leistungselektronik erzeugen im Betrieb erhebliche Verlustwärme. Aktuell verbaute Kühlkörper wie Aluminium-Pin-Fin- oder Flachrohrsysteme stoßen jedoch an ihre Grenzen – sie sind oft zu schwer, zu teuer oder zu groß. So schränken sie die Reichweite und Effizienz der E-Autos ein, weil sie viel Bauraum und Masse einnehmen.
Ein effizienter, leichter Kühler ist ein Schlüssel, um elektrische Antriebe leistungsfähiger, langlebiger und klimafreundlicher zu machen. Hier setzt das Projekt KoLibri an.
Mit dem Wandel der Mobilität hin zu elektrischen Antrieben steigt der Bedarf an effizientem Temperaturmanagement. Denn Elektromotoren und Leistungselektronik erzeugen im Betrieb erhebliche Verlustwärme. Aktuell verbaute Kühlkörper wie Aluminium-Pin-Fin- oder Flachrohrsysteme stoßen jedoch an ihre Grenzen – sie sind oft zu schwer, zu teuer oder zu groß. So schränken sie die Reichweite und Effizienz der E-Autos ein, weil sie viel Bauraum und Masse einnehmen.
Ein effizienter, leichter Kühler ist ein Schlüssel, um elektrische Antriebe leistungsfähiger, langlebiger und klimafreundlicher zu machen. Hier setzt das Projekt KoLibri an.
Ziel
Das Projektteam entwickelt Kühlmodule mit Leichtbauwerkstoffen. Die Partner streben eine Steigerung der Kühlerleistung von 20 bis 50 Prozent an. Alternativ soll bei gleicher Leistung das Bauteilgewicht um die Hälfte sinken. Um dies zu erreichen, setzen die Forschenden offen- und geschlossenzellige Metallschäume und metallisierte Kunststoffe ein. Diese Materialien leiten deutlich mehr Wärme ab.
Gleichzeitig will das Team die Fertigungskosten im Vergleich zu reinen 3D-Druckverfahren um bis zu 75 Prozent verringern, indem es günstige Feinguss- und Galvanikverfahren einsetzt. Außerdem entwickeln die Partner recyclinggerechte Bauweisen, die Materialströme schließen und Ressourcen schonen. So wollen sie die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus um rund 25 Prozent reduzieren.
Das Projektteam entwickelt Kühlmodule mit Leichtbauwerkstoffen. Die Partner streben eine Steigerung der Kühlerleistung von 20 bis 50 Prozent an. Alternativ soll bei gleicher Leistung das Bauteilgewicht um die Hälfte sinken. Um dies zu erreichen, setzen die Forschenden offen- und geschlossenzellige Metallschäume und metallisierte Kunststoffe ein. Diese Materialien leiten deutlich mehr Wärme ab.
Gleichzeitig will das Team die Fertigungskosten im Vergleich zu reinen 3D-Druckverfahren um bis zu 75 Prozent verringern, indem es günstige Feinguss- und Galvanikverfahren einsetzt. Außerdem entwickeln die Partner recyclinggerechte Bauweisen, die Materialströme schließen und Ressourcen schonen. So wollen sie die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus um rund 25 Prozent reduzieren.
Vorgehen
Die Forschenden beginnen mit virtuellen Strömungstests. In diesen CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) prüfen sie, wie Luft- oder Kühlflüssigkeit am besten durch die offenen Poren des Metallschaums fließt. Anschließend stellen die Partner erste Prototypen her: Entweder gießen sie flüssiges Aluminium in eine Form und entfernen das Wachsmodell, oder sie beschichten Kunststoffformen in einem Galvanikbad mit feinem Metallfilm.
Danach montieren sie die Schaumkühler direkt auf die Leistungsmodule – ohne klassische Kühlplatten. So verringern sie den Wärmewiderstand zwischen Halbleiterchips und Kühler. Parallel entwickeln sie Trennverfahren, um galvanisierte Schichten wieder sortenrein vom Metall zu lösen. Zuletzt bewertet das Team die Umwelt- und Kostenkennzahlen mit spezialisierter Software. Schon in frühen Entwurfsphasen erkennen die Partner so, welche Fertigungsschritte besonders energie- oder materialintensiv sind und passen das Design entsprechend an.
Die Forschenden beginnen mit virtuellen Strömungstests. In diesen CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) prüfen sie, wie Luft- oder Kühlflüssigkeit am besten durch die offenen Poren des Metallschaums fließt. Anschließend stellen die Partner erste Prototypen her: Entweder gießen sie flüssiges Aluminium in eine Form und entfernen das Wachsmodell, oder sie beschichten Kunststoffformen in einem Galvanikbad mit feinem Metallfilm.
Danach montieren sie die Schaumkühler direkt auf die Leistungsmodule – ohne klassische Kühlplatten. So verringern sie den Wärmewiderstand zwischen Halbleiterchips und Kühler. Parallel entwickeln sie Trennverfahren, um galvanisierte Schichten wieder sortenrein vom Metall zu lösen. Zuletzt bewertet das Team die Umwelt- und Kostenkennzahlen mit spezialisierter Software. Schon in frühen Entwurfsphasen erkennen die Partner so, welche Fertigungsschritte besonders energie- oder materialintensiv sind und passen das Design entsprechend an.
L3ICHTGLAS
Mit 3D-Druck gestalten: Fassadenelement aus Dünnglas mit biobasiertem Kunststoffkern
Förderlaufzeit:
Start
01.07.22
Ende
30.09.25
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Sonstige (Polysaccharide), Thermoplaste, Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Fassaden bestimmen nicht nur das Aussehen eines Gebäudes – sie beeinflussen auch, wie viel Wärme, Licht und Energie im Inneren ankommen. Verglaste Flächen lassen Tageslicht herein, helfen beim Heizen durch Sonneneinstrahlung und tragen dazu bei, die Wärme im Gebäude zu halten. Gleichzeitig steigt das Interesse an Fassadenelementen, die leicht, ressourcenschonend und vielseitig einsetzbar sind.
Besonders groß ist das Potenzial bei großflächigen Glasfassaden: Dünnglas und biobasierte Materialien eröffnen hier neue Möglichkeiten. Auch der 3D-Druck trägt dazu bei, komplexe Formen und Funktionen direkt in die Bauteile zu integrieren. Wie sich diese Ansätze verbinden lassen, um ein leistungsfähiges und nachhaltiges Fassadenelement zu entwickeln, untersuchen die Projektpartner im Forschungsprojekt L3ICHTGLAS.
Fassaden bestimmen nicht nur das Aussehen eines Gebäudes – sie beeinflussen auch, wie viel Wärme, Licht und Energie im Inneren ankommen. Verglaste Flächen lassen Tageslicht herein, helfen beim Heizen durch Sonneneinstrahlung und tragen dazu bei, die Wärme im Gebäude zu halten. Gleichzeitig steigt das Interesse an Fassadenelementen, die leicht, ressourcenschonend und vielseitig einsetzbar sind.
Besonders groß ist das Potenzial bei großflächigen Glasfassaden: Dünnglas und biobasierte Materialien eröffnen hier neue Möglichkeiten. Auch der 3D-Druck trägt dazu bei, komplexe Formen und Funktionen direkt in die Bauteile zu integrieren. Wie sich diese Ansätze verbinden lassen, um ein leistungsfähiges und nachhaltiges Fassadenelement zu entwickeln, untersuchen die Projektpartner im Forschungsprojekt L3ICHTGLAS.
Ziel
Die Projektpartner von L3ICHTGLAS entwickeln ein neuartiges Fassadenelement, das leicht, tragfähig, dämmend und frei formbar ist. Sie kombinieren Dünnglas mit einem offen strukturierten Kern aus biobasiertem Kunststoff, der im 3D-Druck entsteht. Diese Bauweise senkt das Bauteilgewicht, spart Material und ermöglicht schlankere Tragkonstruktionen. Gleichzeitig verbessert sie die Umweltbilanz gegenüber herkömmlichem Isolierglas erheblich. Erste Analysen zeigen ein Einsparpotenzial im Herstellungsprozess von bis zu 60 Prozent bei den CO₂-Emissionen.
Das Team legt das Element so aus, dass es sich je nach Anwendung als ebene oder gekrümmte Fläche in Fassaden integrieren lässt – mit anpassbarer Lichtdurchlässigkeit und Verschattung. So schaffen die Forschenden eine technische Lösung, die Leichtbau, Nachhaltigkeit und Gestaltungsspielraum verbindet. Sie eröffnen damit neue Wege für den energieeffizienten Einsatz von Dünnglas im Bauwesen.
Die Projektpartner von L3ICHTGLAS entwickeln ein neuartiges Fassadenelement, das leicht, tragfähig, dämmend und frei formbar ist. Sie kombinieren Dünnglas mit einem offen strukturierten Kern aus biobasiertem Kunststoff, der im 3D-Druck entsteht. Diese Bauweise senkt das Bauteilgewicht, spart Material und ermöglicht schlankere Tragkonstruktionen. Gleichzeitig verbessert sie die Umweltbilanz gegenüber herkömmlichem Isolierglas erheblich. Erste Analysen zeigen ein Einsparpotenzial im Herstellungsprozess von bis zu 60 Prozent bei den CO₂-Emissionen.
Das Team legt das Element so aus, dass es sich je nach Anwendung als ebene oder gekrümmte Fläche in Fassaden integrieren lässt – mit anpassbarer Lichtdurchlässigkeit und Verschattung. So schaffen die Forschenden eine technische Lösung, die Leichtbau, Nachhaltigkeit und Gestaltungsspielraum verbindet. Sie eröffnen damit neue Wege für den energieeffizienten Einsatz von Dünnglas im Bauwesen.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt das neue Fassadenelement schrittweise – vom Material bis zum großmaßstäblichen Demonstrator. Die Forschenden bereiten zunächst biobasierte Polymere so auf, dass sie sich im 3D-Druck zu tragfähigen, transparenten Kernstrukturen verarbeiten lassen. Parallel untersuchen sie, wie sich Dünnglas thermisch vorspannen lässt. So wollen sie auch bei Glasstärken unter zwei Millimetern die nötige Festigkeit erreichen. Für die Verbindung von Glas und Kern testen die Projektpartner verschiedene Verfahren: Kleben, Laminieren und das direkte Drucken auf Glas. Dabei bewerten sie die Haftung, Verarbeitung und Energieeffizienz jeder Methode.
Im nächsten Schritt prüfen die Forschenden die Tragfähigkeit, Steifigkeit und Dämmwirkung der Verbundelemente in experimentellen Versuchen. Sie simulieren, wie sich die Bauteile unter Wind-, Schnee- und Klimalasten verhalten. Auf dieser Basis entwickelt das Team Lösungen für die Einbindung in die Gebäudehülle – für ebene wie für gebogene Elemente. Auch gebäudetypische Anschlussdetails nehmen die Partner gezielt in den Blick. Abschließend fertigen sie Demonstratoren und testen sie unter realen Einsatzbedingungen.
Das Projektteam entwickelt das neue Fassadenelement schrittweise – vom Material bis zum großmaßstäblichen Demonstrator. Die Forschenden bereiten zunächst biobasierte Polymere so auf, dass sie sich im 3D-Druck zu tragfähigen, transparenten Kernstrukturen verarbeiten lassen. Parallel untersuchen sie, wie sich Dünnglas thermisch vorspannen lässt. So wollen sie auch bei Glasstärken unter zwei Millimetern die nötige Festigkeit erreichen. Für die Verbindung von Glas und Kern testen die Projektpartner verschiedene Verfahren: Kleben, Laminieren und das direkte Drucken auf Glas. Dabei bewerten sie die Haftung, Verarbeitung und Energieeffizienz jeder Methode.
Im nächsten Schritt prüfen die Forschenden die Tragfähigkeit, Steifigkeit und Dämmwirkung der Verbundelemente in experimentellen Versuchen. Sie simulieren, wie sich die Bauteile unter Wind-, Schnee- und Klimalasten verhalten. Auf dieser Basis entwickelt das Team Lösungen für die Einbindung in die Gebäudehülle – für ebene wie für gebogene Elemente. Auch gebäudetypische Anschlussdetails nehmen die Partner gezielt in den Blick. Abschließend fertigen sie Demonstratoren und testen sie unter realen Einsatzbedingungen.
LACK
Walzen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff: hochfunktionale Beschichtung realisieren
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Oxidische Keramiken, Aramidfaserverbundkunststoffe (AFK), Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
In vielen Industriezweigen übernehmen Walzen zentrale Funktionen in der Produktion – von Hygieneartikeln über Verpackungen bis hin zu Fahrzeugteilen. Üblicherweise fertigen Hersteller diese Walzen aus Stahl oder Aluminium, was hohes Gewicht und damit verbundene Energieverluste sowie mechanischen Verschleiß zur Folge hat. Als Alternative gewinnt CFK, also carbonfaserverstärkter Kunststoff, zunehmend an Bedeutung.
CFK entsteht durch die Kombination von Kohlenstofffasern mit einem Kunststoff und bietet ein geringes Gewicht bei hoher Festigkeit. Allerdings hält CFK nur Temperaturen zwischen 80 und 120 Grad Celsius aus. Herkömmliche Anti-Haft-Beschichtungen, die verhindern sollen, dass Materialien an den Walzen haften, erfordern jedoch zum Aushärten oft 200 bis 400 Grad Celsius und würden damit die CFK-Walzen beim Auftragen schädigen.
Verfahren wie das Sol-Gel-Verfahren – bei dem feine Partikel in einer Flüssigkeit aufgebracht und durch Wärme vernetzt werden – stoßen hier an ihre Grenzen. Die Herausforderung liegt darin, eine Beschichtung zu entwickeln, die das empfindliche CFK nicht überhitzt und dennoch zuverlässig das Haften von Produktionsmaterialien verhindert.
In vielen Industriezweigen übernehmen Walzen zentrale Funktionen in der Produktion – von Hygieneartikeln über Verpackungen bis hin zu Fahrzeugteilen. Üblicherweise fertigen Hersteller diese Walzen aus Stahl oder Aluminium, was hohes Gewicht und damit verbundene Energieverluste sowie mechanischen Verschleiß zur Folge hat. Als Alternative gewinnt CFK, also carbonfaserverstärkter Kunststoff, zunehmend an Bedeutung.
CFK entsteht durch die Kombination von Kohlenstofffasern mit einem Kunststoff und bietet ein geringes Gewicht bei hoher Festigkeit. Allerdings hält CFK nur Temperaturen zwischen 80 und 120 Grad Celsius aus. Herkömmliche Anti-Haft-Beschichtungen, die verhindern sollen, dass Materialien an den Walzen haften, erfordern jedoch zum Aushärten oft 200 bis 400 Grad Celsius und würden damit die CFK-Walzen beim Auftragen schädigen.
Verfahren wie das Sol-Gel-Verfahren – bei dem feine Partikel in einer Flüssigkeit aufgebracht und durch Wärme vernetzt werden – stoßen hier an ihre Grenzen. Die Herausforderung liegt darin, eine Beschichtung zu entwickeln, die das empfindliche CFK nicht überhitzt und dennoch zuverlässig das Haften von Produktionsmaterialien verhindert.
Ziel
Im Forschungsprojekt LACK entwickelt das Projektteam ein innovatives, laserbasiertes Beschichtungsverfahren für CFK-Walzen. Die Forschenden wollen eine hochfunktionale Anti-Haft-Beschichtung realisieren, die trotz hoher Aushärtungstemperaturen (über 200 Grad Celsius) das CFK-Substrat unter 120 Grad Celsius hält. Dazu verfolgen sie zwei Ansätze: Polymerbasierte Systeme mit FEP (Fluorethylenpropylen) und PFA (Perfluoralkoxy) sowie Sol-Gel-basierte Verfahren, bei denen auch Silikonöl eingesetzt wird.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler optimieren die Materialzusammensetzung durch gezielte Beimischung von Laserabsorbern, die die Laserstrahlung effektiv nutzen, um die Beschichtung punktgenau auszuhärten. Das Verfahren senkt den Energieverbrauch, reduziert CO₂-Emissionen und verlängert die Lebensdauer von Maschinen – ein wichtiger Schritt hin zu mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in der Produktion.
Im Forschungsprojekt LACK entwickelt das Projektteam ein innovatives, laserbasiertes Beschichtungsverfahren für CFK-Walzen. Die Forschenden wollen eine hochfunktionale Anti-Haft-Beschichtung realisieren, die trotz hoher Aushärtungstemperaturen (über 200 Grad Celsius) das CFK-Substrat unter 120 Grad Celsius hält. Dazu verfolgen sie zwei Ansätze: Polymerbasierte Systeme mit FEP (Fluorethylenpropylen) und PFA (Perfluoralkoxy) sowie Sol-Gel-basierte Verfahren, bei denen auch Silikonöl eingesetzt wird.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler optimieren die Materialzusammensetzung durch gezielte Beimischung von Laserabsorbern, die die Laserstrahlung effektiv nutzen, um die Beschichtung punktgenau auszuhärten. Das Verfahren senkt den Energieverbrauch, reduziert CO₂-Emissionen und verlängert die Lebensdauer von Maschinen – ein wichtiger Schritt hin zu mehr Effizienz und Nachhaltigkeit in der Produktion.
Vorgehen
Die Forschenden starten mit dem Auftragen einer speziellen Adhäsionsschicht. Diese Schicht wirkt als Haftvermittler zwischen dem CFK und der nachfolgenden Anti-Haft-Beschichtung und schützt das Material vor thermischer Belastung. Die Adhäsionsschicht bringen sie durch thermisches Spritzen von Metall- oder Keramikpartikeln auf.
Anschließend tragen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Anti-Haft-Material maschinell per Sprühverfahren auf. Die Materialformulierung wird gezielt auf die Laserwellenlänge abgestimmt – etwa durch Zugabe von Laserabsorbern und niedrigviskosen Bestandteilen. Mithilfe einer präzisen Laserstrahlung härten sie die Beschichtung in Bruchteilen einer Sekunde aus, sodass nur die Beschichtung erhitzt wird.
Parallel testet das Projektteam das Verfahren unter realen Produktionsbedingungen und entwickelt Konzepte für Reparaturen direkt an der Anlage (In-situ-Reparatur). Ergänzend führend die Forschenden eine umfassende Lebenszyklusanalyse durch, um die ökonomischen und ökologischen Vorteile zu belegen.
Die Forschenden starten mit dem Auftragen einer speziellen Adhäsionsschicht. Diese Schicht wirkt als Haftvermittler zwischen dem CFK und der nachfolgenden Anti-Haft-Beschichtung und schützt das Material vor thermischer Belastung. Die Adhäsionsschicht bringen sie durch thermisches Spritzen von Metall- oder Keramikpartikeln auf.
Anschließend tragen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Anti-Haft-Material maschinell per Sprühverfahren auf. Die Materialformulierung wird gezielt auf die Laserwellenlänge abgestimmt – etwa durch Zugabe von Laserabsorbern und niedrigviskosen Bestandteilen. Mithilfe einer präzisen Laserstrahlung härten sie die Beschichtung in Bruchteilen einer Sekunde aus, sodass nur die Beschichtung erhitzt wird.
Parallel testet das Projektteam das Verfahren unter realen Produktionsbedingungen und entwickelt Konzepte für Reparaturen direkt an der Anlage (In-situ-Reparatur). Ergänzend führend die Forschenden eine umfassende Lebenszyklusanalyse durch, um die ökonomischen und ökologischen Vorteile zu belegen.
LaLoVak
Hochfeste Aluminiumlegierungen im Autobau nutzen: Laserstrahl-Schweißen mit lokalem Vakuum
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
31.12.23
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Leichtbau ist ein wichtiger Baustein für eine klimafreundlichere Mobilität. Insbesondere Aluminium bietet als Werkstoff großes Potenzial, das Gewicht von Fahrzeugen zu senken und so CO₂-Emissionen zu reduzieren. Aluminiumlegierungen werden im Automobilbau bereits erfolgreich eingesetzt, etwa in Karosserieteilen und Fahrwerken. Eine der stärksten Aluminiumlegierungen, EN AW 7075, die Festigkeiten vergleichbar mit hochwertigen Stählen aufweist, konnte bislang jedoch nicht verarbeitet werden, da sie beim Schweißen mit konventionellen Techniken zu Heißrissen und Porenbildung neigt. Hier setzt das Forschungsteam im Projekt LaLoVak an.
Leichtbau ist ein wichtiger Baustein für eine klimafreundlichere Mobilität. Insbesondere Aluminium bietet als Werkstoff großes Potenzial, das Gewicht von Fahrzeugen zu senken und so CO₂-Emissionen zu reduzieren. Aluminiumlegierungen werden im Automobilbau bereits erfolgreich eingesetzt, etwa in Karosserieteilen und Fahrwerken. Eine der stärksten Aluminiumlegierungen, EN AW 7075, die Festigkeiten vergleichbar mit hochwertigen Stählen aufweist, konnte bislang jedoch nicht verarbeitet werden, da sie beim Schweißen mit konventionellen Techniken zu Heißrissen und Porenbildung neigt. Hier setzt das Forschungsteam im Projekt LaLoVak an.
Ziel
Das Ziel des Projektteams ist die Entwicklung einer neuartigen Fügetechnologie: dem Laserstrahlschweißen mit lokalem Vakuum (LaVa). Mit dieser Methode soll die bislang nicht verarbeitbare EN AW 7075-Legierung im Automobilbau einsetzbar werden, um leichtere und zugleich belastbare Bauteile zu ermöglichen. Durch das Verfahren sollen die Schweißnahtqualität verbessert, Material und Energie in der Produktion eingespart und der der CO₂-Ausstoß deutlich verringert werden.
Die Forschenden arbeiten an einer Schweißzange, die nur an der Schweißstelle ein lokales Vakuum erzeugt. Dies ermöglicht die Verarbeitung hochfester Aluminiumlegierungen, ohne große und kostenintensive Vakuumkammern. Dank der kompakten und effizienten Bauweise des Werkzeugs können selbst großvolumige und komplexe Bauteile, wie sie etwa im Karosseriebau vorkommen, wirtschaftlich bearbeitet werden.
Das Ziel des Projektteams ist die Entwicklung einer neuartigen Fügetechnologie: dem Laserstrahlschweißen mit lokalem Vakuum (LaVa). Mit dieser Methode soll die bislang nicht verarbeitbare EN AW 7075-Legierung im Automobilbau einsetzbar werden, um leichtere und zugleich belastbare Bauteile zu ermöglichen. Durch das Verfahren sollen die Schweißnahtqualität verbessert, Material und Energie in der Produktion eingespart und der der CO₂-Ausstoß deutlich verringert werden.
Die Forschenden arbeiten an einer Schweißzange, die nur an der Schweißstelle ein lokales Vakuum erzeugt. Dies ermöglicht die Verarbeitung hochfester Aluminiumlegierungen, ohne große und kostenintensive Vakuumkammern. Dank der kompakten und effizienten Bauweise des Werkzeugs können selbst großvolumige und komplexe Bauteile, wie sie etwa im Karosseriebau vorkommen, wirtschaftlich bearbeitet werden.
Vorgehen
Zu Projektbeginn analysieren die Forschenden die EN AW 7075-Legierung, um ihre Eigenschaften und geeignete Schweißparameter für eine poren- und rissfreie Verarbeitung zu bestimmen. Parallel dazu entwickelt das Team einen Prototyp der Schweißzange mit neuartigen Dichtsystemen und Optikschutzkomponenten, die eine stabile Vakuumerzeugung sichern.
Die Forschenden testen und verbessern die Technologie fortlaufend, um die Schweißnahtqualität und Energieeffizienz weiter zu steigern. Ein bedeutender Schritt ist die Integration der Schweißzange in ein robotergestütztes System, das eine flexible und praxisnahe Nutzung im industriellen Maßstab erlaubt.
Zum Projektabschluss entwickelt das Team das lokale Vakuumsystem zu einem Produkt weiter, dass die Anwendung der Technologie an realitätsnahen Karosserieteilen wie Türen oder Säulen veranschaulicht. Ein wichtiges Ziel bei der Produktentwicklung ist dabei eine geringe Evakuierungszeit, die durch konsequente Optimierungen auf weniger als 1,5 Sekunden reduziert wird. Damit liefern die Forschenden Grundlagen für die Serienfertigung und zeigen Potenziale für den industriellen Einsatz auf.
Zu Projektbeginn analysieren die Forschenden die EN AW 7075-Legierung, um ihre Eigenschaften und geeignete Schweißparameter für eine poren- und rissfreie Verarbeitung zu bestimmen. Parallel dazu entwickelt das Team einen Prototyp der Schweißzange mit neuartigen Dichtsystemen und Optikschutzkomponenten, die eine stabile Vakuumerzeugung sichern.
Die Forschenden testen und verbessern die Technologie fortlaufend, um die Schweißnahtqualität und Energieeffizienz weiter zu steigern. Ein bedeutender Schritt ist die Integration der Schweißzange in ein robotergestütztes System, das eine flexible und praxisnahe Nutzung im industriellen Maßstab erlaubt.
Zum Projektabschluss entwickelt das Team das lokale Vakuumsystem zu einem Produkt weiter, dass die Anwendung der Technologie an realitätsnahen Karosserieteilen wie Türen oder Säulen veranschaulicht. Ein wichtiges Ziel bei der Produktentwicklung ist dabei eine geringe Evakuierungszeit, die durch konsequente Optimierungen auf weniger als 1,5 Sekunden reduziert wird. Damit liefern die Forschenden Grundlagen für die Serienfertigung und zeigen Potenziale für den industriellen Einsatz auf.
LaserDireCt
Kunststoffe effizient und lösbar verbinden: Laser-Direktfügen ersetzt Kleben und Schrauben
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
28.02.25
Anwendung:
Material:
Duroplaste, Thermoplaste, Stahl, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Industrieunternehmen – etwa in der Luftfahrt-, Automobil- oder Windenergiebranche – stehen vor der Herausforderung, Bauteile leichter und gleichzeitig nachhaltiger zu gestalten. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) – insbesondere duroplastische Epoxidharze (EP-CFK) – sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht ein Schlüsselwerkstoff für tragende Leichtbaustrukturen in Flugzeugen, Fahrzeugen und Windenergieanlagen. In weniger beanspruchten Bereichen setzen Unternehmen zunehmend auf thermoplastische Kunststoffe (TP), die sich gut formen, kostengünstig verarbeiten und effizient recyceln lassen.
Die Kombination von TP und CFK bietet großes Potenzial für den Multi-Material-Leichtbau. Doch konventionelle Fügeverfahren wie Kleben oder Verschrauben stoßen an Grenzen – etwa durch Materialunverträglichkeiten, hohen Ressourcenverbrauch oder eingeschränkte Recyclingfähigkeit. Genau hier setzt das Forschungsprojekt LaserDireCt an.
Industrieunternehmen – etwa in der Luftfahrt-, Automobil- oder Windenergiebranche – stehen vor der Herausforderung, Bauteile leichter und gleichzeitig nachhaltiger zu gestalten. Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) – insbesondere duroplastische Epoxidharze (EP-CFK) – sind aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei geringem Gewicht ein Schlüsselwerkstoff für tragende Leichtbaustrukturen in Flugzeugen, Fahrzeugen und Windenergieanlagen. In weniger beanspruchten Bereichen setzen Unternehmen zunehmend auf thermoplastische Kunststoffe (TP), die sich gut formen, kostengünstig verarbeiten und effizient recyceln lassen.
Die Kombination von TP und CFK bietet großes Potenzial für den Multi-Material-Leichtbau. Doch konventionelle Fügeverfahren wie Kleben oder Verschrauben stoßen an Grenzen – etwa durch Materialunverträglichkeiten, hohen Ressourcenverbrauch oder eingeschränkte Recyclingfähigkeit. Genau hier setzt das Forschungsprojekt LaserDireCt an.
Ziel
Das Projektteam entwickelt ein laserbasiertes Fügeverfahren, mit dem sich thermoplastische Kunststoffe direkt und stabil mit duroplastischen CFK-Strukturen verbinden lassen. Die Verbindung erfolgt dabei komplett ohne Klebstoffe oder mechanische Verbindungselemente. Ziel ist eine serientaugliche, ressourcenschonende Technologie, die wieder lösbare Verbindungen ermöglicht und strukturelle Schäden vermeidet.
Darüber hinaus will das Team den Material- und Energieeinsatz deutlich senken und die Recyclingfähigkeit verbessern. Die Forschenden analysieren gezielt Einflussgrößen und definieren relevante Prozessgrenzen. Darüber hinaus demonstrieren und bewerten sie das Verfahren unter einsatzrelevanten, praxisnahen Bedingungen. Auf diese Weise nehmen sie eine ganzheitliche Bewertung der Technologie vor und zeigen konkrete industrielle Einsatzpotenziale auf. Das Verfahren soll zudem flexibel auf weitere Werkstoff-Kombinationen, wie etwa das Fügen von lackierten Metallen oder anderen Duroplasten, übertragbar sein.
Das Projektteam entwickelt ein laserbasiertes Fügeverfahren, mit dem sich thermoplastische Kunststoffe direkt und stabil mit duroplastischen CFK-Strukturen verbinden lassen. Die Verbindung erfolgt dabei komplett ohne Klebstoffe oder mechanische Verbindungselemente. Ziel ist eine serientaugliche, ressourcenschonende Technologie, die wieder lösbare Verbindungen ermöglicht und strukturelle Schäden vermeidet.
Darüber hinaus will das Team den Material- und Energieeinsatz deutlich senken und die Recyclingfähigkeit verbessern. Die Forschenden analysieren gezielt Einflussgrößen und definieren relevante Prozessgrenzen. Darüber hinaus demonstrieren und bewerten sie das Verfahren unter einsatzrelevanten, praxisnahen Bedingungen. Auf diese Weise nehmen sie eine ganzheitliche Bewertung der Technologie vor und zeigen konkrete industrielle Einsatzpotenziale auf. Das Verfahren soll zudem flexibel auf weitere Werkstoff-Kombinationen, wie etwa das Fügen von lackierten Metallen oder anderen Duroplasten, übertragbar sein.
Vorgehen
Das Projektteam analysiert zunächst die physikalischen Grundlagen der Laser-Material-Wechselwirkungen bei komplexen Werkstoffkombinationen und deren Auswirkungen auf die Homogenität der Temperaturverteilung. Es untersucht, wie sich die Wärme des Lasers gezielt in die CFK-Struktur einbringen lässt, ohne die empfindliche Faser-Matrix zu schädigen. Gleichzeitig analysieren die Forschenden das Schmelzverhalten der thermoplastischen Kunststoffe sowie die Grenzschicht zwischen den Materialien. Ziel ist es, die Prozessparameter so zu optimieren, dass eine stabile und reversible Verbindung entsteht.
Parallel dazu erproben die Projektpartner das Verfahren unter praxisnahen Bedingungen – etwa bei Befestigungselementen oder Versteifungsstrukturen. Dafür entwickeln sie Demonstratoren, die eine Übertragung in die industrielle Serienfertigung ermöglichen. Ein begleitender Industriekreis bringt Anforderungen aus verschiedenen Branchen ein und unterstützt die spätere Umsetzung. So gelangen wissenschaftliche Erkenntnisse direkt in die Anwendung.
Das Projektteam analysiert zunächst die physikalischen Grundlagen der Laser-Material-Wechselwirkungen bei komplexen Werkstoffkombinationen und deren Auswirkungen auf die Homogenität der Temperaturverteilung. Es untersucht, wie sich die Wärme des Lasers gezielt in die CFK-Struktur einbringen lässt, ohne die empfindliche Faser-Matrix zu schädigen. Gleichzeitig analysieren die Forschenden das Schmelzverhalten der thermoplastischen Kunststoffe sowie die Grenzschicht zwischen den Materialien. Ziel ist es, die Prozessparameter so zu optimieren, dass eine stabile und reversible Verbindung entsteht.
Parallel dazu erproben die Projektpartner das Verfahren unter praxisnahen Bedingungen – etwa bei Befestigungselementen oder Versteifungsstrukturen. Dafür entwickeln sie Demonstratoren, die eine Übertragung in die industrielle Serienfertigung ermöglichen. Ein begleitender Industriekreis bringt Anforderungen aus verschiedenen Branchen ein und unterstützt die spätere Umsetzung. So gelangen wissenschaftliche Erkenntnisse direkt in die Anwendung.
LeBaMaN
Langlebig und nachhaltig: Baustoffe aus Carbonfasern und Granit ersetzen Stahl und Beton
Förderlaufzeit:
Start
01.05.23
Ende
30.04.26
Anwendung:
Material:
Sonstige (Granit), Kohlenstofffasern, Gelege, Sonstige (Kohlenstoffaserverstärkter Stein)
Hintergrund
Die Bauindustrie ist einer der größten Verursacher von CO₂-Emissionen weltweit. Häufig verwendete Baustoffe wie Stahl und Beton tragen durch ihre energieintensive Herstellung erheblich zu diesem Problem bei. Zusätzlich erhöhen ihre begrenzte Haltbarkeit und Korrosionsanfälligkeit die Wartungskosten und Umweltbelastungen. Um den CO₂-Ausstoß in der Bauindustrie zu senken, Ressourcen zu schonen und die Materialeffizienz zu steigern, braucht es innovative Materiallösungen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination aus Granit und Carbonfasern, die deutlich leichtere und langlebigere Strukturen ermöglicht als konventionelle Baustoffe.
Natursteine wie Granit sind unter Druckbelastung sehr tragfähig. Durch die Kombination mit steifen Carbonfasern kann der Verbundwerkstoff zudem für andere Beanspruchungen ertüchtigt werden. Moderne Harzsysteme verbinden die Materialien und sind, wenn sie gegen UV-Licht geschützt werden, ebenfalls sehr langlebig. Mit dem neuartigen Hybridwerkstoff können so Bauteile hergestellt werden, die langfristig CO₂ binden sowie nachhaltig und dauerhaft gegen Erosion durch mechanische Belastung geschützt sind.
Die Bauindustrie ist einer der größten Verursacher von CO₂-Emissionen weltweit. Häufig verwendete Baustoffe wie Stahl und Beton tragen durch ihre energieintensive Herstellung erheblich zu diesem Problem bei. Zusätzlich erhöhen ihre begrenzte Haltbarkeit und Korrosionsanfälligkeit die Wartungskosten und Umweltbelastungen. Um den CO₂-Ausstoß in der Bauindustrie zu senken, Ressourcen zu schonen und die Materialeffizienz zu steigern, braucht es innovative Materiallösungen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Kombination aus Granit und Carbonfasern, die deutlich leichtere und langlebigere Strukturen ermöglicht als konventionelle Baustoffe.
Natursteine wie Granit sind unter Druckbelastung sehr tragfähig. Durch die Kombination mit steifen Carbonfasern kann der Verbundwerkstoff zudem für andere Beanspruchungen ertüchtigt werden. Moderne Harzsysteme verbinden die Materialien und sind, wenn sie gegen UV-Licht geschützt werden, ebenfalls sehr langlebig. Mit dem neuartigen Hybridwerkstoff können so Bauteile hergestellt werden, die langfristig CO₂ binden sowie nachhaltig und dauerhaft gegen Erosion durch mechanische Belastung geschützt sind.
Ziel
Ziel der Forschenden im Projekt LeBaMaN ist es, die Praxistauglichkeit der innovativen Materialkombination nachzuweisen. Hierzu konzentrieren sie sich auf zwei konkrete Anwendungsfälle - Bahnschwellen sowie Tragstrukturen für den Bau von Brücken.
Das Projektteam arbeitet daran, die Bahnschwelle bis zur Zertifizierungsreife zu testen und ein fertiges Produkt zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden und eine hohe Lebensdauer aufweist. Auch der Einsatz des Materials für den Brückenbau wird umfangreich untersucht und in Langzeittests im realen Einsatz geprüft.
Zusätzlich analysieren die Forschenden mit modernen Lebenszyklus- sowie technisch-wirtschaftlichen Analysen die Wettbewerbsfähigkeit und die Klimawirkung des Hybridmaterials. Beide Anwendungen sollen zeigen, ob sich bei besseren Eigenschaften zum einen der CO₂-Ausstoß im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- und Betonbauteilen in der Produktion sowie über den gesamten Lebenszyklus erheblich verringern lässt. Zum anderen, ob die Materialkombination auch ökonomisch im Wettbewerb zu bisherigen Produkten mithalten kann und auch hier Vorteile wie einen geringeren Wartungsaufwand und eine höhere Lebensdauer bietet. Die Ergebnisse sollen den Weg für die Serienproduktion ebnen und verdeutlichen, wie dieser Baustoff Stahl und Beton langfristig ersetzen kann.
Ziel der Forschenden im Projekt LeBaMaN ist es, die Praxistauglichkeit der innovativen Materialkombination nachzuweisen. Hierzu konzentrieren sie sich auf zwei konkrete Anwendungsfälle - Bahnschwellen sowie Tragstrukturen für den Bau von Brücken.
Das Projektteam arbeitet daran, die Bahnschwelle bis zur Zertifizierungsreife zu testen und ein fertiges Produkt zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden und eine hohe Lebensdauer aufweist. Auch der Einsatz des Materials für den Brückenbau wird umfangreich untersucht und in Langzeittests im realen Einsatz geprüft.
Zusätzlich analysieren die Forschenden mit modernen Lebenszyklus- sowie technisch-wirtschaftlichen Analysen die Wettbewerbsfähigkeit und die Klimawirkung des Hybridmaterials. Beide Anwendungen sollen zeigen, ob sich bei besseren Eigenschaften zum einen der CO₂-Ausstoß im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- und Betonbauteilen in der Produktion sowie über den gesamten Lebenszyklus erheblich verringern lässt. Zum anderen, ob die Materialkombination auch ökonomisch im Wettbewerb zu bisherigen Produkten mithalten kann und auch hier Vorteile wie einen geringeren Wartungsaufwand und eine höhere Lebensdauer bietet. Die Ergebnisse sollen den Weg für die Serienproduktion ebnen und verdeutlichen, wie dieser Baustoff Stahl und Beton langfristig ersetzen kann.
Vorgehen
Zunächst optimieren die Forschenden die Materialkombination, um einen belastbaren und wirtschaftlich herstellbaren Verbundwerkstoff zu entwickeln. Anschließend fertigt das Projektteam Demonstratoren, die es in realitätsnahen Belastungstests auf ihre Stabilität und Langlebigkeit prüft.
Die Bahnschwellen untersuchen die Forschenden in verschiedenen Varianten – von massiven Granit-Carbon-Konstruktionen bis hin zu hybriden Designs mit einem Beton-Kern. In Betriebslasten-Simulationen überprüfen sie, ob die Bauteile den tatsächlichen Belastungen dauerhaft standhalten können.
Für die Brücke setzt das Team auf filigrane Leichtbaukonstruktionen mit Trägern aus carbonfaserverstärktem Naturstein. Um das Langzeitverhalten im realen Einsatz zu prüfen, wird eine bis zu 18 Meter lange Fußgängerbrücke entwickelt und gebaut. Vorgesehen ist ein umfangreiches Monitoring der Konstruktion über drei Jahre, mit dem die wichtigsten Daten erhoben und auf Veränderungen kontrolliert werden.
Die Projektpartner sind für ihre Forschung mit dem renommierten JEC Composites Innovation Award 2025 in der Kategorie Hoch- und Tiefbau ausgezeichnet.
Zunächst optimieren die Forschenden die Materialkombination, um einen belastbaren und wirtschaftlich herstellbaren Verbundwerkstoff zu entwickeln. Anschließend fertigt das Projektteam Demonstratoren, die es in realitätsnahen Belastungstests auf ihre Stabilität und Langlebigkeit prüft.
Die Bahnschwellen untersuchen die Forschenden in verschiedenen Varianten – von massiven Granit-Carbon-Konstruktionen bis hin zu hybriden Designs mit einem Beton-Kern. In Betriebslasten-Simulationen überprüfen sie, ob die Bauteile den tatsächlichen Belastungen dauerhaft standhalten können.
Für die Brücke setzt das Team auf filigrane Leichtbaukonstruktionen mit Trägern aus carbonfaserverstärktem Naturstein. Um das Langzeitverhalten im realen Einsatz zu prüfen, wird eine bis zu 18 Meter lange Fußgängerbrücke entwickelt und gebaut. Vorgesehen ist ein umfangreiches Monitoring der Konstruktion über drei Jahre, mit dem die wichtigsten Daten erhoben und auf Veränderungen kontrolliert werden.
Die Projektpartner sind für ihre Forschung mit dem renommierten JEC Composites Innovation Award 2025 in der Kategorie Hoch- und Tiefbau ausgezeichnet.
LEICHT_DISS
Schwingungen in Fahrzeugteilen: Reibung gezielt für Dämpfung einsetzen
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
31.03.25
Anwendung:
Material:
Elastomere, Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Sonstige (Metallschäume)
Hintergrund
Schwingungen stellen im Leichtbau eine besondere Herausforderung dar. Sind Bauteile im Betrieb äußeren Einflüssen wie Wind, Fahrbewegungen oder ambienten Anregungen ausgesetzt, können sie in Resonanz geraten. Die Folgen sind große Schwingamplituden, die Lärm verursachen, Bauteile schneller verschleißen lassen oder sogar ihre Funktion beeinträchtigen. Um das zu verhindern, kommen bisher oft Tilger oder Dämpfer zum Einsatz. Diese Komponenten reduzieren zwar Schwingungen, bringen aber zusätzliches Gewicht in die Konstruktionen ein.
Forscher verfolgen daher einen neuen Ansatz: Sie wollen die Fügestellen, also die Verbindungsbereiche zwischen einzelnen Komponenten, gezielt zur Schwingungsdämpfung nutzen. Statt zusätzliche Dämpfer anzubringen setzen Sie darauf die Energiedissipation an vorhandene Verbindungsstellen zu nutzen, in dem diese gezielt funktionalisiert werden. Dafür nutzen sie Reibung als Mittel zur Energieaufnahme.
Schwingungen stellen im Leichtbau eine besondere Herausforderung dar. Sind Bauteile im Betrieb äußeren Einflüssen wie Wind, Fahrbewegungen oder ambienten Anregungen ausgesetzt, können sie in Resonanz geraten. Die Folgen sind große Schwingamplituden, die Lärm verursachen, Bauteile schneller verschleißen lassen oder sogar ihre Funktion beeinträchtigen. Um das zu verhindern, kommen bisher oft Tilger oder Dämpfer zum Einsatz. Diese Komponenten reduzieren zwar Schwingungen, bringen aber zusätzliches Gewicht in die Konstruktionen ein.
Forscher verfolgen daher einen neuen Ansatz: Sie wollen die Fügestellen, also die Verbindungsbereiche zwischen einzelnen Komponenten, gezielt zur Schwingungsdämpfung nutzen. Statt zusätzliche Dämpfer anzubringen setzen Sie darauf die Energiedissipation an vorhandene Verbindungsstellen zu nutzen, in dem diese gezielt funktionalisiert werden. Dafür nutzen sie Reibung als Mittel zur Energieaufnahme.
Ziel
Im Forschungsprojekt LEICHT_DISS entwickelt das Projektteam neuartige Verbindungsteile, die Schwingungsenergie durch gezielte Reibung in Wärme umwandeln. Diese sogenannten dissipativen Elemente verhindern, dass sich unerwünschte Schwingungen im Bauteil ausbreiten bzw. die Schwingungen im Resonanzfall zu groß werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Dämpfern sind sie leicht, kompakt und lassen sich direkt in die Struktur integrieren.
Das Team gestaltet die Bauteile anpassungsfähig: Je nach Einsatzgebiet variieren Materialien, Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie. So entsteht Reibung nur dort, wo sie gebraucht wird – etwa bei besonders starker Belastung. Die neuen Elemente sparen Gewicht, senken den Energieverbrauch und verlängern die Lebensdauer. Sie machen zusätzliche Dämpfer überflüssig und verbessern das Schwingungsverhalten direkt in der Konstruktion.
Im Forschungsprojekt LEICHT_DISS entwickelt das Projektteam neuartige Verbindungsteile, die Schwingungsenergie durch gezielte Reibung in Wärme umwandeln. Diese sogenannten dissipativen Elemente verhindern, dass sich unerwünschte Schwingungen im Bauteil ausbreiten bzw. die Schwingungen im Resonanzfall zu groß werden. Im Unterschied zu herkömmlichen Dämpfern sind sie leicht, kompakt und lassen sich direkt in die Struktur integrieren.
Das Team gestaltet die Bauteile anpassungsfähig: Je nach Einsatzgebiet variieren Materialien, Oberflächenbeschaffenheit und Geometrie. So entsteht Reibung nur dort, wo sie gebraucht wird – etwa bei besonders starker Belastung. Die neuen Elemente sparen Gewicht, senken den Energieverbrauch und verlängern die Lebensdauer. Sie machen zusätzliche Dämpfer überflüssig und verbessern das Schwingungsverhalten direkt in der Konstruktion.
Vorgehen
Das Forschungsteam erstellt zunächst ein neues mathematisches Modell, das das Verhalten der Reibungsverbindungen möglichst realitätsnah beschreibt. Es bildet die Hystereseverläufe der Dissipationselemente ab – typische Kurven, die zeigen, wie viel Energie durch Reibung in jedem Zyklus verloren geht. Auf dieser Basis können die Forschenden präzise vorhersagen, wie stark ein Bauteil Schwingungen dämpft.
Zusätzlich entwickeln die Partner ein maßgeschneidertes Simulationsmodell nach der Finite-Elemente-Methode. Ein spezieller Optimierungsalgorithmus bestimmt, wo genau im Bauteil die neuen Reibungselemente am besten wirken – und wie sie beschaffen sein müssen, um maximale Wirkung bei minimalem Gewicht zu erzielen.
Der gesamte Entwicklungsprozess folgt den Prinzipien des Model Based Systems Engineering (MBSE), also einer vollständig digitalen Produktentwicklung. Der Praxistest liefert ein anschauliches Beispiel: Eine Fahrzeugheckklappe, ohne schwere Tilgermassen – bei gleicher Funktion, aber deutlich geringerem Gewicht.
Das Forschungsteam erstellt zunächst ein neues mathematisches Modell, das das Verhalten der Reibungsverbindungen möglichst realitätsnah beschreibt. Es bildet die Hystereseverläufe der Dissipationselemente ab – typische Kurven, die zeigen, wie viel Energie durch Reibung in jedem Zyklus verloren geht. Auf dieser Basis können die Forschenden präzise vorhersagen, wie stark ein Bauteil Schwingungen dämpft.
Zusätzlich entwickeln die Partner ein maßgeschneidertes Simulationsmodell nach der Finite-Elemente-Methode. Ein spezieller Optimierungsalgorithmus bestimmt, wo genau im Bauteil die neuen Reibungselemente am besten wirken – und wie sie beschaffen sein müssen, um maximale Wirkung bei minimalem Gewicht zu erzielen.
Der gesamte Entwicklungsprozess folgt den Prinzipien des Model Based Systems Engineering (MBSE), also einer vollständig digitalen Produktentwicklung. Der Praxistest liefert ein anschauliches Beispiel: Eine Fahrzeugheckklappe, ohne schwere Tilgermassen – bei gleicher Funktion, aber deutlich geringerem Gewicht.
Leichtbaufassade
Kühlen, filtern, Strom erzeugen: modulare Leichtbauelemente für funktionale Fassaden
Förderlaufzeit:
Start
01.04.23
Ende
31.03.25
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl, Offenporig
Hintergrund
Wachsende Städte erfordern eine effiziente Nutzung der vorhandenen Flächen. Eine dabei bislang kaum beachtete Ressource sind Gebäudefassaden: Vertikale Flächen, die große Potenziale bieten – für Energiegewinnung, Regenwassermanagement, Begrünung und Luftfilterung. Gerade in dicht besiedelten Gebieten, wo Hitze, Luftverschmutzung und Starkregen zur Belastung werden, eröffnen sich hier neue Lösungswege. Während Dachflächen bereits vielfach erschlossen sind, bleiben Fassaden weitgehend ungenutzt. Der Grund: Technische und wirtschaftliche Hürden machen multifunktionale Fassadenelemente bislang unattraktiv. Oft fehlt es an standardisierten, leichten und bezahlbaren Systemen. Genau hier setzt das Projekt Leichtbaufassade an.
Wachsende Städte erfordern eine effiziente Nutzung der vorhandenen Flächen. Eine dabei bislang kaum beachtete Ressource sind Gebäudefassaden: Vertikale Flächen, die große Potenziale bieten – für Energiegewinnung, Regenwassermanagement, Begrünung und Luftfilterung. Gerade in dicht besiedelten Gebieten, wo Hitze, Luftverschmutzung und Starkregen zur Belastung werden, eröffnen sich hier neue Lösungswege. Während Dachflächen bereits vielfach erschlossen sind, bleiben Fassaden weitgehend ungenutzt. Der Grund: Technische und wirtschaftliche Hürden machen multifunktionale Fassadenelemente bislang unattraktiv. Oft fehlt es an standardisierten, leichten und bezahlbaren Systemen. Genau hier setzt das Projekt Leichtbaufassade an.
Ziel
Die Forschenden verfolgen das Ziel, seriennahe Leichtbaufassaden zu entwickeln, die verschiedene Funktionen vereinen können: Photovoltaik, Begrünung, Wasserspeicherung und kontrollierte Verdunstung. Das System soll modular aufgebaut sein, sodass sich die Funktionen flexibel kombinieren lassen – etwa um Regenwasser aufzufangen, zu speichern und gezielt zur Kühlung der Umgebung zu nutzen.
Einen Fokus legt das Team auf die Entwicklung eines Trägermoduls, das die unterschiedlichen Funktionseinheiten aufnehmen kann, ohne dass jeweils eigene Befestigungen nötig sind. So können technische Synergien entstehen – etwa wenn eine Begrünung die Temperatur von PV-Modulen senkt und so deren Wirkungsgrad steigert.
Die Partner setzen konsequent auf Leichtbau, um die Tragreserven der Gebäude – also die Möglichkeiten zusätzliches Gewicht aufzunehmen – optimal auszuschöpfen. Mit einer deutlichen Reduktion des Gewichts um bis zu 30 Prozent sowie deutlich niedrigeren Produktionskosten wollen sie eine marktfähige Lösung für die nachhaltige Fassadennutzung schaffen.
Die Forschenden verfolgen das Ziel, seriennahe Leichtbaufassaden zu entwickeln, die verschiedene Funktionen vereinen können: Photovoltaik, Begrünung, Wasserspeicherung und kontrollierte Verdunstung. Das System soll modular aufgebaut sein, sodass sich die Funktionen flexibel kombinieren lassen – etwa um Regenwasser aufzufangen, zu speichern und gezielt zur Kühlung der Umgebung zu nutzen.
Einen Fokus legt das Team auf die Entwicklung eines Trägermoduls, das die unterschiedlichen Funktionseinheiten aufnehmen kann, ohne dass jeweils eigene Befestigungen nötig sind. So können technische Synergien entstehen – etwa wenn eine Begrünung die Temperatur von PV-Modulen senkt und so deren Wirkungsgrad steigert.
Die Partner setzen konsequent auf Leichtbau, um die Tragreserven der Gebäude – also die Möglichkeiten zusätzliches Gewicht aufzunehmen – optimal auszuschöpfen. Mit einer deutlichen Reduktion des Gewichts um bis zu 30 Prozent sowie deutlich niedrigeren Produktionskosten wollen sie eine marktfähige Lösung für die nachhaltige Fassadennutzung schaffen.
Vorgehen
Das Projektteam verfolgt einen interdisziplinären Entwicklungsansatz, der die Bereiche PV-Technik, Begrünung, Werkstoffentwicklung und Fassadenbau eng miteinander verzahnt. Im ersten Schritt konstruieren die Forschenden ein universelles Trägermodul, das durch Leichtbauprinzipien – etwa Skelettstrukturen, Wabentechnik oder gezielte Versteifungen – maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht erreicht.
Parallel entwickeln sie Prototypen der Funktionsmodule: PV-Elemente auf glasfreien Trägern, Verdunstungssysteme mit neuartigen Speichermaterialien sowie Begrünungseinheiten mit integrierter Wasserzufuhr. Die Forschenden setzen digitale Simulationen ein, um die Wasserverteilung in den Funktionsmodulen zu analysieren und die Festigkeit von Befestigungssystemen zu prüfen. Sie errichten realitätsnahe Versuchsstände, entwickeln Prüfprogramme und testen damit Brandschutz, Tragfähigkeit und Wetterfestigkeit. So schaffen sie die Grundlage, um das entwickelte System in die industrielle Praxis zu überführen.
Das Projektteam verfolgt einen interdisziplinären Entwicklungsansatz, der die Bereiche PV-Technik, Begrünung, Werkstoffentwicklung und Fassadenbau eng miteinander verzahnt. Im ersten Schritt konstruieren die Forschenden ein universelles Trägermodul, das durch Leichtbauprinzipien – etwa Skelettstrukturen, Wabentechnik oder gezielte Versteifungen – maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht erreicht.
Parallel entwickeln sie Prototypen der Funktionsmodule: PV-Elemente auf glasfreien Trägern, Verdunstungssysteme mit neuartigen Speichermaterialien sowie Begrünungseinheiten mit integrierter Wasserzufuhr. Die Forschenden setzen digitale Simulationen ein, um die Wasserverteilung in den Funktionsmodulen zu analysieren und die Festigkeit von Befestigungssystemen zu prüfen. Sie errichten realitätsnahe Versuchsstände, entwickeln Prüfprogramme und testen damit Brandschutz, Tragfähigkeit und Wetterfestigkeit. So schaffen sie die Grundlage, um das entwickelte System in die industrielle Praxis zu überführen.
Leichtkupfer
Nachhaltiger Leichtbau mit Kupfer: Hochfeste Legierung für dünnwandige Bauteile entwickeln
Förderlaufzeit:
Start
01.04.23
Ende
30.09.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Kupfer)
Hintergrund
Kupfer ist aus vielen Branchen nicht wegzudenken: Unter anderem im Maschinenbau, der Energietechnik, Medizintechnik oder Mobilität setzen Unternehmen auf den Werkstoff wegen seiner hohen Wärme- und Leitfähigkeit, seiner Langlebigkeit und Recyclingfähigkeit. Doch gerade im Leichtbau stößt Kupfer an Grenzen. Es fehlen belastbare Kennwerte und Normen für den Einsatz in zyklisch beanspruchten Bauteilen, etwa in Türsystemen des Schienenverkehrs, in Beschlägen oder in Komponenten der Energietechnik. Hinzu kommt, dass die heute verfügbaren Legierungen für die Herstellung extrem dünnwandiger Strukturen im Druckguss kaum geeignet sind. Damit bleiben zentrale Potenziale ungenutzt.
Gleichzeitig stehen deutsche Gießereien unter hohem Wettbewerbsdruck, insbesondere aus Asien, wo Edelstahlfeinguss häufig kostengünstig produziert wird. Vor diesem Hintergrund eröffnet die Entwicklung neuer, hochfester Kupferlegierungen eine doppelte Chance: Sie ermöglicht ressourcenschonendere Bauteile mit deutlich reduzierter Masse und stärkt zugleich die Wettbewerbsfähigkeit heimischer Hersteller bei spürbar geringerer Umweltbelastung.
Kupfer ist aus vielen Branchen nicht wegzudenken: Unter anderem im Maschinenbau, der Energietechnik, Medizintechnik oder Mobilität setzen Unternehmen auf den Werkstoff wegen seiner hohen Wärme- und Leitfähigkeit, seiner Langlebigkeit und Recyclingfähigkeit. Doch gerade im Leichtbau stößt Kupfer an Grenzen. Es fehlen belastbare Kennwerte und Normen für den Einsatz in zyklisch beanspruchten Bauteilen, etwa in Türsystemen des Schienenverkehrs, in Beschlägen oder in Komponenten der Energietechnik. Hinzu kommt, dass die heute verfügbaren Legierungen für die Herstellung extrem dünnwandiger Strukturen im Druckguss kaum geeignet sind. Damit bleiben zentrale Potenziale ungenutzt.
Gleichzeitig stehen deutsche Gießereien unter hohem Wettbewerbsdruck, insbesondere aus Asien, wo Edelstahlfeinguss häufig kostengünstig produziert wird. Vor diesem Hintergrund eröffnet die Entwicklung neuer, hochfester Kupferlegierungen eine doppelte Chance: Sie ermöglicht ressourcenschonendere Bauteile mit deutlich reduzierter Masse und stärkt zugleich die Wettbewerbsfähigkeit heimischer Hersteller bei spürbar geringerer Umweltbelastung.
Ziel
Das Projektteam entwickelt eine neue Kupfergusslegierung, die Leichtbau in Dauerformverfahren wie Druckguss – das schnelle Füllen einer Form mit flüssigem Metall unter hohem Druck – und Kokillenguss – das Gießen in wiederverwendbare Metallformen – ermöglicht. Der Werkstoff soll bei Dehnungen von bis zu 5 Prozent eine Zugfestigkeit von über 1000 Megapascal (MPa) erreichen – ein Maß für die mechanische Belastbarkeit von Materialien. Damit liegt er auf dem Niveau hochfester Stähle und übertrifft gängige Aluminiumlegierungen deutlich. Die Forschenden wollen die Gießbarkeit steigern, die Schwingfestigkeit systematisch erfassen und daraus Bemessungskonzepte ableiten. So lassen sich Bauteile dünnwandiger und dennoch verlässlich auslegen. Im Kokillenguss sind rund 20 Prozent Wandstärkenreduktion möglich, im Druckguss bis zu 50 Prozent. Das senkt Material- und Energiebedarf in der Herstellung und bringt in der Nutzung – etwa im Schienenverkehr – messbare CO₂-Vorteile.
Das Projektteam entwickelt eine neue Kupfergusslegierung, die Leichtbau in Dauerformverfahren wie Druckguss – das schnelle Füllen einer Form mit flüssigem Metall unter hohem Druck – und Kokillenguss – das Gießen in wiederverwendbare Metallformen – ermöglicht. Der Werkstoff soll bei Dehnungen von bis zu 5 Prozent eine Zugfestigkeit von über 1000 Megapascal (MPa) erreichen – ein Maß für die mechanische Belastbarkeit von Materialien. Damit liegt er auf dem Niveau hochfester Stähle und übertrifft gängige Aluminiumlegierungen deutlich. Die Forschenden wollen die Gießbarkeit steigern, die Schwingfestigkeit systematisch erfassen und daraus Bemessungskonzepte ableiten. So lassen sich Bauteile dünnwandiger und dennoch verlässlich auslegen. Im Kokillenguss sind rund 20 Prozent Wandstärkenreduktion möglich, im Druckguss bis zu 50 Prozent. Das senkt Material- und Energiebedarf in der Herstellung und bringt in der Nutzung – etwa im Schienenverkehr – messbare CO₂-Vorteile.
Vorgehen
Zunächst passt das Projektteam bestehende Kupferlegierungen wie Aluminiumbronzen und Messinge an die Anforderungen des Druckgusses an. Darauf aufbauend entwickeln die Forschenden eine neuartige Legierung, die mechanisch-technologisch deutlich leistungsfähiger ist. Parallel erfassen sie das Verhalten des Werkstoffs unter wechselnden Belastungen in systematischen Versuchen und leiten daraus Bemessungsroutinen für dünnwandige Strukturen ab.
Neben der Legierungsentwicklung optimieren die Projektpartner auch die Prozessführung im Druck- und Kokillenguss, um Wandstärken weiter zu reduzieren und die Gießbarkeit zu verbessern. Anforderungen aus der Praxis fließen früh ein: Das Projektteam prüft Demonstratorbauteile unter realen Dauerbelastungen. So entsteht ein Werkstoff, der ressourcenschonend verarbeitet werden kann und neue Leichtbauanwendungen in vielen Branchen eröffnet.
Zunächst passt das Projektteam bestehende Kupferlegierungen wie Aluminiumbronzen und Messinge an die Anforderungen des Druckgusses an. Darauf aufbauend entwickeln die Forschenden eine neuartige Legierung, die mechanisch-technologisch deutlich leistungsfähiger ist. Parallel erfassen sie das Verhalten des Werkstoffs unter wechselnden Belastungen in systematischen Versuchen und leiten daraus Bemessungsroutinen für dünnwandige Strukturen ab.
Neben der Legierungsentwicklung optimieren die Projektpartner auch die Prozessführung im Druck- und Kokillenguss, um Wandstärken weiter zu reduzieren und die Gießbarkeit zu verbessern. Anforderungen aus der Praxis fließen früh ein: Das Projektteam prüft Demonstratorbauteile unter realen Dauerbelastungen. So entsteht ein Werkstoff, der ressourcenschonend verarbeitet werden kann und neue Leichtbauanwendungen in vielen Branchen eröffnet.
LeKkA
Kunststoffgetriebe effizienter bauen: dank neuer standardisierter Prüfverfahren
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
31.03.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Stahl, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Kunststoffgetriebe mit sich kreuzenden Achsen sind eine Schlüsseltechnologie in zahlreichen Anwendungen wie E-Bikes, Industrierobotern und Medizintechnik. Sie ermöglichen präzise Bewegungen und sparen durch ihr geringes Gewicht Energie. Dennoch fehlt es an wissenschaftlichen Daten zu ihrem Verhalten unter Belastung. Insbesondere zur Tragfähigkeit, zum Wirkungsgrad und zum Verschleißverhalten liegen keine standardisierten Erkenntnisse vor.
Unternehmen mussten daher bisher auf konservative Annahmen zurückgreifen, was häufig zu überdimensionierten Bauteilen führte. Gleichzeitig wurde das Potenzial zur Material- und Gewichtseinsparung nicht ausgeschöpft. Angesichts steigender Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit ist es dringend notwendig, das Verständnis dieser Getriebe wissenschaftlich zu vertiefen und ihre Leistungsfähigkeit zu optimieren.
Kunststoffgetriebe mit sich kreuzenden Achsen sind eine Schlüsseltechnologie in zahlreichen Anwendungen wie E-Bikes, Industrierobotern und Medizintechnik. Sie ermöglichen präzise Bewegungen und sparen durch ihr geringes Gewicht Energie. Dennoch fehlt es an wissenschaftlichen Daten zu ihrem Verhalten unter Belastung. Insbesondere zur Tragfähigkeit, zum Wirkungsgrad und zum Verschleißverhalten liegen keine standardisierten Erkenntnisse vor.
Unternehmen mussten daher bisher auf konservative Annahmen zurückgreifen, was häufig zu überdimensionierten Bauteilen führte. Gleichzeitig wurde das Potenzial zur Material- und Gewichtseinsparung nicht ausgeschöpft. Angesichts steigender Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit ist es dringend notwendig, das Verständnis dieser Getriebe wissenschaftlich zu vertiefen und ihre Leistungsfähigkeit zu optimieren.
Ziel
Hier setzt das Forschungsprojekt LeKkA an. Ziel ist es, die Konstruktion und Nutzung dieser Antriebskomponenten grundlegend zu verbessern. Dafür entwickelt das Projektteam neue Prüfmethoden, die Tragfähigkeit und Verschleiß präzise erfassen.
Im Fokus steht die Werkstoffpaarung PEEK/PEEK, die durch hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Reibung und ausgezeichnete Verschleißeigenschaften überzeugt. So wollen die Forschenden das Gewicht der Getriebe deutlich reduzieren, ohne ihre Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Damit sollen Unternehmen künftig in der Lage sein, ressourcenschonende und leistungsstarke Antriebe für anspruchsvolle Einsatzbereiche zu realisieren.
Hier setzt das Forschungsprojekt LeKkA an. Ziel ist es, die Konstruktion und Nutzung dieser Antriebskomponenten grundlegend zu verbessern. Dafür entwickelt das Projektteam neue Prüfmethoden, die Tragfähigkeit und Verschleiß präzise erfassen.
Im Fokus steht die Werkstoffpaarung PEEK/PEEK, die durch hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Reibung und ausgezeichnete Verschleißeigenschaften überzeugt. So wollen die Forschenden das Gewicht der Getriebe deutlich reduzieren, ohne ihre Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Damit sollen Unternehmen künftig in der Lage sein, ressourcenschonende und leistungsstarke Antriebe für anspruchsvolle Einsatzbereiche zu realisieren.
Vorgehen
Die Forschenden untersuchen die Tragfähigkeit und das Verschleißverhalten von Kunststoffverzahnungen systematisch in Laborversuchen. Sie entwickeln ein standardisiertes Prüfverfahren, das reproduzierbare Ergebnisse unter verschiedenen Belastungs- und Temperaturbedingungen liefert.
Ergänzend dazu erarbeitet das Projektteam ein theoretisches Modell, das die komplexen Wechselwirkungen zwischen Zahngeometrie, Werkstoffeigenschaften und Betriebsbedingungen beschreibt. Dieses Modell erlaubt es, Getriebe präzise zu dimensionieren und ihren Wirkungsgrad zu optimieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass PEEK/PEEK-Paarungen das Potenzial haben, die bisherige Materialnutzung erheblich zu verbessern.
Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine belastbare Grundlage für die Entwicklung leichterer, effizienterer Antriebssysteme und senken gleichzeitig den Materialverbrauch und die CO₂-Bilanz.
Die Forschenden untersuchen die Tragfähigkeit und das Verschleißverhalten von Kunststoffverzahnungen systematisch in Laborversuchen. Sie entwickeln ein standardisiertes Prüfverfahren, das reproduzierbare Ergebnisse unter verschiedenen Belastungs- und Temperaturbedingungen liefert.
Ergänzend dazu erarbeitet das Projektteam ein theoretisches Modell, das die komplexen Wechselwirkungen zwischen Zahngeometrie, Werkstoffeigenschaften und Betriebsbedingungen beschreibt. Dieses Modell erlaubt es, Getriebe präzise zu dimensionieren und ihren Wirkungsgrad zu optimieren. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass PEEK/PEEK-Paarungen das Potenzial haben, die bisherige Materialnutzung erheblich zu verbessern.
Die gewonnenen Erkenntnisse schaffen eine belastbare Grundlage für die Entwicklung leichterer, effizienterer Antriebssysteme und senken gleichzeitig den Materialverbrauch und die CO₂-Bilanz.
LESSMAT
Züge und Schiffe leichter bauen: Kraftflussgerechte, automatisierte Differentialstrukturen
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl
Hintergrund
Schienenfahrzeuge und Kreuzfahrtschiffe haben in ihren Rohbaustrukturen die größte Einzelmasse. Diese Masse zu reduzieren, bietet enormes Potenzial zur Einsparung von Energie und CO₂. Ein Leichtbausystem, das diese Masse um 20 Prozent reduziert, kann den Energiebedarf erheblich verringern. Gleichzeitig stehen beide Branchen vor der Herausforderung, dass nachhaltige Lösungen wirtschaftlich tragfähig bleiben müssen.
Deshalb ist es notwendig, die Leichtbaumaßnahmen nicht nur in der Konstruktion, sondern auch in der Produktion ohne Mehrkosten umzusetzen. Automatisierte Fertigungsprozesse spielen dabei eine Schlüsselrolle, um Kosten zu senken und die Herstellung effizienter zu gestalten. Hier setzt das Forschungsprojekt LESSMAT an.
Schienenfahrzeuge und Kreuzfahrtschiffe haben in ihren Rohbaustrukturen die größte Einzelmasse. Diese Masse zu reduzieren, bietet enormes Potenzial zur Einsparung von Energie und CO₂. Ein Leichtbausystem, das diese Masse um 20 Prozent reduziert, kann den Energiebedarf erheblich verringern. Gleichzeitig stehen beide Branchen vor der Herausforderung, dass nachhaltige Lösungen wirtschaftlich tragfähig bleiben müssen.
Deshalb ist es notwendig, die Leichtbaumaßnahmen nicht nur in der Konstruktion, sondern auch in der Produktion ohne Mehrkosten umzusetzen. Automatisierte Fertigungsprozesse spielen dabei eine Schlüsselrolle, um Kosten zu senken und die Herstellung effizienter zu gestalten. Hier setzt das Forschungsprojekt LESSMAT an.
Ziel
Bei LESSMAT entwickelt das Team ein branchenübergreifendes Leichtbausystem, das die lokale Materialausnutzung maximiert und gleichzeitig die Produktionskosten senkt. Die Forschenden konzentrieren sich auf Baugruppen, die in beiden Branchen vorkommen, wie Seitenwände, Dächer und Unterböden bei Schienenfahrzeugen oder Decksektionen und Wände bei Kreuzfahrtschiffen. Die Konstruktionen basieren auf der Differentialbauweise, bei der Bleche mit Versteifungselementen kombiniert werden. Ziel ist es, mit minimalem Materialeinsatz eine maximale Festig- und Steifikeit zu erreichen.
Gleichzeitig entwickelt das Projektteam automatisierte Fertigungsprozesse, die geringe Losgrößen und Variantenvielfalt berücksichtigen. Eine zentrale Aufgabe ist die Integration digitaler Werkzeuge, um Konstruktionsdaten direkt in die Fertigung zu übertragen. Das Projekt schafft damit nicht nur leichtere und gleichzeitig belastbare Bauteile, sondern auch eine kosteneffiziente Produktion.
Bei LESSMAT entwickelt das Team ein branchenübergreifendes Leichtbausystem, das die lokale Materialausnutzung maximiert und gleichzeitig die Produktionskosten senkt. Die Forschenden konzentrieren sich auf Baugruppen, die in beiden Branchen vorkommen, wie Seitenwände, Dächer und Unterböden bei Schienenfahrzeugen oder Decksektionen und Wände bei Kreuzfahrtschiffen. Die Konstruktionen basieren auf der Differentialbauweise, bei der Bleche mit Versteifungselementen kombiniert werden. Ziel ist es, mit minimalem Materialeinsatz eine maximale Festig- und Steifikeit zu erreichen.
Gleichzeitig entwickelt das Projektteam automatisierte Fertigungsprozesse, die geringe Losgrößen und Variantenvielfalt berücksichtigen. Eine zentrale Aufgabe ist die Integration digitaler Werkzeuge, um Konstruktionsdaten direkt in die Fertigung zu übertragen. Das Projekt schafft damit nicht nur leichtere und gleichzeitig belastbare Bauteile, sondern auch eine kosteneffiziente Produktion.
Vorgehen
Das Projektteam arbeitet an drei Kernbereichen. Erstens entwickeln die Forschenden eine Bauweise, die eine höhere lokale Materialausnutzung ermöglicht. Zum Beispiel durch bionische Strukturen, optimierten Materialeinsatz und teildifferentiale Baugruppen können sie die Masse der Flachbaugruppen erheblich reduzieren. Zweitens wird eine Automatisierungslösung erstellt, die die Fertigungsschritte wie Zuführen, Positionieren, Fügen und Prüfen übernimmt. Ziel ist es, diese Prozesse an die Anforderungen kleiner Fertigungslose, also Produktionschargen mit geringer Stückzahl, anzupassen und gleichzeitig eine hohe Flexibilität für unterschiedliche Varianten zu gewährleisten.
Drittens verknüpfen die Forschenden digitale Technologien mit der Konstruktion. Simulationsmethoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) prüfen bereits in der Konstruktionsphase die Automatisierbarkeit der Bauweise. Zudem ermöglicht die digitale Verknüpfung die nahtlose Übertragung von Konstruktionsdaten an die Fertigung. Die entwickelten Technologien werden in realen Tests überprüft und optimiert.
Das Projektteam arbeitet an drei Kernbereichen. Erstens entwickeln die Forschenden eine Bauweise, die eine höhere lokale Materialausnutzung ermöglicht. Zum Beispiel durch bionische Strukturen, optimierten Materialeinsatz und teildifferentiale Baugruppen können sie die Masse der Flachbaugruppen erheblich reduzieren. Zweitens wird eine Automatisierungslösung erstellt, die die Fertigungsschritte wie Zuführen, Positionieren, Fügen und Prüfen übernimmt. Ziel ist es, diese Prozesse an die Anforderungen kleiner Fertigungslose, also Produktionschargen mit geringer Stückzahl, anzupassen und gleichzeitig eine hohe Flexibilität für unterschiedliche Varianten zu gewährleisten.
Drittens verknüpfen die Forschenden digitale Technologien mit der Konstruktion. Simulationsmethoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) prüfen bereits in der Konstruktionsphase die Automatisierbarkeit der Bauweise. Zudem ermöglicht die digitale Verknüpfung die nahtlose Übertragung von Konstruktionsdaten an die Fertigung. Die entwickelten Technologien werden in realen Tests überprüft und optimiert.
LE²GRO
Landmaschinen nachhaltiger bauen: leichte und modulare Tragstruktur für Düngemittelstreuer
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Multi-Material-Verbund)
Hintergrund
Die steigende globale Nachfrage nach Lebensmitteln und nachwachsenden Rohstoffen erfordert eine zunehmend intensivere Landwirtschaft. Damit einher gehen Probleme wie eine zunehmende Bodenverdichtung, die auch durch die immer schwerer werdenden Maschinen verursacht wird. Konventionelle Düngerstreuergestänge aus Edelstahlstrukturen sind in ihrer Stahlleichtbauweise bereits so optimiert, dass keine großen Gewichtseinsparungen mehr möglich sind. Mit innovativen Technologien und neuen Materialansätzen kann Leichtbau dazu beitragen, die Maschinen leichter und effizienter zu machen und so die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.
Die steigende globale Nachfrage nach Lebensmitteln und nachwachsenden Rohstoffen erfordert eine zunehmend intensivere Landwirtschaft. Damit einher gehen Probleme wie eine zunehmende Bodenverdichtung, die auch durch die immer schwerer werdenden Maschinen verursacht wird. Konventionelle Düngerstreuergestänge aus Edelstahlstrukturen sind in ihrer Stahlleichtbauweise bereits so optimiert, dass keine großen Gewichtseinsparungen mehr möglich sind. Mit innovativen Technologien und neuen Materialansätzen kann Leichtbau dazu beitragen, die Maschinen leichter und effizienter zu machen und so die Landwirtschaft nachhaltiger zu gestalten.
Ziel
Das Projekt LE²GRO zielt darauf ab, eine seriennahe, gewichtsreduzierte und modulare Tragstruktur für Düngerstreuer-Ausleger zu entwickeln. Durch den Einsatz neuartiger Leichtbautechnologien in Form von geflochtenen Faser-Thermoplast-Verbundprofilen sollen schwere und kostenintensive Edelstahlrohre ersetzt werden. Dies ermöglicht eine umfassende Fertigungs-, Struktur- und Funktionsintegration, während kostenintensive Nachbearbeitungsschritte vermieden werden. Dabei streben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur die technologische Innovation an, sondern auch eine ökonomisch sinnvolle Lösung für die Landmaschinenindustrie.
Das Projekt LE²GRO zielt darauf ab, eine seriennahe, gewichtsreduzierte und modulare Tragstruktur für Düngerstreuer-Ausleger zu entwickeln. Durch den Einsatz neuartiger Leichtbautechnologien in Form von geflochtenen Faser-Thermoplast-Verbundprofilen sollen schwere und kostenintensive Edelstahlrohre ersetzt werden. Dies ermöglicht eine umfassende Fertigungs-, Struktur- und Funktionsintegration, während kostenintensive Nachbearbeitungsschritte vermieden werden. Dabei streben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur die technologische Innovation an, sondern auch eine ökonomisch sinnvolle Lösung für die Landmaschinenindustrie.
Vorgehen
Die Forschenden nutzen das Continuous Blow Moulding-Verfahren für die Herstellung faserverstärkter Thermoplast-Hohlprofile und entwickeln ein digitales Tool zur automatisierten Auslegung und Dimensionierung der Tragstruktur. Dabei entwickeln sie belastungsgerechte Profilverbindungen sowie innovative geflochtene Knotenstrukturen und setzen sie prototypisch um. Die Modularisierung der Tragwerksstruktur ermöglicht eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzszenarien und trägt zur Effizienzsteigerung beim Ausbringen des Düngers bei. Integrierte Sensorik ermöglicht darüber hinaus die kontinuierliche Überwachung und Optimierung der Landmaschine.
Zusätzlich entwickeln die Forschenden Prozessketten weiter, um eine wirtschaftliche Herstellung funktionaler Tragwerksprofilstrukturen zu gewährleisten und eine durchgängige Qualitätsüberwachung sicherzustellen. Der innovative Ansatz der Multi-Material-Tragwerkkonstruktion verspricht nicht nur eine signifikante Reduzierung der Bauteilkomplexität, sondern auch eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Agrarindustrie sowie eine nachhaltigere Gestaltung der Landwirtschaft durch eine Verringerung der Bodenverdichtung und eine optimierte Düngerausbringung.
Die Projektbeteiligten sind mit dem 1. Platz in der Kategorie „Innovative Produkte und Anwendungen“ des AVK Innovationspreises 2024 ausgezeichnet.
Die Forschenden nutzen das Continuous Blow Moulding-Verfahren für die Herstellung faserverstärkter Thermoplast-Hohlprofile und entwickeln ein digitales Tool zur automatisierten Auslegung und Dimensionierung der Tragstruktur. Dabei entwickeln sie belastungsgerechte Profilverbindungen sowie innovative geflochtene Knotenstrukturen und setzen sie prototypisch um. Die Modularisierung der Tragwerksstruktur ermöglicht eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzszenarien und trägt zur Effizienzsteigerung beim Ausbringen des Düngers bei. Integrierte Sensorik ermöglicht darüber hinaus die kontinuierliche Überwachung und Optimierung der Landmaschine.
Zusätzlich entwickeln die Forschenden Prozessketten weiter, um eine wirtschaftliche Herstellung funktionaler Tragwerksprofilstrukturen zu gewährleisten und eine durchgängige Qualitätsüberwachung sicherzustellen. Der innovative Ansatz der Multi-Material-Tragwerkkonstruktion verspricht nicht nur eine signifikante Reduzierung der Bauteilkomplexität, sondern auch eine verbesserte Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Agrarindustrie sowie eine nachhaltigere Gestaltung der Landwirtschaft durch eine Verringerung der Bodenverdichtung und eine optimierte Düngerausbringung.
Die Projektbeteiligten sind mit dem 1. Platz in der Kategorie „Innovative Produkte und Anwendungen“ des AVK Innovationspreises 2024 ausgezeichnet.
Light-Light-Roof
Glas-Folien-Dächer sparen Ressourcen ein: modulares lichtdurchlässiges Dachystem
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
31.12.23
Anwendung:
Material:
Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Dächer aus Glas überspannen Bahnhöfe, Freizeitbäder oder Einkaufpassagen. Diese lichtdurchlässigen Überkopfverglasungen sind meist aus mehreren Scheiben Isolierglas gefertigt. Was hell und leicht wirkt, ist tatsächlich schwer und verbraucht viele Ressourcen. Das wirkt sich nachteilig auf die Gesamtkonstruktion, den Materialtransport sowie die Montage aus. Leichtere folienbasierte Materialien wiederum werden heute noch erprobt. Es fehlt ein zusammengeführtes Gesamtsystem.
Die Projektpartner entwickeln ein innovatives, leichtes und modulares Leichtbausystem zur lichtdurchlässigen Dacheindeckung. Hierfür kombinieren sie ein Glas-Folie-Modulsystem mit einem Innendach aus einem mobilen, lichtdurchlässigen und IR-reflektierenden Gewebe. Das modulare System besteht aus ETFE-Folienbespannung (ETFE: Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) und Einscheibensicherheitsglas. ETFE ist mittlerweile für bis zu 95 Prozent des Lichts durchlässig. Insbesondere in der Architektur gewinnen diese Gebäudehüllen zunehmend an Bedeutung, da die Materialien besser charakterisiert sind und zum Beispiel durch Verklebung und Verschweißung produktionstechnische Hemmnisse behoben werden konnten. Prominente Beispiele für den Einsatz von ETFE sind die „Allianz Arena“ in München und der „Water Cube“ in Peking.
Dächer aus Glas überspannen Bahnhöfe, Freizeitbäder oder Einkaufpassagen. Diese lichtdurchlässigen Überkopfverglasungen sind meist aus mehreren Scheiben Isolierglas gefertigt. Was hell und leicht wirkt, ist tatsächlich schwer und verbraucht viele Ressourcen. Das wirkt sich nachteilig auf die Gesamtkonstruktion, den Materialtransport sowie die Montage aus. Leichtere folienbasierte Materialien wiederum werden heute noch erprobt. Es fehlt ein zusammengeführtes Gesamtsystem.
Die Projektpartner entwickeln ein innovatives, leichtes und modulares Leichtbausystem zur lichtdurchlässigen Dacheindeckung. Hierfür kombinieren sie ein Glas-Folie-Modulsystem mit einem Innendach aus einem mobilen, lichtdurchlässigen und IR-reflektierenden Gewebe. Das modulare System besteht aus ETFE-Folienbespannung (ETFE: Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) und Einscheibensicherheitsglas. ETFE ist mittlerweile für bis zu 95 Prozent des Lichts durchlässig. Insbesondere in der Architektur gewinnen diese Gebäudehüllen zunehmend an Bedeutung, da die Materialien besser charakterisiert sind und zum Beispiel durch Verklebung und Verschweißung produktionstechnische Hemmnisse behoben werden konnten. Prominente Beispiele für den Einsatz von ETFE sind die „Allianz Arena“ in München und der „Water Cube“ in Peking.
Ziel
Das Projektteam errechnet, dass das lichtdurchlässige Dachsystem aus Glas und Folie 75 Prozent weniger wiegen wird als konventionelle Dacheindeckungen mit dreifach Isolierglas. Daraus ergibt sich pro Quadratmeter Fläche für das Leichtbausystem Light-Light-Roof eine CO₂-Einsparung von bis zu 29,2 kg. Im Gartenbau und Pflanzenhandel prognostizieren die Projektpartner damit in zehn Jahren für die europaweite „Produktion unter Glas“ eine CO₂-Reduktion von über 1,4 Millionen Tonnen. Hinzu kommen weitere, derzeit noch nicht quantifizierbare Einsparungen in der Gebäudekonstruktion: So könnten Architekten zum Beispiel schlankere und leichtere Gebäude entwerfen, da das Tragwerk deutlich weniger Last stemmen muss. Neben dem Pflanzenhandel ist Light-Light-Roof auch für andere Märkte interessant, etwa für den Bau von Einkaufspassagen, Bahnhöfen, Freizeitbädern, Hotels oder Gebäudefassaden.
Das Projektteam errechnet, dass das lichtdurchlässige Dachsystem aus Glas und Folie 75 Prozent weniger wiegen wird als konventionelle Dacheindeckungen mit dreifach Isolierglas. Daraus ergibt sich pro Quadratmeter Fläche für das Leichtbausystem Light-Light-Roof eine CO₂-Einsparung von bis zu 29,2 kg. Im Gartenbau und Pflanzenhandel prognostizieren die Projektpartner damit in zehn Jahren für die europaweite „Produktion unter Glas“ eine CO₂-Reduktion von über 1,4 Millionen Tonnen. Hinzu kommen weitere, derzeit noch nicht quantifizierbare Einsparungen in der Gebäudekonstruktion: So könnten Architekten zum Beispiel schlankere und leichtere Gebäude entwerfen, da das Tragwerk deutlich weniger Last stemmen muss. Neben dem Pflanzenhandel ist Light-Light-Roof auch für andere Märkte interessant, etwa für den Bau von Einkaufspassagen, Bahnhöfen, Freizeitbädern, Hotels oder Gebäudefassaden.
Vorgehen
Die Projektpartner erstellen einen Prototyp, den sie unter realen Bedingungen testen. In repräsentativem Umfeld: Im Dachgewächshaus „Altmarktgarten Oberhausen“ untersuchen sie das Glas-Folien-Dach in unterschiedlichen Materialkombinationen auf einer Dachfläche von 40 m² im Ganzjahresbetrieb. Der „Altmarktgarten Oberhausen“ ist ein gebäudeintegriertes Dachgewächshaus mit eigenem Forschungs- und Entwicklungsbereich. Er ist ein Leuchtturmprojekt des Bundesprogramms „Nationale Projekte des Städtebaus“ und erreicht dadurch eine hohe Aufmerksamkeit. Ergänzend wird das System für den Einsatzfall „Fassade“ am Standort des Fraunhofer UMSICHT demonstriert und untersucht.
Das Projektteam installiert im Dachgewächshaus ein Sensornetzwerk, um das Licht- und Klimamanagement des Gesamtsystems zu untersuchen und zu veranschaulichen. Neben der Visualisierung der gesamten Datenbasis werden unterschiedliche Teilvisualisierungen geschaffen, die Einblicke in das Temperatur- und Feuchteverhalten der einzelnen Ebenen liefern. Neben einer übersichtlichen Datenauswertung wird diese Visualisierung vor allem für die Demonstration eingesetzt. Interessentinnen und Interessenten können übersichtlich und intuitiv das Betriebsverhalten des Systems bei Änderungen von Umgebungsparametern nachvollziehen, etwa dem Öffnen und Schließen der Lüftungen. Das Projektteam adressiert bei der Umsetzung in die Praxis insbesondere den expandierenden Markt von im urbanen Raum angesiedelten Produktionssystemen.
Die Projektpartner erstellen einen Prototyp, den sie unter realen Bedingungen testen. In repräsentativem Umfeld: Im Dachgewächshaus „Altmarktgarten Oberhausen“ untersuchen sie das Glas-Folien-Dach in unterschiedlichen Materialkombinationen auf einer Dachfläche von 40 m² im Ganzjahresbetrieb. Der „Altmarktgarten Oberhausen“ ist ein gebäudeintegriertes Dachgewächshaus mit eigenem Forschungs- und Entwicklungsbereich. Er ist ein Leuchtturmprojekt des Bundesprogramms „Nationale Projekte des Städtebaus“ und erreicht dadurch eine hohe Aufmerksamkeit. Ergänzend wird das System für den Einsatzfall „Fassade“ am Standort des Fraunhofer UMSICHT demonstriert und untersucht.
Das Projektteam installiert im Dachgewächshaus ein Sensornetzwerk, um das Licht- und Klimamanagement des Gesamtsystems zu untersuchen und zu veranschaulichen. Neben der Visualisierung der gesamten Datenbasis werden unterschiedliche Teilvisualisierungen geschaffen, die Einblicke in das Temperatur- und Feuchteverhalten der einzelnen Ebenen liefern. Neben einer übersichtlichen Datenauswertung wird diese Visualisierung vor allem für die Demonstration eingesetzt. Interessentinnen und Interessenten können übersichtlich und intuitiv das Betriebsverhalten des Systems bei Änderungen von Umgebungsparametern nachvollziehen, etwa dem Öffnen und Schließen der Lüftungen. Das Projektteam adressiert bei der Umsetzung in die Praxis insbesondere den expandierenden Markt von im urbanen Raum angesiedelten Produktionssystemen.
Light4Speed
Für E-Antriebe: Höchstdrehzahl-Getriebe belastungsgerecht und ressourceneffizient auslegen
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Mit dem Übergang zur Elektromobilität verändern sich auch die Anforderungen an den Antriebsstrang – und damit an die Getriebetechnik. Zwar benötigen Elektrofahrzeuge weniger mechanische Komponenten als konventionelle Antriebe, doch gerade bei den verbleibenden Bauteilen rücken Effizienz und Leichtbau in den Fokus. Weniger Gewicht bedeutet geringeren Energieverbrauch, verbesserte Reichweite und verringerte CO₂-Emissionen im Betrieb.
Elektromotoren müssen bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment liefern und fallen dadurch oft groß und schwer aus. Hochdrehzahlkonzepte eröffnen hier Möglichkeiten: Kleinere, leichtere Motoren erreichen bei deutlich höheren Drehzahlen die gleiche Leistung – vorausgesetzt, das Getriebe kann diese effizient untersetzen. Hier setzen moderne Höchstdrehzahl-Getriebe an.
Mit steigenden Drehzahlen steigen jedoch auch die Fliehkräfte im Zahnrad – insbesondere im Bereich des Zahnfußes. Diese Beanspruchungen bilden heutige Berechnungsnormen nicht ausreichend ab. Eine optimierte, gewichtsreduzierte Auslegung wird dadurch erschwert. Zugleich ist Leichtbau ein Schlüssel, um CO₂-Emissionen über den gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus hinweg zu senken – durch weniger Materialeinsatz und geringeren Energieverbrauch im Betrieb. Vor diesem Hintergrund braucht es neue, normfähige Ansätze für Zahnräder im Hochdrehzahlbereich und neue Methoden zur Steigerung der Tragfähigkeit von Verzahnungen in E-Antrieben. Hier setzt das Projekt Light4Speed an.
Mit dem Übergang zur Elektromobilität verändern sich auch die Anforderungen an den Antriebsstrang – und damit an die Getriebetechnik. Zwar benötigen Elektrofahrzeuge weniger mechanische Komponenten als konventionelle Antriebe, doch gerade bei den verbleibenden Bauteilen rücken Effizienz und Leichtbau in den Fokus. Weniger Gewicht bedeutet geringeren Energieverbrauch, verbesserte Reichweite und verringerte CO₂-Emissionen im Betrieb.
Elektromotoren müssen bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment liefern und fallen dadurch oft groß und schwer aus. Hochdrehzahlkonzepte eröffnen hier Möglichkeiten: Kleinere, leichtere Motoren erreichen bei deutlich höheren Drehzahlen die gleiche Leistung – vorausgesetzt, das Getriebe kann diese effizient untersetzen. Hier setzen moderne Höchstdrehzahl-Getriebe an.
Mit steigenden Drehzahlen steigen jedoch auch die Fliehkräfte im Zahnrad – insbesondere im Bereich des Zahnfußes. Diese Beanspruchungen bilden heutige Berechnungsnormen nicht ausreichend ab. Eine optimierte, gewichtsreduzierte Auslegung wird dadurch erschwert. Zugleich ist Leichtbau ein Schlüssel, um CO₂-Emissionen über den gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus hinweg zu senken – durch weniger Materialeinsatz und geringeren Energieverbrauch im Betrieb. Vor diesem Hintergrund braucht es neue, normfähige Ansätze für Zahnräder im Hochdrehzahlbereich und neue Methoden zur Steigerung der Tragfähigkeit von Verzahnungen in E-Antrieben. Hier setzt das Projekt Light4Speed an.
Ziel
Das Projektteam entwickelt neue Methoden, um Zahnräder für Höchstdrehzahlgetriebe gewichts- und belastungsgerecht auszulegen. Ziel ist es, die wachsenden Fliehkräfte bei Drehzahlen bis 50.000 Umdrehungen pro Minute sowohl konstruktiv als auch rechnerisch zu beherrschen – und so leichtere, ressourcenschonende Antriebslösungen zu ermöglichen.
Im Mittelpunkt steht der Zahnfuß, der durch die Überlagerung von Fliehkräften und dem zur Kraftübertragung notwendigen Drehmoment besonders beansprucht wird. Die Forschenden verfolgen einen integralen Ansatz: Sie kombinieren Form-, Stoff- und Fertigungsleichtbau zur Steigerung der Tragfähigkeit und analysieren den Einfluss von Fliehkräften auf Spannung und Schädigungsverhalten.
Dabei geht es nicht nur um neue Konstruktionsrichtlinien. Das Team wird auch einen vereinfachten Berechnungsansatz entwickeln, der sich in Zukunft in Normen wie die ISO 6336 integrieren lässt. Zusätzlich sollen zuverlässige Prüfverfahren entstehen, mit denen sich der Fliehkrafteinfluss effizient bewerten lässt.
So entsteht eine fundierte Grundlage für die Entwicklung innovativer Getriebe in der Elektromobilität. Gleichzeitig leistet das Projekt einen konkreten Beitrag zur CO₂-Einsparung – etwa durch die Einsparung von Material durch die Steigerung der Tragfähigkeit der in E-Getrieben eingesetzten Verzahnungen.
Das Projektteam entwickelt neue Methoden, um Zahnräder für Höchstdrehzahlgetriebe gewichts- und belastungsgerecht auszulegen. Ziel ist es, die wachsenden Fliehkräfte bei Drehzahlen bis 50.000 Umdrehungen pro Minute sowohl konstruktiv als auch rechnerisch zu beherrschen – und so leichtere, ressourcenschonende Antriebslösungen zu ermöglichen.
Im Mittelpunkt steht der Zahnfuß, der durch die Überlagerung von Fliehkräften und dem zur Kraftübertragung notwendigen Drehmoment besonders beansprucht wird. Die Forschenden verfolgen einen integralen Ansatz: Sie kombinieren Form-, Stoff- und Fertigungsleichtbau zur Steigerung der Tragfähigkeit und analysieren den Einfluss von Fliehkräften auf Spannung und Schädigungsverhalten.
Dabei geht es nicht nur um neue Konstruktionsrichtlinien. Das Team wird auch einen vereinfachten Berechnungsansatz entwickeln, der sich in Zukunft in Normen wie die ISO 6336 integrieren lässt. Zusätzlich sollen zuverlässige Prüfverfahren entstehen, mit denen sich der Fliehkrafteinfluss effizient bewerten lässt.
So entsteht eine fundierte Grundlage für die Entwicklung innovativer Getriebe in der Elektromobilität. Gleichzeitig leistet das Projekt einen konkreten Beitrag zur CO₂-Einsparung – etwa durch die Einsparung von Material durch die Steigerung der Tragfähigkeit der in E-Getrieben eingesetzten Verzahnungen.
Vorgehen
Die Forschenden untersuchen, wie sich Fliehkräfte bei sehr hohen Drehzahlen auf die Lebensdauer und das Versagensverhalten von Zahnrädern auswirken. Dafür nutzen sie experimentelle Prüfstände und numerische Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode (FEM). Diese zerlegt das Bauteil in viele Elemente und zeigt so, wie sich Belastungen im Material verteilen. Die gewonnenen Daten fließen in die Entwicklung neuer Auslegungsmodelle ein.
Parallel dazu erproben die Forschenden verschiedene Leichtbaustrategien. Beim Formleichtbau gestalten sie die Zahnradstruktur gezielt – etwa mit Hohlräumen, Rippen oder bionisch inspirierten Formen – um bei minimalem Materialeinsatz eine hohe Tragfähigkeit zu erreichen. Stoffleichtbau nutzt speziell angepasste Werkstoffe und Wärmebehandlungen, um das Gefüge und die Eigenspannungen im Zahnfuß so zu verändern, dass Risse langsamer entstehen oder sich gar nicht erst bilden. Der Fertigungsleichtbau setzt auf Verfahren wie optimierte Kugelstrahlverfahren oder gezieltes Abschrecken unter Vorspannung, um zusätzliche Druckeigenspannungen einzubringen.
Alle Konzepte testen die Projektpartner unter realitätsnahen Bedingungen inklusive dem sogenannten „Ultra High Cycle Fatigue“-Bereich, bei extrem hohen Lastwechselzahlen. Abschließend vergleichen sie die Konzepte systematisch und entwickeln Empfehlungen für die industrielle Praxis. Ziel ist es, praxistaugliche und normfähige Technologien für Getriebe im Bereich der E-Mobilität bereitzustellen.
Die Forschenden untersuchen, wie sich Fliehkräfte bei sehr hohen Drehzahlen auf die Lebensdauer und das Versagensverhalten von Zahnrädern auswirken. Dafür nutzen sie experimentelle Prüfstände und numerische Verfahren wie die Finite-Elemente-Methode (FEM). Diese zerlegt das Bauteil in viele Elemente und zeigt so, wie sich Belastungen im Material verteilen. Die gewonnenen Daten fließen in die Entwicklung neuer Auslegungsmodelle ein.
Parallel dazu erproben die Forschenden verschiedene Leichtbaustrategien. Beim Formleichtbau gestalten sie die Zahnradstruktur gezielt – etwa mit Hohlräumen, Rippen oder bionisch inspirierten Formen – um bei minimalem Materialeinsatz eine hohe Tragfähigkeit zu erreichen. Stoffleichtbau nutzt speziell angepasste Werkstoffe und Wärmebehandlungen, um das Gefüge und die Eigenspannungen im Zahnfuß so zu verändern, dass Risse langsamer entstehen oder sich gar nicht erst bilden. Der Fertigungsleichtbau setzt auf Verfahren wie optimierte Kugelstrahlverfahren oder gezieltes Abschrecken unter Vorspannung, um zusätzliche Druckeigenspannungen einzubringen.
Alle Konzepte testen die Projektpartner unter realitätsnahen Bedingungen inklusive dem sogenannten „Ultra High Cycle Fatigue“-Bereich, bei extrem hohen Lastwechselzahlen. Abschließend vergleichen sie die Konzepte systematisch und entwickeln Empfehlungen für die industrielle Praxis. Ziel ist es, praxistaugliche und normfähige Technologien für Getriebe im Bereich der E-Mobilität bereitzustellen.
LIGHT_ENABLER
Hochfeste Auminiumbauteile effizient fertigen: mit Hochtemperatur-Druckumformung
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Hochfeste Aluminiumlegierungen sind für die Automobilindustrie eine vielversprechende Möglichkeit, den Materialverbrauch und CO₂-Ausstoß zu senken. Diese Werkstoffe bieten ein optimales Verhältnis von Gewicht und Festigkeit und sind damit geeignet für den Einsatz in tragenden Strukturbauteilen wie Karosseriekomponenten. Doch die Verarbeitung hochfester Aluminiumlegierungen stößt bisher mit konventionellen Umformtechniken schnell an ihre Grenzen: Die geringe Umformbarkeit dieser Werkstoffe bei Raumtemperatur führt häufig zu Rissen, was ihre Anwendung in der Großserienproduktion erschwert.
Die Warmumformung bietet hier einen Ausweg, da höhere Temperaturen die Fließfähigkeit verbessern und Spannungsrisse vermeiden können. Die Hochtemperatur-Druckumformung (HDF-Technologie) bietet eine innovative Lösung, indem durch gezielte Erwärmung und präzise Druckführung eine effiziente Verarbeitung dieser Legierungen ermöglicht wird. Allerdings fehlen bislang optimierte, großserientaugliche Prozessketten, die eine wirtschaftliche Fertigung komplexer Bauteile erlauben.
Hochfeste Aluminiumlegierungen sind für die Automobilindustrie eine vielversprechende Möglichkeit, den Materialverbrauch und CO₂-Ausstoß zu senken. Diese Werkstoffe bieten ein optimales Verhältnis von Gewicht und Festigkeit und sind damit geeignet für den Einsatz in tragenden Strukturbauteilen wie Karosseriekomponenten. Doch die Verarbeitung hochfester Aluminiumlegierungen stößt bisher mit konventionellen Umformtechniken schnell an ihre Grenzen: Die geringe Umformbarkeit dieser Werkstoffe bei Raumtemperatur führt häufig zu Rissen, was ihre Anwendung in der Großserienproduktion erschwert.
Die Warmumformung bietet hier einen Ausweg, da höhere Temperaturen die Fließfähigkeit verbessern und Spannungsrisse vermeiden können. Die Hochtemperatur-Druckumformung (HDF-Technologie) bietet eine innovative Lösung, indem durch gezielte Erwärmung und präzise Druckführung eine effiziente Verarbeitung dieser Legierungen ermöglicht wird. Allerdings fehlen bislang optimierte, großserientaugliche Prozessketten, die eine wirtschaftliche Fertigung komplexer Bauteile erlauben.
Ziel
Hier setzt das Forschungsprojekt LIGHT_ENABLER an. Ziel ist es, die HDF-Technologie so zu optimieren, dass maßgeschneiderte Bauteile aus hochfesten Aluminiumlegierungen gefertigt werden können. Im Fokus steht die Entwicklung einer durchgängigen und automatisierten Fertigungsprozesskette, die es ermöglicht, Aluminiumlegierungen durch gezielte Warmumformung in komplexe Geometrien zu bringen, ohne dabei die Materialfestigkeit zu beeinträchtigen.
Um dies zu erreichen, kombiniert das Projektteam Umformverfahren wie das Warmstauchen und das Warmbiegen miteinander. Ein weiteres Ziel ist die Minimierung von Materialverschnitt und die Erhöhung der Prozessstabilität, um die Herstellungskosten zu senken. Die entwickelten Prozesse bieten schließlich die Basis für die Integration dieser Technologie in die Großserienfertigung.
Hier setzt das Forschungsprojekt LIGHT_ENABLER an. Ziel ist es, die HDF-Technologie so zu optimieren, dass maßgeschneiderte Bauteile aus hochfesten Aluminiumlegierungen gefertigt werden können. Im Fokus steht die Entwicklung einer durchgängigen und automatisierten Fertigungsprozesskette, die es ermöglicht, Aluminiumlegierungen durch gezielte Warmumformung in komplexe Geometrien zu bringen, ohne dabei die Materialfestigkeit zu beeinträchtigen.
Um dies zu erreichen, kombiniert das Projektteam Umformverfahren wie das Warmstauchen und das Warmbiegen miteinander. Ein weiteres Ziel ist die Minimierung von Materialverschnitt und die Erhöhung der Prozessstabilität, um die Herstellungskosten zu senken. Die entwickelten Prozesse bieten schließlich die Basis für die Integration dieser Technologie in die Großserienfertigung.
Vorgehen
Zunächst untersuchen die Forschenden die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierungen unter variierenden Umformbedingungen, wie Temperatur, Druck und Verformungsgeschwindigkeit. Darauf aufbauend entwickelt das Team eine integrierte Prozesskette, die vom Rohmaterial bis zum fertigen Bauteil reicht. Zentrale Elemente sind die gezielte Wärmeführung, maßgeschneiderte Werkzeugkonzepte und der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Simulation.
Mit der HDF-Technologie fertigen die Forschenden anschließend erste Prototypen von „Tailored Tubes“, also strukturangepassten Rohren, und „Tailored Bended Tubes“, bei denen komplexe Biegegeometrien integriert werden. Diese Bauteile weisen eine optimale Kombination aus geringem Gewicht und hoher mechanischer Belastbarkeit auf.
Abschließend testet das Team die Serienintegration der HDF-Technologie. Dabei legen die Projektepartner den Fokus auf die Skalierung und Automatisierung der Prozesse sowie die Minimierung des Energieverbrauchs und der Produktionskosten.
Zunächst untersuchen die Forschenden die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierungen unter variierenden Umformbedingungen, wie Temperatur, Druck und Verformungsgeschwindigkeit. Darauf aufbauend entwickelt das Team eine integrierte Prozesskette, die vom Rohmaterial bis zum fertigen Bauteil reicht. Zentrale Elemente sind die gezielte Wärmeführung, maßgeschneiderte Werkzeugkonzepte und der Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Simulation.
Mit der HDF-Technologie fertigen die Forschenden anschließend erste Prototypen von „Tailored Tubes“, also strukturangepassten Rohren, und „Tailored Bended Tubes“, bei denen komplexe Biegegeometrien integriert werden. Diese Bauteile weisen eine optimale Kombination aus geringem Gewicht und hoher mechanischer Belastbarkeit auf.
Abschließend testet das Team die Serienintegration der HDF-Technologie. Dabei legen die Projektepartner den Fokus auf die Skalierung und Automatisierung der Prozesse sowie die Minimierung des Energieverbrauchs und der Produktionskosten.
LightLog
CO₂-Ausstoß in der Logistik senken: Kunststoff-Großladungsträger in Faserverbundbauweise
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Sonstige Fasern, Thermoplaste, Sonstige Verbundmaterialien
Hintergrund
Für den weltweiten Transport von Gütern und Zulieferteilen setzen Unternehmen so genannte Großladungsträger ein. Sie bieten durch ihre individuelle Bauweise besonderen Schutz und haben viel Stauraum – vor allem für schwere und unhandliche Waren, Maschinenteile oder Werkstücke. Insbesondere Bauteile für die Fahrzeugindustrie werden weltweit in diesen Behältern transportiert. Allein für den Automobil-Sektor sind schätzungsweise 2,5 Millionen Großladungsträger aus Kunststoff im Einsatz. Für schwerere Güter und Zulieferteile werden aktuell vor allem aus Stahl gefertigte Gitterboxen genutzt. Deren Nachteile: Die starr konstruierten Boxen weisen ein hohes Eigengewicht auf und können bei Leerfahrten nicht platzsparend eingefaltet werden. Das hat einen hohen Ausstoß von CO₂-Emissionen in Logistik und Transport zur Folge, da die Nutzungsphase den Hauptanteil der Treibhausgasemissionen von Großladungsträgern abbildet.
Für den weltweiten Transport von Gütern und Zulieferteilen setzen Unternehmen so genannte Großladungsträger ein. Sie bieten durch ihre individuelle Bauweise besonderen Schutz und haben viel Stauraum – vor allem für schwere und unhandliche Waren, Maschinenteile oder Werkstücke. Insbesondere Bauteile für die Fahrzeugindustrie werden weltweit in diesen Behältern transportiert. Allein für den Automobil-Sektor sind schätzungsweise 2,5 Millionen Großladungsträger aus Kunststoff im Einsatz. Für schwerere Güter und Zulieferteile werden aktuell vor allem aus Stahl gefertigte Gitterboxen genutzt. Deren Nachteile: Die starr konstruierten Boxen weisen ein hohes Eigengewicht auf und können bei Leerfahrten nicht platzsparend eingefaltet werden. Das hat einen hohen Ausstoß von CO₂-Emissionen in Logistik und Transport zur Folge, da die Nutzungsphase den Hauptanteil der Treibhausgasemissionen von Großladungsträgern abbildet.
Ziel
Das Projektteam optimiert vergleichsweise leichte Kunststoff-Großladungsträger so, dass sie stabiler und gleichzeitig flexibler in der Nutzung sind, um die Treibhausgas-Emissionen in der Logistik und die Umweltauswirkungen aus Herstellung und Kreislaufführung von Großladungsträgern zu reduzieren. Hierfür entwickeln die Forschenden eine großserientaugliche Faserverbundbauweise für optimierte kunststoffbasierte Großladungsträger. Mit diesen thermoplastbasierten Sandwichkonstruktionen wollen sie ein besseres Masse-Leistungsverhältnis erzielen, um die Zuladung und Auflastbarkeit von kunststoffbasierten Großladungsträgern weiter zu steigern. Das Volumen der Boxen kann für den Leertransport um ein Vielfaches minimiert werden, indem sie zusammengefaltet und aufeinandergestapelt werden. Das spart CO₂ ein, denn deutlich mehr Boxen können in einem LKW transportiert werden. Auch wird durch die Leichtbau-Sandwichkonstruktion eine längere Lebensdauer der Transportbehälter erreicht. Das Team möchte außerdem durch eine optimierte Konstruktion und Funktionsintegration die Reparaturrate reduzieren – bei gesteigerter Nutzlast. Die faserverstärkten Thermoplaste wollen die Forschenden recyceln und im System Großladungsträger im Kreislauf führen oder anderen Branchen der Kunststoffverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Das Projektteam optimiert vergleichsweise leichte Kunststoff-Großladungsträger so, dass sie stabiler und gleichzeitig flexibler in der Nutzung sind, um die Treibhausgas-Emissionen in der Logistik und die Umweltauswirkungen aus Herstellung und Kreislaufführung von Großladungsträgern zu reduzieren. Hierfür entwickeln die Forschenden eine großserientaugliche Faserverbundbauweise für optimierte kunststoffbasierte Großladungsträger. Mit diesen thermoplastbasierten Sandwichkonstruktionen wollen sie ein besseres Masse-Leistungsverhältnis erzielen, um die Zuladung und Auflastbarkeit von kunststoffbasierten Großladungsträgern weiter zu steigern. Das Volumen der Boxen kann für den Leertransport um ein Vielfaches minimiert werden, indem sie zusammengefaltet und aufeinandergestapelt werden. Das spart CO₂ ein, denn deutlich mehr Boxen können in einem LKW transportiert werden. Auch wird durch die Leichtbau-Sandwichkonstruktion eine längere Lebensdauer der Transportbehälter erreicht. Das Team möchte außerdem durch eine optimierte Konstruktion und Funktionsintegration die Reparaturrate reduzieren – bei gesteigerter Nutzlast. Die faserverstärkten Thermoplaste wollen die Forschenden recyceln und im System Großladungsträger im Kreislauf führen oder anderen Branchen der Kunststoffverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Vorgehen
Die Forschenden kombinieren für die innovative Leichtbau-Trägerbox zwei faserverstärkte Decklagen mit einem bereits erfolgreich eingesetzten Kernwerkstoff. So ermöglichen sie ein optimiertes Verhältnis zwischen mechanischen Eigenschaften und Bauteilgewicht, bei industrieller Fertigung und Kreislauftauglichkeit. Gegenüber der monolithischen Bauweise können sie so erhebliche Gewichtseinsparungen von bis zu 70 Prozent realisieren – bei gleichbleibender mechanischer Performance, oder die Performance für höhere Zuladungen in Kunststoff Großladungsträgern steigern. Das Projektteam nutzt für den Kern und die Deckschichten thermoplastische, ausschmelzbare Kunststoffe, um die Sandwichplatten in kontinuierlichen Fertigungsverfahren herstellen zu können. Perspektivisch sind weitere Innovationspfade vorstellbar, indem für das im Projekt entwickelte Fertigungsverfahren auf weitere Bauteile angewendet wird.
Die Forschenden kombinieren für die innovative Leichtbau-Trägerbox zwei faserverstärkte Decklagen mit einem bereits erfolgreich eingesetzten Kernwerkstoff. So ermöglichen sie ein optimiertes Verhältnis zwischen mechanischen Eigenschaften und Bauteilgewicht, bei industrieller Fertigung und Kreislauftauglichkeit. Gegenüber der monolithischen Bauweise können sie so erhebliche Gewichtseinsparungen von bis zu 70 Prozent realisieren – bei gleichbleibender mechanischer Performance, oder die Performance für höhere Zuladungen in Kunststoff Großladungsträgern steigern. Das Projektteam nutzt für den Kern und die Deckschichten thermoplastische, ausschmelzbare Kunststoffe, um die Sandwichplatten in kontinuierlichen Fertigungsverfahren herstellen zu können. Perspektivisch sind weitere Innovationspfade vorstellbar, indem für das im Projekt entwickelte Fertigungsverfahren auf weitere Bauteile angewendet wird.
LignoLight
Lignin als Rohstoff nutzen: Möbel leichter, modularer und recyclingfähig gestalten
Förderlaufzeit:
Start
01.05.23
Ende
30.04.26
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Holz, Aramidfasern, Naturfasern, Duroplaste, Elastomere, Thermoplaste, Geflechte, Gelege, Gestricke, Gewebe, Vliesstoffe, Matten, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Geschlossenporig, Offenporig
Hintergrund
Die Möbelindustrie steht vor einer doppelten Herausforderung: Zum einen müssen Möbel flexibel und modular sein, um sich an wechselnde Wohnsituationen anzupassen. Zum anderen steigt der Druck, nachhaltige Materialien einzusetzen und Recyclingkreisläufe zu schließen. Aktuelle Leichtbaukonzepte reduzieren zwar das Gewicht, bestehen aber häufig aus schwer recycelbaren Verbundmaterialien. Viele Möbel aus diesen Materialien enden im Sperrmüll oder in der thermischen Verwertung, da eine sortenreine Trennung nicht möglich ist.
Gleichzeitig bleibt Lignin, ein Nebenprodukt der Zellstoff- und Papierindustrie, stofflich weitgehend ungenutzt und wird meist verbrannt. Dabei bietet Lignin aufgrund seiner hohen Kohlenstoffbindung und spezifischen Materialeigenschaften großes Potenzial für biobasierte Werkstoffe.
Die Möbelindustrie steht vor einer doppelten Herausforderung: Zum einen müssen Möbel flexibel und modular sein, um sich an wechselnde Wohnsituationen anzupassen. Zum anderen steigt der Druck, nachhaltige Materialien einzusetzen und Recyclingkreisläufe zu schließen. Aktuelle Leichtbaukonzepte reduzieren zwar das Gewicht, bestehen aber häufig aus schwer recycelbaren Verbundmaterialien. Viele Möbel aus diesen Materialien enden im Sperrmüll oder in der thermischen Verwertung, da eine sortenreine Trennung nicht möglich ist.
Gleichzeitig bleibt Lignin, ein Nebenprodukt der Zellstoff- und Papierindustrie, stofflich weitgehend ungenutzt und wird meist verbrannt. Dabei bietet Lignin aufgrund seiner hohen Kohlenstoffbindung und spezifischen Materialeigenschaften großes Potenzial für biobasierte Werkstoffe.
Ziel
Hier setzt das Forschungsprojekt LignoLight an. Das Projektteam will modulare Leichtbaumöbel aus ligninbasierten Materialien entwickeln. Ziel ist es, thermoplastische Lignincompounds, Ligninschäume und ein vollständig biobasiertes Lederimitat für den Möbelbau nutzbar zu machen. Diese Materialien sollen nicht nur eine langfristige CO₂-Bindung ermöglichen, sondern auch durch ihr geringes Gewicht Transportemissionen reduzieren. Eine modulare Konstruktion verlängert die Lebensdauer der Möbel, da beschädigte oder veraltete Bauteile gezielt ersetzt werden können.
Zudem will das Projektteam die Recyclingfähigkeit optimieren: Die Materialien sollen sich sortenrein trennen lassen und für neue Produkte aufbereitet werden können. Parallel untersuchen die Forschenden die Übertragungsmöglichkeiten auf die Mode- und Caravanbranche.
Hier setzt das Forschungsprojekt LignoLight an. Das Projektteam will modulare Leichtbaumöbel aus ligninbasierten Materialien entwickeln. Ziel ist es, thermoplastische Lignincompounds, Ligninschäume und ein vollständig biobasiertes Lederimitat für den Möbelbau nutzbar zu machen. Diese Materialien sollen nicht nur eine langfristige CO₂-Bindung ermöglichen, sondern auch durch ihr geringes Gewicht Transportemissionen reduzieren. Eine modulare Konstruktion verlängert die Lebensdauer der Möbel, da beschädigte oder veraltete Bauteile gezielt ersetzt werden können.
Zudem will das Projektteam die Recyclingfähigkeit optimieren: Die Materialien sollen sich sortenrein trennen lassen und für neue Produkte aufbereitet werden können. Parallel untersuchen die Forschenden die Übertragungsmöglichkeiten auf die Mode- und Caravanbranche.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt verschiedene Ligninmaterialien mit spezifischen mechanischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften: Thermoplastische Lignincompounds mit einem Ligninanteil von mindestens 40 Prozent optimieren die Forschenden für den Einsatz im 3D-Druck, im Spritzguss, in der Extrusion sowie dem Thermoformen. Außerdem entwickeln sie Ligninschäume in verschiedenen Härtegraden mit Ligningehalten bis zu 80 Prozent, um sie als Kernmaterial für Platten- und Polsterstrukturen einzusetzen. Darüber hinaus prüft das Team ein 100 Prozent biobasiertes Ligninleder mit über 70 Prozent Ligninanteil als Alternative zu synthetischen Beschichtungen.
Parallel dazu erarbeiten die Forschenden Konstruktionskonzepte, die eine sortenreine Demontage (Design for Disassembly) und Wiederverwendung ganzer Module (Design for Cyclability) ermöglichen. Mit Rücknahmesystemen wollen sie sicherstellen, dass die Materialien in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden. Die entwickelten Werkstoffe und Designs testet das Projektteam in einem modularen Schranksystem und einem Sitzmöbel und überprüft diese Prototypen auf ihre industrielle Skalierbarkeit hin.
Das Projektteam entwickelt verschiedene Ligninmaterialien mit spezifischen mechanischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften: Thermoplastische Lignincompounds mit einem Ligninanteil von mindestens 40 Prozent optimieren die Forschenden für den Einsatz im 3D-Druck, im Spritzguss, in der Extrusion sowie dem Thermoformen. Außerdem entwickeln sie Ligninschäume in verschiedenen Härtegraden mit Ligningehalten bis zu 80 Prozent, um sie als Kernmaterial für Platten- und Polsterstrukturen einzusetzen. Darüber hinaus prüft das Team ein 100 Prozent biobasiertes Ligninleder mit über 70 Prozent Ligninanteil als Alternative zu synthetischen Beschichtungen.
Parallel dazu erarbeiten die Forschenden Konstruktionskonzepte, die eine sortenreine Demontage (Design for Disassembly) und Wiederverwendung ganzer Module (Design for Cyclability) ermöglichen. Mit Rücknahmesystemen wollen sie sicherstellen, dass die Materialien in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt werden. Die entwickelten Werkstoffe und Designs testet das Projektteam in einem modularen Schranksystem und einem Sitzmöbel und überprüft diese Prototypen auf ihre industrielle Skalierbarkeit hin.
LiKE
Ressourceneffiziente Systeme: nachhaltige Leistungsschalter und Elektromotoren entwickeln
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
31.03.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Duroplaste, Aluminium, Stahl, Sonstige (Kupfer, Seltene Erden), Gelege, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Um die Energiewende zu meistern, sind leistungsfähige Systeme zur Energieübertragung und -wandlung unverzichtbar. Das sind beispielsweise elektrische Leistungsschalter und Motoren, die auf kritische Rohstoffe wie Neodym und Dysprosium, aber auch viele Metalle wie Kupfer angewiesen sind. Aktuell werden diese Materialien oft nur unzureichend wiederverwertet, was die Rohstoffabhängigkeit von Drittländern erhöht.
Gleichzeitig stoßen lineare Produktionsprozesse an ökologische Grenzen. Die Industrie benötigt dringend Lösungen, um die Effizienz elektrischer Systeme zu steigern, den Ressourcenverbrauch zu senken und Produkte auf eine Kreislaufwirtschaft auszurichten. Der Leichtbau bietet hier enormes Potenzial, indem er ressourcenschonende Materialeinsätze ermöglicht und innovative Recyclingkonzepte integriert.
Um die Energiewende zu meistern, sind leistungsfähige Systeme zur Energieübertragung und -wandlung unverzichtbar. Das sind beispielsweise elektrische Leistungsschalter und Motoren, die auf kritische Rohstoffe wie Neodym und Dysprosium, aber auch viele Metalle wie Kupfer angewiesen sind. Aktuell werden diese Materialien oft nur unzureichend wiederverwertet, was die Rohstoffabhängigkeit von Drittländern erhöht.
Gleichzeitig stoßen lineare Produktionsprozesse an ökologische Grenzen. Die Industrie benötigt dringend Lösungen, um die Effizienz elektrischer Systeme zu steigern, den Ressourcenverbrauch zu senken und Produkte auf eine Kreislaufwirtschaft auszurichten. Der Leichtbau bietet hier enormes Potenzial, indem er ressourcenschonende Materialeinsätze ermöglicht und innovative Recyclingkonzepte integriert.
Ziel
Das Forschungsprojekt LiKE hat das Ziel, Schlüsselkomponenten der Energie- und Antriebstechnik nachhaltiger zu gestalten. Am Beispiel eines Leistungsschalters und eines Elektromotors will das Projektteam untersuchen, wie sich Materialeinsatz und CO₂-Emissionen reduzieren lassen, ohne die technische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Die Forschenden wollen den Materialverbrauch um 20 Prozent senken und die Effizienz der Bauteile um 10 Prozent steigern.
Zusätzlich will das Projektteam neue Markierungstechnologien und Recyclingansätze einführen, um eine geschlossene Materialkreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Das Projektteam möchte auch einen digitalen Prozess entwickeln, welcher die Umweltauswirkungen von konstruktiven Maßnahmen schon während der Entwicklung ermittelt. Damit setzt das Projekt neue Maßstäbe für nachhaltige Produktentwicklung und die Transformation der Energiewirtschaft.
Das Forschungsprojekt LiKE hat das Ziel, Schlüsselkomponenten der Energie- und Antriebstechnik nachhaltiger zu gestalten. Am Beispiel eines Leistungsschalters und eines Elektromotors will das Projektteam untersuchen, wie sich Materialeinsatz und CO₂-Emissionen reduzieren lassen, ohne die technische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Die Forschenden wollen den Materialverbrauch um 20 Prozent senken und die Effizienz der Bauteile um 10 Prozent steigern.
Zusätzlich will das Projektteam neue Markierungstechnologien und Recyclingansätze einführen, um eine geschlossene Materialkreislaufwirtschaft zu ermöglichen. Das Projektteam möchte auch einen digitalen Prozess entwickeln, welcher die Umweltauswirkungen von konstruktiven Maßnahmen schon während der Entwicklung ermittelt. Damit setzt das Projekt neue Maßstäbe für nachhaltige Produktentwicklung und die Transformation der Energiewirtschaft.
Vorgehen
Zunächst haben die Forschenden bestehende Produktentwicklungs-und Fertigungsprozesse um ökologische Kriterien erweitert. Neuartige Markierungstechnologien mit fluoreszenten Markern ermöglichten eine eindeutige Identifikation von Materialien und Bauteilen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, sowie die sortenreine Sortierung an dessen Ende. Diese Markierung hat das Team zudem mit einem digitalen Produktpass verknüpft, der wichtige Informationen wie Materialeigenschaften für das Recycling bereitstellen.
Additive Fertigungsmethoden wie das Kaltgasspritzen setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein, um Multimaterialverbindungen herzustellen, die mechanische Stabilität mit hervorragender Trennbarkeit für sortenreine Zerlegung kombinieren. Gleichzeitig hat das Team mit optimierten Lebenszyklusanalysen die Entwicklungsprozesse verbessert. Mit dieser interdisziplinären Herangehensweise konnte LiKE zeigen, wie Ressourcen eingespart, Bauteile effizienter gestaltet und die Recyclingfähigkeit der Produkte deutlich verbessert werden kann.
Zunächst haben die Forschenden bestehende Produktentwicklungs-und Fertigungsprozesse um ökologische Kriterien erweitert. Neuartige Markierungstechnologien mit fluoreszenten Markern ermöglichten eine eindeutige Identifikation von Materialien und Bauteilen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg, sowie die sortenreine Sortierung an dessen Ende. Diese Markierung hat das Team zudem mit einem digitalen Produktpass verknüpft, der wichtige Informationen wie Materialeigenschaften für das Recycling bereitstellen.
Additive Fertigungsmethoden wie das Kaltgasspritzen setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein, um Multimaterialverbindungen herzustellen, die mechanische Stabilität mit hervorragender Trennbarkeit für sortenreine Zerlegung kombinieren. Gleichzeitig hat das Team mit optimierten Lebenszyklusanalysen die Entwicklungsprozesse verbessert. Mit dieser interdisziplinären Herangehensweise konnte LiKE zeigen, wie Ressourcen eingespart, Bauteile effizienter gestaltet und die Recyclingfähigkeit der Produkte deutlich verbessert werden kann.
Lite2Duro
Kavitätsbalancierung und Anguss-Recycling: Spritzgießen duromerer Kunststoffe optimieren
Förderlaufzeit:
Start
01.08.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Duroplaste, Sonstige (Glasfaserverstärkte Compounds)
Hintergrund
Ob in der Automobilindustrie, der Luftfahrt oder der Medizintechnik – Leichtbau ist ein zentraler Baustein zur Ressourcenschonung und Emissionsminderung. Kunststoffe leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Bisher kommen in großserientauglichen Anwendungen vor allem Thermoplaste zum Einsatz, deren Verarbeitung gut erforscht ist. Duromere Kunststoffe, die nach dem Aushärten dauerhaft formstabil bleiben und sich durch hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit auszeichnen, bieten hingegen oftmals überlegene thermomechanische Eigenschaften. Ihre Verarbeitung ist jedoch mit besonderen Herausforderungen verbunden – insbesondere beim Spritzgießen im industriellen Maßstab und beim Recycling. Unausgeglichenes Füllverhalten, Begrenzung der maximalen Schussvolumina und nicht recycelbare Angüsse führen zu Materialverlusten und schlechter Energieeffizienz. Diese Defizite behindern eine nachhaltige Nutzung duromerer Werkstoffe in der Großserie. Genau hier setzt das Projekt Lite2Duro an.
Ob in der Automobilindustrie, der Luftfahrt oder der Medizintechnik – Leichtbau ist ein zentraler Baustein zur Ressourcenschonung und Emissionsminderung. Kunststoffe leisten hierzu einen wichtigen Beitrag. Bisher kommen in großserientauglichen Anwendungen vor allem Thermoplaste zum Einsatz, deren Verarbeitung gut erforscht ist. Duromere Kunststoffe, die nach dem Aushärten dauerhaft formstabil bleiben und sich durch hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit auszeichnen, bieten hingegen oftmals überlegene thermomechanische Eigenschaften. Ihre Verarbeitung ist jedoch mit besonderen Herausforderungen verbunden – insbesondere beim Spritzgießen im industriellen Maßstab und beim Recycling. Unausgeglichenes Füllverhalten, Begrenzung der maximalen Schussvolumina und nicht recycelbare Angüsse führen zu Materialverlusten und schlechter Energieeffizienz. Diese Defizite behindern eine nachhaltige Nutzung duromerer Werkstoffe in der Großserie. Genau hier setzt das Projekt Lite2Duro an.
Ziel
Die Forschenden arbeiten an drei zentralen Prozessinnovationen, um das Spritzgießen duromerer Formmassen ressourcenschonender, wirtschaftlicher und großserientauglich zu gestalten. So wollen sie neue Anwendungsgebiete für duromere Werkstoffe insbesondere in Bereichen wie Mobilität, Haushalt oder Medizintechnik erschließen.
Zum einen entwickelt das Team eine sogenannte aktive Kavitätsbalancierung, mit der sich mehrere Bauteile in einem Werkzeug gleichmäßig befüllen lassen. Dabei handelt es sich um eine Technik, die den Schmelzefluss in die einzelnen Kavitäten eines Spritzgießwerkzeugs gezielt steuert, um eine gleichmäßige Füllung sicherzustellen. Dies ist ein entscheidender Faktor für reproduzierbare Bauteilqualität und minimale Ausschussraten. Aus der Thermoplastverarbeitung ist die Technologie bekannt, für Duromere wurde sie bislang jedoch noch nicht eingesetzt.
Zum anderen wollen die Forschenden die Spritzgießtechnik so weiterentwickeln, dass größere Kunststoffvolumina pro Zyklus verarbeitet werden können – ein wichtiger Schritt, um auch großformatige Bauteile wirtschaftlich herzustellen. Darüber hinaus verfolgen sie eine Recyclingstrategie für ausgehärtete Angussreste: Diese sollen künftig aufbereitet und als Füllstoff direkt wiederverwendet werden.
Die Praxistauglichkeit aller drei Ansätze wollen die Forschenden anhand zweier Demonstratoren erproben – ein innovatives Elektromotorgehäuse sowie ein robust verkapselter Transponder für Sportveranstaltungen.
Die Forschenden arbeiten an drei zentralen Prozessinnovationen, um das Spritzgießen duromerer Formmassen ressourcenschonender, wirtschaftlicher und großserientauglich zu gestalten. So wollen sie neue Anwendungsgebiete für duromere Werkstoffe insbesondere in Bereichen wie Mobilität, Haushalt oder Medizintechnik erschließen.
Zum einen entwickelt das Team eine sogenannte aktive Kavitätsbalancierung, mit der sich mehrere Bauteile in einem Werkzeug gleichmäßig befüllen lassen. Dabei handelt es sich um eine Technik, die den Schmelzefluss in die einzelnen Kavitäten eines Spritzgießwerkzeugs gezielt steuert, um eine gleichmäßige Füllung sicherzustellen. Dies ist ein entscheidender Faktor für reproduzierbare Bauteilqualität und minimale Ausschussraten. Aus der Thermoplastverarbeitung ist die Technologie bekannt, für Duromere wurde sie bislang jedoch noch nicht eingesetzt.
Zum anderen wollen die Forschenden die Spritzgießtechnik so weiterentwickeln, dass größere Kunststoffvolumina pro Zyklus verarbeitet werden können – ein wichtiger Schritt, um auch großformatige Bauteile wirtschaftlich herzustellen. Darüber hinaus verfolgen sie eine Recyclingstrategie für ausgehärtete Angussreste: Diese sollen künftig aufbereitet und als Füllstoff direkt wiederverwendet werden.
Die Praxistauglichkeit aller drei Ansätze wollen die Forschenden anhand zweier Demonstratoren erproben – ein innovatives Elektromotorgehäuse sowie ein robust verkapselter Transponder für Sportveranstaltungen.
Vorgehen
Zunächst entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neuartige Balanciertechnologie für das Spritzgießen von Duromeren: Mithilfe von Sensorik und Simulation erfassen sie den Füllvorgang in Echtzeit und steuern gezielt die Temperatur der Fließkanäle, um ein gleichmäßiges Bauteilbild zu erzielen.
Parallel erproben sie eine neue Plastifiziereinheit für Spritzgießmaschinen, die größere Schussvolumina erlaubt – eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung größerer, komplexer Bauteile. Dabei stimmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezielt Energieeintrag, Verweilzeit und Temperaturführung ab, um die Verarbeitung der Duromere im Prozess zuverlässig zu kontrollieren.
Drittens verfolgt das Team einen Ansatz zum Recycling von Angussresten, indem es sie granuliert und als Füllstoff direkt wieder in den Produktionsprozess einspeist. In Versuchsreihen prüfen die Forschenden, wie sich das auf die Verarbeitbarkeit im Spritzgießen und die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte auswirkt. Alle entwickelten Prozessschritte werden anschließend in zwei industrielle Demonstratoren überführt und im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit bilanziert – einschließlich der CO₂-Effizienz des Verfahrens.
Zunächst entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neuartige Balanciertechnologie für das Spritzgießen von Duromeren: Mithilfe von Sensorik und Simulation erfassen sie den Füllvorgang in Echtzeit und steuern gezielt die Temperatur der Fließkanäle, um ein gleichmäßiges Bauteilbild zu erzielen.
Parallel erproben sie eine neue Plastifiziereinheit für Spritzgießmaschinen, die größere Schussvolumina erlaubt – eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung größerer, komplexer Bauteile. Dabei stimmen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gezielt Energieeintrag, Verweilzeit und Temperaturführung ab, um die Verarbeitung der Duromere im Prozess zuverlässig zu kontrollieren.
Drittens verfolgt das Team einen Ansatz zum Recycling von Angussresten, indem es sie granuliert und als Füllstoff direkt wieder in den Produktionsprozess einspeist. In Versuchsreihen prüfen die Forschenden, wie sich das auf die Verarbeitbarkeit im Spritzgießen und die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte auswirkt. Alle entwickelten Prozessschritte werden anschließend in zwei industrielle Demonstratoren überführt und im Hinblick auf ihre Nachhaltigkeit bilanziert – einschließlich der CO₂-Effizienz des Verfahrens.
LowCarboVan
Langlebig, stabil, witterungsfest: Naturfaserverbunde für Fahrzeug-Außenteile optimieren
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Bioverbundwerkstoffe, Naturfasern
Hintergrund
Die Automobilbranche steht unter wachsendem Druck, CO₂-Emissionen zu senken und nachhaltigere Werkstoffe einzusetzen. Besonders im Nutzfahrzeugbereich ist Leichtbau gefragt, um Gewicht und Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Faserverstärkte Kunststoffe bieten dabei große Potenziale, da sie leicht, belastbar und vielfältig formbar sind. Doch viele dieser Materialien basieren bislang auf Glas- oder Kohlefasern, deren Herstellung energieintensiv ist und auf fossile Ressourcen zurückgreift. Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) gelten als ressourcenschonende Alternative. Sie bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen, lassen sich meist energieärmer verarbeiten und bieten günstige akustische Eigenschaften. Ihr Einsatz beschränkt sich bislang jedoch auf Bauteile im Fahrzeuginnenraum, da NFK anfällig für Feuchtigkeit sind und unter langfristiger Belastung schneller altern. Um diese Schwächen zu überwinden und das Potenzial von NFK auch im Außenbereich zu nutzen, sind neue technologische Ansätze und ein vertieftes Verständnis der Materialeigenschaften notwendig. Hier setzt das Projektteam von LowCarboVan an.
Die Automobilbranche steht unter wachsendem Druck, CO₂-Emissionen zu senken und nachhaltigere Werkstoffe einzusetzen. Besonders im Nutzfahrzeugbereich ist Leichtbau gefragt, um Gewicht und Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Faserverstärkte Kunststoffe bieten dabei große Potenziale, da sie leicht, belastbar und vielfältig formbar sind. Doch viele dieser Materialien basieren bislang auf Glas- oder Kohlefasern, deren Herstellung energieintensiv ist und auf fossile Ressourcen zurückgreift. Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK) gelten als ressourcenschonende Alternative. Sie bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen, lassen sich meist energieärmer verarbeiten und bieten günstige akustische Eigenschaften. Ihr Einsatz beschränkt sich bislang jedoch auf Bauteile im Fahrzeuginnenraum, da NFK anfällig für Feuchtigkeit sind und unter langfristiger Belastung schneller altern. Um diese Schwächen zu überwinden und das Potenzial von NFK auch im Außenbereich zu nutzen, sind neue technologische Ansätze und ein vertieftes Verständnis der Materialeigenschaften notwendig. Hier setzt das Projektteam von LowCarboVan an.
Ziel
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sich zum Ziel gesetzt, naturfaserverstärkte Kunststoffe so weiterzuentwickeln, dass sie auch für den Einsatz im Außenbereich von Fahrzeugen geeignet sind. Das Projektteam konzentriert sich dabei auf textile Verstärkungsstrukturen aus Flachsfasern. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die nicht nur leicht und nachhaltig sind, sondern auch mechanisch stabil, witterungsbeständig und langzeitfest. Dazu wollen die Forschenden die Feuchteempfindlichkeit der Fasern verringern, die Anbindung zwischen Fasern und Kunststoffmatrix verbessern und das Materialverhalten unter realen Belastungen analysieren. Darüber hinaus analysieren sie, wie sich die optimierten Naturfaserverbunde wirtschaftlich und effizient verarbeiten lassen. Damit wollen sie den Weg ebnen für eine breitere Nutzung biogener Faserverbunde im automobilen Leichtbau.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sich zum Ziel gesetzt, naturfaserverstärkte Kunststoffe so weiterzuentwickeln, dass sie auch für den Einsatz im Außenbereich von Fahrzeugen geeignet sind. Das Projektteam konzentriert sich dabei auf textile Verstärkungsstrukturen aus Flachsfasern. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die nicht nur leicht und nachhaltig sind, sondern auch mechanisch stabil, witterungsbeständig und langzeitfest. Dazu wollen die Forschenden die Feuchteempfindlichkeit der Fasern verringern, die Anbindung zwischen Fasern und Kunststoffmatrix verbessern und das Materialverhalten unter realen Belastungen analysieren. Darüber hinaus analysieren sie, wie sich die optimierten Naturfaserverbunde wirtschaftlich und effizient verarbeiten lassen. Damit wollen sie den Weg ebnen für eine breitere Nutzung biogener Faserverbunde im automobilen Leichtbau.
Vorgehen
Die Forschenden untersuchen entlang der gesamten Prozesskette, wie sich naturfaserverstärkte Kunststoffe für den Außenbereich funktionalisieren lassen. Flachsfasern dienen dabei als Basis für unterschiedliche textile Halbzeuge – etwa Gewebe oder Vliesstrukturen. Sie werden gezielt modifiziert, um die Wasseraufnahme zu reduzieren und die Haftung zwischen Faser und Matrix zu verbessern. Dafür erprobt das Team chemische und physikalische Vorbehandlungen sowie innovative Verfahren wie die Kavitätenpolymerisation, bei der schützende Polymere gezielt in Faserzwischenräumen eingebracht werden. Zusätzlich untersuchen die Forschenden schäumende Harzsysteme, die das Gewicht weiter senken und die Verarbeitung vereinfachen sollen. Die fertigen Probekörper und Demonstratorbauteile prüft das Team anschließend im Labor und in Fahrversuchen– etwa auf ihre Feuchtigkeitsresistenz, mechanische Belastbarkeit und Dauerfestigkeit. Auf diese Weise gewinnen die Forschenden ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Faserstruktur, Matrix und Umwelteinflüssen – und kann daraus gezielte Empfehlungen für Konstruktion und Verarbeitung ableiten.
Die Forschenden untersuchen entlang der gesamten Prozesskette, wie sich naturfaserverstärkte Kunststoffe für den Außenbereich funktionalisieren lassen. Flachsfasern dienen dabei als Basis für unterschiedliche textile Halbzeuge – etwa Gewebe oder Vliesstrukturen. Sie werden gezielt modifiziert, um die Wasseraufnahme zu reduzieren und die Haftung zwischen Faser und Matrix zu verbessern. Dafür erprobt das Team chemische und physikalische Vorbehandlungen sowie innovative Verfahren wie die Kavitätenpolymerisation, bei der schützende Polymere gezielt in Faserzwischenräumen eingebracht werden. Zusätzlich untersuchen die Forschenden schäumende Harzsysteme, die das Gewicht weiter senken und die Verarbeitung vereinfachen sollen. Die fertigen Probekörper und Demonstratorbauteile prüft das Team anschließend im Labor und in Fahrversuchen– etwa auf ihre Feuchtigkeitsresistenz, mechanische Belastbarkeit und Dauerfestigkeit. Auf diese Weise gewinnen die Forschenden ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Faserstruktur, Matrix und Umwelteinflüssen – und kann daraus gezielte Empfehlungen für Konstruktion und Verarbeitung ableiten.
MariLightCluster
Leichtbau in der Schifffahrt weiter voranbringen: Ausbau des Netzwerks MariLight
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Bioverbundwerkstoffe, Basaltfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Basaltfaserverstärkter Kunststoff, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
Hintergrund
Die maritime Wirtschaft kann einen entscheidenden Beitrag leisten, um CO₂-Emissionen zu senken. Leichtbau ist – neben alternativen Antrieben und neuen Treibstoffen – ein wesentlicher Hebel hierfür. Innovative Leichtbautechnologien ermöglichen Schiffbauern, sich mit hochkomplexen Spezialschiffen im oberen Preissegment des Markts zu behaupten.
Reeder können aufgrund des Leichtbaus den Tiefgang ihrer Schiffe verringern oder die Nutzlast erhöhen, sodass die Schiffe besser ausgelastet sind. Die Stärkung des maritimen Leichtbaus macht damit zum einen die nationale Branche konkurrenzfähig. Zum anderen können innovative Leichtbautechnologien die Klima- und Umweltbilanz des Seeverkehrs verbessern.
Die maritime Wirtschaft kann einen entscheidenden Beitrag leisten, um CO₂-Emissionen zu senken. Leichtbau ist – neben alternativen Antrieben und neuen Treibstoffen – ein wesentlicher Hebel hierfür. Innovative Leichtbautechnologien ermöglichen Schiffbauern, sich mit hochkomplexen Spezialschiffen im oberen Preissegment des Markts zu behaupten.
Reeder können aufgrund des Leichtbaus den Tiefgang ihrer Schiffe verringern oder die Nutzlast erhöhen, sodass die Schiffe besser ausgelastet sind. Die Stärkung des maritimen Leichtbaus macht damit zum einen die nationale Branche konkurrenzfähig. Zum anderen können innovative Leichtbautechnologien die Klima- und Umweltbilanz des Seeverkehrs verbessern.
Ziel
Um das Potenzial des Leichtbaus im maritimen Bereich zu nutzen und die Technologie in die breite industrielle Anwendung zu tragen, hat das Center of Maritime Technologies das nationale maritime Leichtbaunetzwerk MariLight.Net gegründet. Ziel ist es, den Wissensaustausch innerhalb der Branche weiter zu vertiefen und branchenübergreifenden Technologietransfer zu ermöglichen. Denn die maritime Wirtschaft ist äußerst heterogen: Sie stellt verschiedene Produktgrößen und -typen mit unterschiedlichen Materialien her. Das heißt: Von kleinen Sportbooten bis hin zu Kreuzfahrtschiffen, von Serienprodukten bis hin zu Spezialschiffen, sowie von Stahl bis zu Faserverbundkunststoffen (Composites) ist alles dabei.
Im Projekt MariLightCluster entwickelt CMT das Netzwerk MariLight weiter. Der Fokus liegt dabei auf Technologieentwicklung und -transfer. MariLightCluster unterstützt die teilnehmenden Unternehmen und Institutionen dabei, strategische Kooperationen aufzubauen und so Innovationen im maritimen Leichtbau voranzubringen.
Um das Potenzial des Leichtbaus im maritimen Bereich zu nutzen und die Technologie in die breite industrielle Anwendung zu tragen, hat das Center of Maritime Technologies das nationale maritime Leichtbaunetzwerk MariLight.Net gegründet. Ziel ist es, den Wissensaustausch innerhalb der Branche weiter zu vertiefen und branchenübergreifenden Technologietransfer zu ermöglichen. Denn die maritime Wirtschaft ist äußerst heterogen: Sie stellt verschiedene Produktgrößen und -typen mit unterschiedlichen Materialien her. Das heißt: Von kleinen Sportbooten bis hin zu Kreuzfahrtschiffen, von Serienprodukten bis hin zu Spezialschiffen, sowie von Stahl bis zu Faserverbundkunststoffen (Composites) ist alles dabei.
Im Projekt MariLightCluster entwickelt CMT das Netzwerk MariLight weiter. Der Fokus liegt dabei auf Technologieentwicklung und -transfer. MariLightCluster unterstützt die teilnehmenden Unternehmen und Institutionen dabei, strategische Kooperationen aufzubauen und so Innovationen im maritimen Leichtbau voranzubringen.
Vorgehen
MariLight unterstützt Unternehmen dabei, Leichtbauanwendungen umzusetzen, ihre Wettbewerbsfähigkeit dank innovativer Alleinstellungsmerkmale zu stärken und das Potenzial des Leichtbaus zum Erreichen von Emissionseinsparungen zu nutzen.
Das Team entwickelt eine Roadmap, die das Potenzial des maritimen Leichtbaus für eine nachhaltigere Schifffahrt aufzeigt. Die Roadmap greift den Stand der Technik auf und identifiziert Wissenslücken und Handlungsbedarfe, beispielsweise notwendige Forschungsvorhaben oder regulatorische Anpassungen.
Parallel treibt MariLight die Entwicklung von internationalen Regelwerken voran, die den flächendeckenden Einsatz innovativer Leichtbaumaterialien vereinfachen können. Dies geschieht beispielsweise durch Engagement in Gremien der internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) und dem Strategiebeirat der Initiative Leichtbau der Bundesregierung.
Gleichzeitig bietet MariLightCluster die Plattform für einen regelmäßigen branchenübergreifenden Wissens- und Erfahrungsaustausch. Das Team organisiert Fachveranstaltungen zur Förderung des Technologietransfers mit anderen Industriesektoren wie Luftfahrt, Schienenfahrzeugbau oder Bauwesen.
MariLight unterstützt Unternehmen dabei, Leichtbauanwendungen umzusetzen, ihre Wettbewerbsfähigkeit dank innovativer Alleinstellungsmerkmale zu stärken und das Potenzial des Leichtbaus zum Erreichen von Emissionseinsparungen zu nutzen.
Das Team entwickelt eine Roadmap, die das Potenzial des maritimen Leichtbaus für eine nachhaltigere Schifffahrt aufzeigt. Die Roadmap greift den Stand der Technik auf und identifiziert Wissenslücken und Handlungsbedarfe, beispielsweise notwendige Forschungsvorhaben oder regulatorische Anpassungen.
Parallel treibt MariLight die Entwicklung von internationalen Regelwerken voran, die den flächendeckenden Einsatz innovativer Leichtbaumaterialien vereinfachen können. Dies geschieht beispielsweise durch Engagement in Gremien der internationalen Seeschifffahrtsorganisation (IMO) und dem Strategiebeirat der Initiative Leichtbau der Bundesregierung.
Gleichzeitig bietet MariLightCluster die Plattform für einen regelmäßigen branchenübergreifenden Wissens- und Erfahrungsaustausch. Das Team organisiert Fachveranstaltungen zur Förderung des Technologietransfers mit anderen Industriesektoren wie Luftfahrt, Schienenfahrzeugbau oder Bauwesen.
MAXImolding
Leichte und präzise Magnesium-Bauteile: Effizient fertigen mit teilflüssiger Verarbeitung
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Magnesium
Hintergrund
Besonders die Mobilitätsbranchen benötigen immer leichtere und gleichzeitig stabile Bauteile, um den Energieverbrauch zu senken und Emissionen zu verringern. Magnesium, eines der leichtesten strukturellen Metalle, bietet aufgrund seiner hohen Festigkeit und Recyclingfähigkeit gute Eigenschaften für den Leichtbau. Die Verarbeitung von Magnesium stellt jedoch hohe Anforderungen an Fertigungstechnologien, insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien. Hier setzt das Projekt MAXImolding an, das sich auf die Entwicklung neuer teilflüssiger Spritzgussverfahren für Magnesium konzentriert.
Besonders die Mobilitätsbranchen benötigen immer leichtere und gleichzeitig stabile Bauteile, um den Energieverbrauch zu senken und Emissionen zu verringern. Magnesium, eines der leichtesten strukturellen Metalle, bietet aufgrund seiner hohen Festigkeit und Recyclingfähigkeit gute Eigenschaften für den Leichtbau. Die Verarbeitung von Magnesium stellt jedoch hohe Anforderungen an Fertigungstechnologien, insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien. Hier setzt das Projekt MAXImolding an, das sich auf die Entwicklung neuer teilflüssiger Spritzgussverfahren für Magnesium konzentriert.
Ziel
Das Projektteam entwickelt ein innovatives Spritzgussverfahren speziell für die präzise und ressourcenschonende Verarbeitung von Magnesium. Ziel ist es, ein Verfahren zu entwickeln, um mit vereinfachter Maschinentechnik Magnesiumbauteile effizienter herzustellen. Für eine leichtere Einführung der Technologie in die Produktion kann das neue Konzept zur Schmelzeaufbereitung genutzt werden um bestehende Fertigungslinien mit minimalem Aufwand auf die Verarbeitung von Magnesium umstellen zu können. Die Forschenden wollen den Materialverbrauch im Vergleich zum Druckguss um bis zu 50 Prozent senken und den Energiebedarf im Herstellungsprozess deutlich reduzieren. Gleichzeitig optimieren sie die Zykluszeiten, die in der Serienfertigung eine Schlüsselrolle spielen, um Kosten zu senken und die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Mit diesem Ansatz soll es gelingen, die Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Produktion von Magnesium-Präzisions-Leichtbauteilen zu steigern.
Das Projektteam entwickelt ein innovatives Spritzgussverfahren speziell für die präzise und ressourcenschonende Verarbeitung von Magnesium. Ziel ist es, ein Verfahren zu entwickeln, um mit vereinfachter Maschinentechnik Magnesiumbauteile effizienter herzustellen. Für eine leichtere Einführung der Technologie in die Produktion kann das neue Konzept zur Schmelzeaufbereitung genutzt werden um bestehende Fertigungslinien mit minimalem Aufwand auf die Verarbeitung von Magnesium umstellen zu können. Die Forschenden wollen den Materialverbrauch im Vergleich zum Druckguss um bis zu 50 Prozent senken und den Energiebedarf im Herstellungsprozess deutlich reduzieren. Gleichzeitig optimieren sie die Zykluszeiten, die in der Serienfertigung eine Schlüsselrolle spielen, um Kosten zu senken und die Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen. Mit diesem Ansatz soll es gelingen, die Nachhaltigkeit und Wettbewerbsfähigkeit der Produktion von Magnesium-Präzisions-Leichtbauteilen zu steigern.
Vorgehen
Das Projektteam analysiert zunächst die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Magnesiumvormaterials (AZ91, Granulat/Späne), um die teilflüssige Verarbeitung ohne Scherung durch eine Schnecke zu optimieren. Anschließend konstruieren die Forschenden eine Metallspritzgießmaschine, die auf diese speziellen Anforderungen zugeschnitten ist. Das Maschinenkonzept kombiniert Elemente aus energieeffizienten Fertigungstechnologien, um endkonturnahe Bauteile mit hoher Genauigkeit herzustellen und den Energieverbrauch zu minimieren. Für die konstruktive Auslegung und die Optimierung des Energiehaushalts entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für den Herstellungsprozess Modelle und führen Simulationen durch, um potenzielle Herausforderungen bereits in der Entwicklungsphase zu identifizieren. Anhand von Prototypen testen sie das Verfahren unter realen Bedingungen. Anschließend überführt das Team die Technologien in die Praxis. Dabei zielen die Beteiligten unter anderem auf Anwendungen in der Elektromobilität und anderen Bereichen mit hohen Anforderungen an Gewicht und Stabilität ab.
Das Projektteam analysiert zunächst die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Magnesiumvormaterials (AZ91, Granulat/Späne), um die teilflüssige Verarbeitung ohne Scherung durch eine Schnecke zu optimieren. Anschließend konstruieren die Forschenden eine Metallspritzgießmaschine, die auf diese speziellen Anforderungen zugeschnitten ist. Das Maschinenkonzept kombiniert Elemente aus energieeffizienten Fertigungstechnologien, um endkonturnahe Bauteile mit hoher Genauigkeit herzustellen und den Energieverbrauch zu minimieren. Für die konstruktive Auslegung und die Optimierung des Energiehaushalts entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für den Herstellungsprozess Modelle und führen Simulationen durch, um potenzielle Herausforderungen bereits in der Entwicklungsphase zu identifizieren. Anhand von Prototypen testen sie das Verfahren unter realen Bedingungen. Anschließend überführt das Team die Technologien in die Praxis. Dabei zielen die Beteiligten unter anderem auf Anwendungen in der Elektromobilität und anderen Bereichen mit hohen Anforderungen an Gewicht und Stabilität ab.
METEOR
Ressourcenverbrauch um 80 Prozent senken: effiziente Produktion von Leichtbaustrukturen
Förderlaufzeit:
Start
01.12.20
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Aluminium
Hintergrund
Um den Umbau hin zu einer klimaneutralen Industrie voranzutreiben, müssen neue Technologien und Verfahren schnell in die Praxis überführt werden – auch im Leichtbau. Hier setzt das Nationale Leichtbau-Validierungszentrum (LEIV) an der Technischen Universität Dresden an. Das Projekt trägt maßgeblich dazu bei, den Transfer von der Forschung in die Realwirtschaft zu beschleunigen.
Hierzu ist das LEIV mit rund 1.500 Quadratmetern Versuchsfläche als unabhängige und offene Forschungsplattform organisiert. Neben Großunternehmen und Erstausrüstern profitieren insbesondere auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) von der Möglichkeit, Demonstrationen im industriellen Maßstab umzusetzen. So kann der Praxistransfer von Forschungsergebnissen entscheidend beschleunigt werden. Grundlage der Anschubfinanzierung für das Zentrum bildet das TTP LB-geförderte Vorhaben METEOR.
Um den Umbau hin zu einer klimaneutralen Industrie voranzutreiben, müssen neue Technologien und Verfahren schnell in die Praxis überführt werden – auch im Leichtbau. Hier setzt das Nationale Leichtbau-Validierungszentrum (LEIV) an der Technischen Universität Dresden an. Das Projekt trägt maßgeblich dazu bei, den Transfer von der Forschung in die Realwirtschaft zu beschleunigen.
Hierzu ist das LEIV mit rund 1.500 Quadratmetern Versuchsfläche als unabhängige und offene Forschungsplattform organisiert. Neben Großunternehmen und Erstausrüstern profitieren insbesondere auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) von der Möglichkeit, Demonstrationen im industriellen Maßstab umzusetzen. So kann der Praxistransfer von Forschungsergebnissen entscheidend beschleunigt werden. Grundlage der Anschubfinanzierung für das Zentrum bildet das TTP LB-geförderte Vorhaben METEOR.
Ziel
METEOR ist das erste einer Reihe von Forschungsprojekten, deren Ergebnisse dazu beitragen sollen CO₂ in der Produktion nachhaltiger Leichtbau-Strukturen einzusparen. Ziel ist es, den Ressourcenverbrauch beim Herstellen von Hochleistungs-Leichtbaustrukturen bis 2030 real um 80 Prozent zu senken und ein weitgehend umweltneutrales Produktionsnetzwerk zu realisieren. Hierzu sollen Werkstoffkreisläufe aufgebaut und eine durchgängige virtuelle Prozesskette, die durchgehende Bilanzierung der Ressourceneffizienz sowie der konsequente Einsatz von erneuerbaren Energien innerhalb des Prozessnetzwerkes umgesetzt werden.
METEOR ist das erste einer Reihe von Forschungsprojekten, deren Ergebnisse dazu beitragen sollen CO₂ in der Produktion nachhaltiger Leichtbau-Strukturen einzusparen. Ziel ist es, den Ressourcenverbrauch beim Herstellen von Hochleistungs-Leichtbaustrukturen bis 2030 real um 80 Prozent zu senken und ein weitgehend umweltneutrales Produktionsnetzwerk zu realisieren. Hierzu sollen Werkstoffkreisläufe aufgebaut und eine durchgängige virtuelle Prozesskette, die durchgehende Bilanzierung der Ressourceneffizienz sowie der konsequente Einsatz von erneuerbaren Energien innerhalb des Prozessnetzwerkes umgesetzt werden.
Vorgehen
Zunächst werden mit der Entwicklung und dem Aufbau einer solarthermischen Werkzeugheizung und -kühlung sowie der Etablierung einer Temperier-Kaskade infrastrukturelle Grundlagen für das LEIV entwickelt. Dabei zeigen die Forschenden an der für den Systemleichtbau besonders relevanten Prozesskette aus Leichtmetall-Druckguss, Kunststoff-Spritzguss und Mechanischem Fügen die bereits realisierbaren erheblichen CO₂-Einsparpotenziale auf.
Die Projektpartner demonstrieren neue Ansätze, um die Ressourceneffizienz von Leichtbaustrukturen zu validieren und zu optimieren – etwa beim solargestützten Temperieren, der Inline-Simulation von Produktionsprozessen oder dem robotergestützten Fügen von Verbundstrukturen. Sie bauen die Prozesskette zum Herstellen einer Hybrid-Struktur zu einem verknüpften Prozessnetzwerk – mit intelligent gesteuerten Prozessführungen sowie aufeinander abgestimmte Technologien – aus. Dabei erfasst das Projektteam umfangreiche Daten und macht so eine verbesserte Einschätzung der Ressourceneffizienz möglich, um CO₂-Einsparpotenziale zu quantifizieren und den Mehrwert moderner Prozessnetzwerke aufzeigen zu können.
Ein Projektergebnis ist ein neues marktreifes Einbauwerkzeug, das Gewindeeinsätze prozessüberwacht einbaut. Während des gesamten Montageprozesses überwachen Sensoren am Mundstück den einwandfreien Einbau des HELICOIL Gewindeeinsatzes. Darüber hinaus ermöglicht der drehwinkel- und drehmomentgesteuerte Einbau eine genaue Eindrehtiefe des Gewindeeinsatzes.
Zunächst werden mit der Entwicklung und dem Aufbau einer solarthermischen Werkzeugheizung und -kühlung sowie der Etablierung einer Temperier-Kaskade infrastrukturelle Grundlagen für das LEIV entwickelt. Dabei zeigen die Forschenden an der für den Systemleichtbau besonders relevanten Prozesskette aus Leichtmetall-Druckguss, Kunststoff-Spritzguss und Mechanischem Fügen die bereits realisierbaren erheblichen CO₂-Einsparpotenziale auf.
Die Projektpartner demonstrieren neue Ansätze, um die Ressourceneffizienz von Leichtbaustrukturen zu validieren und zu optimieren – etwa beim solargestützten Temperieren, der Inline-Simulation von Produktionsprozessen oder dem robotergestützten Fügen von Verbundstrukturen. Sie bauen die Prozesskette zum Herstellen einer Hybrid-Struktur zu einem verknüpften Prozessnetzwerk – mit intelligent gesteuerten Prozessführungen sowie aufeinander abgestimmte Technologien – aus. Dabei erfasst das Projektteam umfangreiche Daten und macht so eine verbesserte Einschätzung der Ressourceneffizienz möglich, um CO₂-Einsparpotenziale zu quantifizieren und den Mehrwert moderner Prozessnetzwerke aufzeigen zu können.
Ein Projektergebnis ist ein neues marktreifes Einbauwerkzeug, das Gewindeeinsätze prozessüberwacht einbaut. Während des gesamten Montageprozesses überwachen Sensoren am Mundstück den einwandfreien Einbau des HELICOIL Gewindeeinsatzes. Darüber hinaus ermöglicht der drehwinkel- und drehmomentgesteuerte Einbau eine genaue Eindrehtiefe des Gewindeeinsatzes.
ML-S-LeAF
Qualitätssicherung mit Schall: Additive Fertigung optimieren mit Akustik-Analyse und KI
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
31.10.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Besonders in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche steigt die Nachfrage nach stabilen aber möglichst leichten Bauteilen. Additive Fertigungsverfahren wie das Laser-Strahlschmelzen im Pulverbett (PBF-LB/M) ermöglichen komplexe und gewichtsoptimierte Strukturen, die mit konventionellen Methoden nicht realisierbar wären. Doch die Qualitätssicherung stellt eine große Herausforderung dar: Während des Schmelzprozesses können Defekte wie Poren, Risse oder Verzug entstehen, die die Bauteilstabilität gefährden. Bestehende optische Überwachungssysteme liefern oft unzuverlässige Daten, da der Schmelzprozess von starken Temperatur- und Materialveränderungen beeinflusst wird. Eine alternative, vielversprechende Methode ist die akustische Analyse des Prozesses. Forschende im Projekt ML-S-LeAF untersuchen, wie akustische Signale genutzt werden können, um Fehler frühzeitig zu erkennen und die Qualität von Leichtbauteilen in der additiven Fertigung zu sichern.
Besonders in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtbranche steigt die Nachfrage nach stabilen aber möglichst leichten Bauteilen. Additive Fertigungsverfahren wie das Laser-Strahlschmelzen im Pulverbett (PBF-LB/M) ermöglichen komplexe und gewichtsoptimierte Strukturen, die mit konventionellen Methoden nicht realisierbar wären. Doch die Qualitätssicherung stellt eine große Herausforderung dar: Während des Schmelzprozesses können Defekte wie Poren, Risse oder Verzug entstehen, die die Bauteilstabilität gefährden. Bestehende optische Überwachungssysteme liefern oft unzuverlässige Daten, da der Schmelzprozess von starken Temperatur- und Materialveränderungen beeinflusst wird. Eine alternative, vielversprechende Methode ist die akustische Analyse des Prozesses. Forschende im Projekt ML-S-LeAF untersuchen, wie akustische Signale genutzt werden können, um Fehler frühzeitig zu erkennen und die Qualität von Leichtbauteilen in der additiven Fertigung zu sichern.
Ziel
Das Projektteam entwickelt ein intelligentes, akustikbasiertes Überwachungssystem für das Laser-Strahlschmelzen. Die Forschenden analysieren die während des Prozesses entstehenden Geräusche, um Defekte in Echtzeit zu identifizieren. Mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens wollen sie so charakteristische Klangmuster bestimmten Fehlertypen zuordnen.
Einen besonderen Fokus legt das Team auf die Nutzung virtueller Daten: Durch numerische Simulationen werden künstliche akustische Signale generiert, um die Algorithmen gezielt zu trainieren. So kann das System auch seltene Fehler zuverlässig erkennen, ohne dass aufwendige physische Testreihen nötig sind. Langfristig soll das System Ausschuss verringern und Produktionsprozesse stabilisieren.
Das Projektteam entwickelt ein intelligentes, akustikbasiertes Überwachungssystem für das Laser-Strahlschmelzen. Die Forschenden analysieren die während des Prozesses entstehenden Geräusche, um Defekte in Echtzeit zu identifizieren. Mithilfe von Methoden des maschinellen Lernens wollen sie so charakteristische Klangmuster bestimmten Fehlertypen zuordnen.
Einen besonderen Fokus legt das Team auf die Nutzung virtueller Daten: Durch numerische Simulationen werden künstliche akustische Signale generiert, um die Algorithmen gezielt zu trainieren. So kann das System auch seltene Fehler zuverlässig erkennen, ohne dass aufwendige physische Testreihen nötig sind. Langfristig soll das System Ausschuss verringern und Produktionsprozesse stabilisieren.
Vorgehen
Das Projektteam integriert hochsensible Mikrofone in eine PBF-LB/M-Anlage und erfasst systematisch die entstehenden Prozessgeräusche. Parallel dazu entwickeln die Forschenden numerische Simulationen, die die akustischen Signale typischer Fehlerfälle nachbilden. Die aufgenommenen und simulierten Daten dienen als Eingangsdaten für maschinelle Lernverfahren, die selbst kleinste Abweichungen im Schmelzprozess erkennen können. Durch fortlaufende Tests verfeinern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Algorithmen und integrieren sie in die Prozesssteuerung. Abschließend erfolgt die Validierung: Die Forschenden testen das System an realen Bauteilen und prüfen, ob es Fehler zuverlässig erkennt und die Qualität der Fertigung verbessert. Ziel ist eine robuste und praxisnahe Lösung, die langfristig die Effizienz der additiven Fertigung steigert.
Das Projektteam integriert hochsensible Mikrofone in eine PBF-LB/M-Anlage und erfasst systematisch die entstehenden Prozessgeräusche. Parallel dazu entwickeln die Forschenden numerische Simulationen, die die akustischen Signale typischer Fehlerfälle nachbilden. Die aufgenommenen und simulierten Daten dienen als Eingangsdaten für maschinelle Lernverfahren, die selbst kleinste Abweichungen im Schmelzprozess erkennen können. Durch fortlaufende Tests verfeinern die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Algorithmen und integrieren sie in die Prozesssteuerung. Abschließend erfolgt die Validierung: Die Forschenden testen das System an realen Bauteilen und prüfen, ob es Fehler zuverlässig erkennt und die Qualität der Fertigung verbessert. Ziel ist eine robuste und praxisnahe Lösung, die langfristig die Effizienz der additiven Fertigung steigert.
MM4R
Multi-Material-Design für Leichtbauteile: Faserverbund ersetzt Leichtmetalle
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Thermoplaste, Aluminium, Garne, Rovings, Geflechte, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Konventionelle Fahrzeugstrukturen bestehen häufig aus Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium. Diese Materialien erfordern in der Herstellung große Energiemengen und können erhebliche CO₂-Emissionen verursachen. Zudem führt die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe zu Kontaminationen, die eine effiziente Rückführung im Recyclingprozess verhindern. Die Automobilindustrie steht daher vor der Herausforderung, stabile und leistungsfähige Bauteile zu entwickeln. Hybride Konzepte bieten hier eine Lösung.
Ein innovativer Ansatz kombiniert thermoplastische, faserverstärkte Hohlprofile – leichte, formstabile Bauteile aus Kunststoffen – mit Organoblechen - einem speziellen Halbzeug, bei welchem Kunststoff und Verstärkungsfasern bereits miteinander kombiniert sind - und Thermoplast-Spritzgießverfahren. Die Nutzung von nur einem Werkstoffsystem, etwa glasfaserverstärktes Polypropylen (GF/PP), vereinfacht den Recyclingprozess bei dennoch hoher Gestaltungsfreiheit. Durch den Verzicht auf chemische Haftvermittler und den Einsatz moderner Laser-Oberflächenstrukturierung wird eine saubere Trennung der Materialien erreicht.
Konventionelle Fahrzeugstrukturen bestehen häufig aus Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium. Diese Materialien erfordern in der Herstellung große Energiemengen und können erhebliche CO₂-Emissionen verursachen. Zudem führt die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe zu Kontaminationen, die eine effiziente Rückführung im Recyclingprozess verhindern. Die Automobilindustrie steht daher vor der Herausforderung, stabile und leistungsfähige Bauteile zu entwickeln. Hybride Konzepte bieten hier eine Lösung.
Ein innovativer Ansatz kombiniert thermoplastische, faserverstärkte Hohlprofile – leichte, formstabile Bauteile aus Kunststoffen – mit Organoblechen - einem speziellen Halbzeug, bei welchem Kunststoff und Verstärkungsfasern bereits miteinander kombiniert sind - und Thermoplast-Spritzgießverfahren. Die Nutzung von nur einem Werkstoffsystem, etwa glasfaserverstärktes Polypropylen (GF/PP), vereinfacht den Recyclingprozess bei dennoch hoher Gestaltungsfreiheit. Durch den Verzicht auf chemische Haftvermittler und den Einsatz moderner Laser-Oberflächenstrukturierung wird eine saubere Trennung der Materialien erreicht.
Ziel
Im Forschungsprojekt MM4R will das Projektteam magnesiumbasierte Fahrzeugkomponenten – wie etwa den Cockpitquerträger – durch hybrid gefertigte Faserverbund-Hohlprofile ersetzen. Diese Umstellung senkt den Energieverbrauch und bietet die Möglichkeit, das Global Warming Potential (GWP) deutlich zu reduzieren.
Gleichzeitig streben die Forschenden eine Optimierung des gesamten Fertigungsprozesses an. Sie heben einzelne Produktionstechnologien von einem frühen Entwicklungsstadium bis zur Serienreife an. Bereits in der Konzeptphase integrieren sie eine umfassende Lebenszyklusbewertung (LCSA), um ökologische, ökonomische und soziale Kriterien zu berücksichtigen. Das Ergebnis soll eine wirtschaftlich tragfähige, abfallfreie Produktion und eine nachhaltige Nutzung der eingesetzten Ressourcen sichern.
Im Forschungsprojekt MM4R will das Projektteam magnesiumbasierte Fahrzeugkomponenten – wie etwa den Cockpitquerträger – durch hybrid gefertigte Faserverbund-Hohlprofile ersetzen. Diese Umstellung senkt den Energieverbrauch und bietet die Möglichkeit, das Global Warming Potential (GWP) deutlich zu reduzieren.
Gleichzeitig streben die Forschenden eine Optimierung des gesamten Fertigungsprozesses an. Sie heben einzelne Produktionstechnologien von einem frühen Entwicklungsstadium bis zur Serienreife an. Bereits in der Konzeptphase integrieren sie eine umfassende Lebenszyklusbewertung (LCSA), um ökologische, ökonomische und soziale Kriterien zu berücksichtigen. Das Ergebnis soll eine wirtschaftlich tragfähige, abfallfreie Produktion und eine nachhaltige Nutzung der eingesetzten Ressourcen sichern.
Vorgehen
Das Projektteam optimiert gezielt die einzelnen Fertigungsschritte. Die Forschenden beschleunigen das Preforming – einen Vorformprozess, bei dem Rohmaterialien in die spätere Bauteilgeometrie gebracht werden – um den Faktor 10, um die Durchlaufzeiten deutlich zu verkürzen. Anschließend verbessern sie die Konsolidierung, um thermoplastische FKV-Hohlprofile mit metallischen Funktionselementen energiesparend zu verbinden. In diesem Schritt werden die in ihre Endform zu bringenden vorgeformten faserverstärkten Kunststoffe mit laserstrukturierten metallischen Funktionselementen hybridisiert, um sowohl eine effiziente Fertigung sowie auch eine leistungsfähige Hybridstruktur generieren zu können.
Anstelle von chemischen Haftvermittlern setzt das Team auf eine dauerhafte Laser-Oberflächenstrukturierung, die eine kontaminationsfreie Verbindung sicherstellt. Gleichzeitig recyceln die Forschenden den anfallenden Verschnitt direkt im Spritzgießprozess. Parallel entwickeln sie modellbasierte Methoden zur Lebenszyklusbewertung, um Umweltauswirkungen, Kosten und soziale Risiken frühzeitig zu erfassen. Ein interdisziplinärer Ansatz, der den Weg in die Großserienfertigung ebnen soll.
Das Projektteam optimiert gezielt die einzelnen Fertigungsschritte. Die Forschenden beschleunigen das Preforming – einen Vorformprozess, bei dem Rohmaterialien in die spätere Bauteilgeometrie gebracht werden – um den Faktor 10, um die Durchlaufzeiten deutlich zu verkürzen. Anschließend verbessern sie die Konsolidierung, um thermoplastische FKV-Hohlprofile mit metallischen Funktionselementen energiesparend zu verbinden. In diesem Schritt werden die in ihre Endform zu bringenden vorgeformten faserverstärkten Kunststoffe mit laserstrukturierten metallischen Funktionselementen hybridisiert, um sowohl eine effiziente Fertigung sowie auch eine leistungsfähige Hybridstruktur generieren zu können.
Anstelle von chemischen Haftvermittlern setzt das Team auf eine dauerhafte Laser-Oberflächenstrukturierung, die eine kontaminationsfreie Verbindung sicherstellt. Gleichzeitig recyceln die Forschenden den anfallenden Verschnitt direkt im Spritzgießprozess. Parallel entwickeln sie modellbasierte Methoden zur Lebenszyklusbewertung, um Umweltauswirkungen, Kosten und soziale Risiken frühzeitig zu erfassen. Ein interdisziplinärer Ansatz, der den Weg in die Großserienfertigung ebnen soll.
MobiXL
Effizienter Fahrzeug-Leichtbau: Bionisch optimierte Großbauteile modular fertigen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
30.06.23
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Im Fahrzeugbau sind Leichtbau und Nachhaltigkeit zentrale Themen, um Material- und Energieeffizienz zu steigern und CO₂-Emissionen zu senken. Nichtlineare Strukturen – inspiriert von natürlichen Vorbildern – bieten vielversprechende Möglichkeiten, leichtere und stabilere Komponenten zu entwickeln. Herstellungsverfahren wie der 3D-Druck stoßen hier jedoch an Grenzen: Zu geringe Produktionsgeschwindigkeiten, fehlende Zulassungen und prozessbedingte Nachbearbeitungskosten verhinderten bisher den großflächigen Einsatz. Hier setzt das Projekt MobiXL an.
Im Fahrzeugbau sind Leichtbau und Nachhaltigkeit zentrale Themen, um Material- und Energieeffizienz zu steigern und CO₂-Emissionen zu senken. Nichtlineare Strukturen – inspiriert von natürlichen Vorbildern – bieten vielversprechende Möglichkeiten, leichtere und stabilere Komponenten zu entwickeln. Herstellungsverfahren wie der 3D-Druck stoßen hier jedoch an Grenzen: Zu geringe Produktionsgeschwindigkeiten, fehlende Zulassungen und prozessbedingte Nachbearbeitungskosten verhinderten bisher den großflächigen Einsatz. Hier setzt das Projekt MobiXL an.
Ziel
Ziel der Forschenden ist es, ein neuartiges Verfahren zu entwickeln, mit dem bionisch optimierte Großbauteile für die Fahrzeugproduktion effizient, kostengünstig und nachhaltig produziert werden können. Das Team will so eine Gewichtsreduktion von 15 bis 20 Prozent bei Versteifungsstrukturen im Vergleich zu aktuellen Konstruktionen erreichen. Diese Einsparungen senken nicht nur den Materialverbrauch, sondern auch die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs. Im Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht die Übertragung der Vorteile topologieoptimierter Designs in die Großserienfertigung. Hierzu zerlegen sie die komplexen Strukturen in modulare Elemente, die automatisiert gefertigt und lasergeschweißt werden. Die vollständige Digitalisierung der Prozesse soll zudem die Produktionszeit um bis zu 80 Prozent reduzieren und eine breitere industrielle Anwendung, etwa in der Luftfahrt oder im Schiffsbau, ermöglichen. Die Praxistauglichkeit der Technologie demonstriert das Projektteam durch die Herstellung zweier branchenspezifischer Demonstratoren für den Schienenfahrzeug- und Schiffbau.
Ziel der Forschenden ist es, ein neuartiges Verfahren zu entwickeln, mit dem bionisch optimierte Großbauteile für die Fahrzeugproduktion effizient, kostengünstig und nachhaltig produziert werden können. Das Team will so eine Gewichtsreduktion von 15 bis 20 Prozent bei Versteifungsstrukturen im Vergleich zu aktuellen Konstruktionen erreichen. Diese Einsparungen senken nicht nur den Materialverbrauch, sondern auch die CO₂-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs. Im Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht die Übertragung der Vorteile topologieoptimierter Designs in die Großserienfertigung. Hierzu zerlegen sie die komplexen Strukturen in modulare Elemente, die automatisiert gefertigt und lasergeschweißt werden. Die vollständige Digitalisierung der Prozesse soll zudem die Produktionszeit um bis zu 80 Prozent reduzieren und eine breitere industrielle Anwendung, etwa in der Luftfahrt oder im Schiffsbau, ermöglichen. Die Praxistauglichkeit der Technologie demonstriert das Projektteam durch die Herstellung zweier branchenspezifischer Demonstratoren für den Schienenfahrzeug- und Schiffbau.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt ein neuartiges Konstruktionsprinzip, das topologieoptimierte Strukturen modularisiert. Anstatt großer linearer Einzelteile nutzen die Forschenden kleinere, leicht herstellbare Module, die sich zu nichtlinearen Strukturen fügen lassen. Die Forschenden integrieren modernste Laserschweißtechnologien sowie intelligente Regelungssysteme, um den Fügevorgang der Module effizient zu gestalten. Abschließend demonstrieren die Forschenden die Serientauglichkeit des Verfahrens anhand eines Zugseitenwandsegments und eines Schiffbau-Paneels. Durch die erfolgreiche Patentanmeldung bestätigen sie zudem die Neuartigkeit des Verfahrens. Trotz der Fortschritte besteht weiterer Forschungsbedarf, insbesondere bei der Optimierung hinsichtlich festgestellter Wechselwirkungen zwischen den Modulen und dem Gesamtbauteil unter Belastung.
Das Projektteam entwickelt ein neuartiges Konstruktionsprinzip, das topologieoptimierte Strukturen modularisiert. Anstatt großer linearer Einzelteile nutzen die Forschenden kleinere, leicht herstellbare Module, die sich zu nichtlinearen Strukturen fügen lassen. Die Forschenden integrieren modernste Laserschweißtechnologien sowie intelligente Regelungssysteme, um den Fügevorgang der Module effizient zu gestalten. Abschließend demonstrieren die Forschenden die Serientauglichkeit des Verfahrens anhand eines Zugseitenwandsegments und eines Schiffbau-Paneels. Durch die erfolgreiche Patentanmeldung bestätigen sie zudem die Neuartigkeit des Verfahrens. Trotz der Fortschritte besteht weiterer Forschungsbedarf, insbesondere bei der Optimierung hinsichtlich festgestellter Wechselwirkungen zwischen den Modulen und dem Gesamtbauteil unter Belastung.
MonoMat
Kunststoffe recyceln: wegweisendes Kaskadenmodell für den 3D-Druck im Leichtbau
Förderlaufzeit:
Start
01.01.22
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste
Hintergrund
Mit Additiver Fertigung können Unternehmen qualitativ hochwertige Alltagsprodukte mit teils komplexen Funktionen herstellen – und dies aus nur einem einzigen Material in kurzer Zeit. So können sie den Material- und Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren deutlich reduzieren. Noch ungelöst ist beim 3D-Druck jedoch die Wiederverwendung der eingesetzten Materialien zu neuen Ausgangsstoffen. Für das Design, die Herstellung und das Recycling dieser Produkte hat das Projektteam ein Kaskadenmodell entwickelt, das Medizin, Sport und Lifestyle miteinander verzahnt. Hierbei sind die pulverbettbasierte additive Fertigung, die extrusionsbasierte additive Fertigung und das konventionelle Spritzgießen miteinander verknüpft.
Mit Additiver Fertigung können Unternehmen qualitativ hochwertige Alltagsprodukte mit teils komplexen Funktionen herstellen – und dies aus nur einem einzigen Material in kurzer Zeit. So können sie den Material- und Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren deutlich reduzieren. Noch ungelöst ist beim 3D-Druck jedoch die Wiederverwendung der eingesetzten Materialien zu neuen Ausgangsstoffen. Für das Design, die Herstellung und das Recycling dieser Produkte hat das Projektteam ein Kaskadenmodell entwickelt, das Medizin, Sport und Lifestyle miteinander verzahnt. Hierbei sind die pulverbettbasierte additive Fertigung, die extrusionsbasierte additive Fertigung und das konventionelle Spritzgießen miteinander verknüpft.
Ziel
Ziel der Forschenden ist das möglichst vollständige und wiederholte Recycling der in den additiven Fertigungsverfahren verwendeten Materialien, so dass sie Teil einer branchenübergreifenden ökologischen Kreislaufwirtschaft werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrieren sich dabei auf Polymere, also Kunststoffe, und deren Anwendung in Medizin-, Sport- und Lifestyle-Produkten. Das sind zum Beispiel Mittelsohlen für Laufschuhe, Rucksack-Pads, Schienbeinschoner oder Prothesen. Diese Produkte müssen auf die individuellen Anforderungen angepasst werden, so dass sie zu einer erhöhten Lebensqualität im Alltag beitragen.
Außerdem berechnen die Forschenden anhand von Demonstratoren, wie viele Treibhausgasemissionen dank des entwickelten Kaskadenmodells eingespart werden können. Für diese Prognose betrachtet das Projektteam nicht nur die jeweiligen Materialien und Produktionsprozesse, sondern auch das Recycling und die ökologischen Auswirkungen, etwa entstehende Nebenprodukte und Abfälle.
Ziel der Forschenden ist das möglichst vollständige und wiederholte Recycling der in den additiven Fertigungsverfahren verwendeten Materialien, so dass sie Teil einer branchenübergreifenden ökologischen Kreislaufwirtschaft werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrieren sich dabei auf Polymere, also Kunststoffe, und deren Anwendung in Medizin-, Sport- und Lifestyle-Produkten. Das sind zum Beispiel Mittelsohlen für Laufschuhe, Rucksack-Pads, Schienbeinschoner oder Prothesen. Diese Produkte müssen auf die individuellen Anforderungen angepasst werden, so dass sie zu einer erhöhten Lebensqualität im Alltag beitragen.
Außerdem berechnen die Forschenden anhand von Demonstratoren, wie viele Treibhausgasemissionen dank des entwickelten Kaskadenmodells eingespart werden können. Für diese Prognose betrachtet das Projektteam nicht nur die jeweiligen Materialien und Produktionsprozesse, sondern auch das Recycling und die ökologischen Auswirkungen, etwa entstehende Nebenprodukte und Abfälle.
Vorgehen
Am Beginn der Kaskade steht die Additive Fertigung von Produkten, die für individualisierte Anwendungen in der Medizin eine herausragende Qualität aufweisen müssen. Hierfür nutzen die Forschenden die pulverbettbasierten Verfahren Laser Sintering, Multi-Jet-Fusion und High-Speed Sintering. Sind die Produkte nicht länger verwendbar, wird das Material recycelt: Je nachdem, in welchem Zustand es sich befindet, wird es erneut im Pulverbett verarbeitet, oder geht weiter in die Materialextrusion. Dabei können Produkte für Sport oder Lifestyle entstehen – also Bereiche, in denen qualitative Anforderungen an Materialeigenschaften leichter erfüllbar sind. Bei diesem Verfahren kann der Kunststoff so oft wiederverwendet werden, bis er sich letztlich abgenutzt hat. Danach steht er für das Spritzgießen in der Massenproduktion zur Verfügung.
Am Beginn der Kaskade steht die Additive Fertigung von Produkten, die für individualisierte Anwendungen in der Medizin eine herausragende Qualität aufweisen müssen. Hierfür nutzen die Forschenden die pulverbettbasierten Verfahren Laser Sintering, Multi-Jet-Fusion und High-Speed Sintering. Sind die Produkte nicht länger verwendbar, wird das Material recycelt: Je nachdem, in welchem Zustand es sich befindet, wird es erneut im Pulverbett verarbeitet, oder geht weiter in die Materialextrusion. Dabei können Produkte für Sport oder Lifestyle entstehen – also Bereiche, in denen qualitative Anforderungen an Materialeigenschaften leichter erfüllbar sind. Bei diesem Verfahren kann der Kunststoff so oft wiederverwendet werden, bis er sich letztlich abgenutzt hat. Danach steht er für das Spritzgießen in der Massenproduktion zur Verfügung.
MudMaster
Effiziente mobile Aufbereitung: Elektromagnetischer Leichtbau-Rüttler trennt Bohrschlämme
Förderlaufzeit:
Start
01.05.23
Ende
31.10.25
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl
Hintergrund
Der Ausbau der Glasfaserinfrastruktur ist zentral für die digitale Transformation in Deutschland. Dabei kommen häufig Horizontalbohrverfahren zum Einsatz, bei denen große Mengen an Bohrschlämmen entstehen – ein Gemisch aus Wasser, Bentonit und Bodenmaterial. Diese Schlämme müssen aufwendig aufbereitet oder kostenintensiv entsorgt werden.
Die bisher eingesetzten Trennanlagen sind meist schwer, energieintensiv und für den mobilen Einsatz ungeeignet. Zugleich rücken Energieeffizienz und Klimafreundlichkeit in industriellen Prozessen stärker in den Fokus. Besonders im ländlichen Raum, wo noch große Bereiche ausgebaut werden müssen, fehlen kompakte, leicht transportierbare und effizient arbeitende Lösungen.
Um diesen Anforderungen zu begegnen, braucht es neue Ansätze – sowohl im Maschinenbau als auch im Materialeinsatz. Genau hier setzt das Forschungsvorhaben MudMaster an: Mit einem neuartigen Rüttler will das Projektteam die Fest-Flüssig-Trennung von Bohrschlämmen effizienter, leichter und klimafreundlicher machen.
Der Ausbau der Glasfaserinfrastruktur ist zentral für die digitale Transformation in Deutschland. Dabei kommen häufig Horizontalbohrverfahren zum Einsatz, bei denen große Mengen an Bohrschlämmen entstehen – ein Gemisch aus Wasser, Bentonit und Bodenmaterial. Diese Schlämme müssen aufwendig aufbereitet oder kostenintensiv entsorgt werden.
Die bisher eingesetzten Trennanlagen sind meist schwer, energieintensiv und für den mobilen Einsatz ungeeignet. Zugleich rücken Energieeffizienz und Klimafreundlichkeit in industriellen Prozessen stärker in den Fokus. Besonders im ländlichen Raum, wo noch große Bereiche ausgebaut werden müssen, fehlen kompakte, leicht transportierbare und effizient arbeitende Lösungen.
Um diesen Anforderungen zu begegnen, braucht es neue Ansätze – sowohl im Maschinenbau als auch im Materialeinsatz. Genau hier setzt das Forschungsvorhaben MudMaster an: Mit einem neuartigen Rüttler will das Projektteam die Fest-Flüssig-Trennung von Bohrschlämmen effizienter, leichter und klimafreundlicher machen.
Ziel
Das Projektteam entwickelt einen kompakten Rüttler mit elektromagnetisch angetriebenem Siebsystem, der speziell auf die Anforderungen bei der Aufbereitung von Bohrschlämmen zugeschnitten ist. Ziel ist eine – im Vergleich zu konventionellen Rüttlern – deutlich leichtere, modular aufgebaute Anlage, die sich flexibel transportieren und vor Ort schnell in Betrieb nehmen lässt. Herzstück ist ein neuartiger Schwingungsantrieb: Statt wie bisher den gesamten Rahmen mit Unwuchtmotoren in Bewegung zu versetzen, werden nur die Siebe elektromagnetisch angeregt. Dadurch reduzieren sich die mechanischen Belastungen, und leichtere Materialien wie Aluminium oder glasfaserverstärkte Kunststoffe können zum Einsatz kommen. Die Forschenden streben Einsparungen von rund 33 Prozent beim Energieverbrauch und 35 Prozent beim Gewicht an.
Darüber hinaus wollen die Projektpartner ein Multiverladesystem entwickeln, das einen Transport der Anlage auf Lkw oder Anhänger erlaubt. Auch die Sortierleistung soll steigen: Die neue Technik erlaubt eine gezielte Steuerung der Siebbewegung – und damit eine bedarfsgerechte Trennung und Rückgewinnung der Bentonitflüssigkeit.
Das Projektteam entwickelt einen kompakten Rüttler mit elektromagnetisch angetriebenem Siebsystem, der speziell auf die Anforderungen bei der Aufbereitung von Bohrschlämmen zugeschnitten ist. Ziel ist eine – im Vergleich zu konventionellen Rüttlern – deutlich leichtere, modular aufgebaute Anlage, die sich flexibel transportieren und vor Ort schnell in Betrieb nehmen lässt. Herzstück ist ein neuartiger Schwingungsantrieb: Statt wie bisher den gesamten Rahmen mit Unwuchtmotoren in Bewegung zu versetzen, werden nur die Siebe elektromagnetisch angeregt. Dadurch reduzieren sich die mechanischen Belastungen, und leichtere Materialien wie Aluminium oder glasfaserverstärkte Kunststoffe können zum Einsatz kommen. Die Forschenden streben Einsparungen von rund 33 Prozent beim Energieverbrauch und 35 Prozent beim Gewicht an.
Darüber hinaus wollen die Projektpartner ein Multiverladesystem entwickeln, das einen Transport der Anlage auf Lkw oder Anhänger erlaubt. Auch die Sortierleistung soll steigen: Die neue Technik erlaubt eine gezielte Steuerung der Siebbewegung – und damit eine bedarfsgerechte Trennung und Rückgewinnung der Bentonitflüssigkeit.
Vorgehen
Die Forschenden erstellen zunächst digitale Funktionsmodelle und führen Simulationen zur Strömungsmechanik, Materialbeanspruchung und Schwingungstechnik durch. Auf dieser Basis wählen sie geeignete Leichtbaumaterialien aus und konstruieren einen Prototyp, den sie unter realen Einsatzbedingungen testen.
Einen Schwerpunkt bildet die Auslegung der elektromagnetisch betriebenen Siebe: Die Forschenden untersuchen systematisch Parameter wie Schwingweite, Temperaturentwicklung, Trenngüte und Verschleißverhalten. Parallel dazu entwickeln sie ein Multiverladesystem, das den schnellen Aufbau und Einsatz vor Ort ermöglicht.
Die Erkenntnisse aus den Praxistests fließen fortlaufend in die Weiterentwicklung ein. Ziel ist ein seriennaher Prototyp, der sowohl technische als auch wirtschaftliche Anforderungen erfüllt – und damit die Grundlage für eine moderne, nachhaltige Trennungstechnologie im Tiefbau schafft.
Die Forschenden erstellen zunächst digitale Funktionsmodelle und führen Simulationen zur Strömungsmechanik, Materialbeanspruchung und Schwingungstechnik durch. Auf dieser Basis wählen sie geeignete Leichtbaumaterialien aus und konstruieren einen Prototyp, den sie unter realen Einsatzbedingungen testen.
Einen Schwerpunkt bildet die Auslegung der elektromagnetisch betriebenen Siebe: Die Forschenden untersuchen systematisch Parameter wie Schwingweite, Temperaturentwicklung, Trenngüte und Verschleißverhalten. Parallel dazu entwickeln sie ein Multiverladesystem, das den schnellen Aufbau und Einsatz vor Ort ermöglicht.
Die Erkenntnisse aus den Praxistests fließen fortlaufend in die Weiterentwicklung ein. Ziel ist ein seriennaher Prototyp, der sowohl technische als auch wirtschaftliche Anforderungen erfüllt – und damit die Grundlage für eine moderne, nachhaltige Trennungstechnologie im Tiefbau schafft.
MuSt-HyF
Hybridpressen für komplexe Fahrzeugbauteile: Metall und Kunststoff effizient kombinieren
Förderlaufzeit:
Start
01.06.22
Ende
28.02.26
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Thermoplaste, Aluminium, Stahl, Gewebe, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Leichtbau ist ein zentraler Baustein für die Automobilindustrie, um Ressourcen zu schonen, die Energieeffizienz zu steigern und CO₂-Emissionen während der Lebensdauer von Fahrzeugen zu senken. Der Materialmischbau – die Kombination von Metallen und Kunststoffen – spielt dabei eine Schlüsselrolle, da er die positiven Eigenschaften beider Materialien miteinander vereint. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die nicht nur leichter, sondern auch stabiler und energieeffizienter sind.
Eine der Herausforderungen ist die effiziente und wirtschaftliche Produktion von Hybridbauteilen, die Metall und faserverstärkten Kunststoff (FVK) kombinieren. Bisherige Verfahren wie das Hybridpressen sind vielversprechend, stoßen jedoch an technische Grenzen, insbesondere bei der Verwendung hochfester Stähle und komplexer Bauteilgeometrien. Hier setzen die Forschenden im Projekt MuSt-HyF an: Sie entwickeln ein innovatives Verfahren für die Fertigung solcher Hybridbauteile.
Leichtbau ist ein zentraler Baustein für die Automobilindustrie, um Ressourcen zu schonen, die Energieeffizienz zu steigern und CO₂-Emissionen während der Lebensdauer von Fahrzeugen zu senken. Der Materialmischbau – die Kombination von Metallen und Kunststoffen – spielt dabei eine Schlüsselrolle, da er die positiven Eigenschaften beider Materialien miteinander vereint. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die nicht nur leichter, sondern auch stabiler und energieeffizienter sind.
Eine der Herausforderungen ist die effiziente und wirtschaftliche Produktion von Hybridbauteilen, die Metall und faserverstärkten Kunststoff (FVK) kombinieren. Bisherige Verfahren wie das Hybridpressen sind vielversprechend, stoßen jedoch an technische Grenzen, insbesondere bei der Verwendung hochfester Stähle und komplexer Bauteilgeometrien. Hier setzen die Forschenden im Projekt MuSt-HyF an: Sie entwickeln ein innovatives Verfahren für die Fertigung solcher Hybridbauteile.
Ziel
Das Hauptziel des Projektteams ist es, ein zweistufiges Hybridpressverfahren zu entwickeln, um die Herstellung hochfester Hybridbauteile aus Metall und FVK zu optimieren. Bisher konnten mit dem Hybridpressen nur Bauteile mit einfacher Geometrie und niedrigeren Stahlfestigkeiten gefertigt werden. Das neue Verfahren soll es ermöglichen, auch komplexe Bauteile aus hochfesten Stählen herzustellen.
Durch die Trennung der Umformprozesse für Metall und Kunststoff in zwei Werkzeugkavitäten - die Hohlräume in einem Formwerkzeug, in denen das Material während des Umformprozesses in die gewünschte Form gebracht wird - sollen lokale Ablösungen und Risse vermieden werden. Damit erhöhen die Forschenden nicht nur die Prozesssicherheit, sondern senken auch den CO₂-Ausstoß und den Energieverbrauch in der Produktion deutlich. Dabei achten sie darauf, das Verfahren so zu gestalten, dass es mit bestehenden Produktionsanlagen kompatibel ist und somit eine breite Anwendung in der Serienfertigung ermöglicht.
Das Hauptziel des Projektteams ist es, ein zweistufiges Hybridpressverfahren zu entwickeln, um die Herstellung hochfester Hybridbauteile aus Metall und FVK zu optimieren. Bisher konnten mit dem Hybridpressen nur Bauteile mit einfacher Geometrie und niedrigeren Stahlfestigkeiten gefertigt werden. Das neue Verfahren soll es ermöglichen, auch komplexe Bauteile aus hochfesten Stählen herzustellen.
Durch die Trennung der Umformprozesse für Metall und Kunststoff in zwei Werkzeugkavitäten - die Hohlräume in einem Formwerkzeug, in denen das Material während des Umformprozesses in die gewünschte Form gebracht wird - sollen lokale Ablösungen und Risse vermieden werden. Damit erhöhen die Forschenden nicht nur die Prozesssicherheit, sondern senken auch den CO₂-Ausstoß und den Energieverbrauch in der Produktion deutlich. Dabei achten sie darauf, das Verfahren so zu gestalten, dass es mit bestehenden Produktionsanlagen kompatibel ist und somit eine breite Anwendung in der Serienfertigung ermöglicht.
Vorgehen
Das Projektteam verfolgt einen innovativen, zweistufigen Prozessansatz. Zunächst wird das Metallblech in der ersten Werkzeugkavität umgeformt, wobei die Forschenden die Materialrückfederung und Umformeigenschaften durch angepasste Temperaturen und Werkzeugkonfigurationen optimieren. Im zweiten Schritt bringen sie das halbflüssige, langfaserverstärkte Thermoplast PA6-Flowcore auf das vorgeformte Metallblech auf und pressen es gleichzeitig in die gewünschte Form. Dieser Prozess ermöglicht die Integration von komplexen Bauteilgeometrien und verbessert die Verbindung zwischen Stahl und Kunststoff durch die Verwendung eines speziell entwickelten Haftvermittlers. Gleichzeitig wird das Werkzeug für beide Stufen so ausgelegt, dass die Produktion bei konstanten Temperaturen und kurzen Zyklen erfolgen kann.
Neben der Prozessentwicklung optimieren die Projektbeteiligten auch das Material PA6-Flowcore, um die spezifischen Anforderungen an Crashsicherheit und Schwingfestigkeit zu erfüllen. Durch diese Kombination von innovativer Fertigungstechnik und maßgeschneiderten Materialien sollen Bauteile entstehen, die eine erhebliche Gewichtseinsparung und eine bessere CO₂-Bilanz im Vergleich zu traditionellen Fertigungsverfahren bieten.
Das Projektteam verfolgt einen innovativen, zweistufigen Prozessansatz. Zunächst wird das Metallblech in der ersten Werkzeugkavität umgeformt, wobei die Forschenden die Materialrückfederung und Umformeigenschaften durch angepasste Temperaturen und Werkzeugkonfigurationen optimieren. Im zweiten Schritt bringen sie das halbflüssige, langfaserverstärkte Thermoplast PA6-Flowcore auf das vorgeformte Metallblech auf und pressen es gleichzeitig in die gewünschte Form. Dieser Prozess ermöglicht die Integration von komplexen Bauteilgeometrien und verbessert die Verbindung zwischen Stahl und Kunststoff durch die Verwendung eines speziell entwickelten Haftvermittlers. Gleichzeitig wird das Werkzeug für beide Stufen so ausgelegt, dass die Produktion bei konstanten Temperaturen und kurzen Zyklen erfolgen kann.
Neben der Prozessentwicklung optimieren die Projektbeteiligten auch das Material PA6-Flowcore, um die spezifischen Anforderungen an Crashsicherheit und Schwingfestigkeit zu erfüllen. Durch diese Kombination von innovativer Fertigungstechnik und maßgeschneiderten Materialien sollen Bauteile entstehen, die eine erhebliche Gewichtseinsparung und eine bessere CO₂-Bilanz im Vergleich zu traditionellen Fertigungsverfahren bieten.
NaMiKoSmart
Ressourcenschutz und Effizienz vereinen: multifunktionale leichte Fahrzeug-Mittelkonsole
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
31.08.24
Anwendung:
Material:
Basaltfasern, Duroplaste, Garne, Rovings, Basaltfaserverstärkter Kunststoff
Hintergrund
Bei vielen Anwendungen in den Mobilitätsbranchen geht es darum, geringeres Gewicht mit gleichbleibender oder erhöhter Funktionalität zu kombinieren. Zusätzlich rücken Fragen der Nachhaltigkeit vor dem Hintergrund zunehmender Umwelt- und Klimabelastungen immer stärker in den Fokus. Nachhaltige Leichtbautechnologien können mit innovativen Lösungen einen entscheidenden Beitrag zur Ressourcen-, Energie- und Verkehrswende leisten.
Bei vielen Anwendungen in den Mobilitätsbranchen geht es darum, geringeres Gewicht mit gleichbleibender oder erhöhter Funktionalität zu kombinieren. Zusätzlich rücken Fragen der Nachhaltigkeit vor dem Hintergrund zunehmender Umwelt- und Klimabelastungen immer stärker in den Fokus. Nachhaltige Leichtbautechnologien können mit innovativen Lösungen einen entscheidenden Beitrag zur Ressourcen-, Energie- und Verkehrswende leisten.
Ziel
Im Vorhaben NaMiKoSmart entwickeln Forschende eine gewichtsreduzierte und multifunktionale Fahrzeug-Mittelkonsole, die wirtschaftliches Potenzial, Klimaschutz sowie Ressourceneffizienz verbinden soll. Hierzu kombinieren sie verschiedene innovative Leichtbautechnologien. Ziel ist es, anhand des Bauteils beispielhaft die Möglichkeiten zur branchenübergreifenden Nutzung nachhaltiger Materialien und serienfähiger Prozesstechnologien zu demonstrieren. Die Forschungsergebnisse sollen einen Beitrag leisten, um das Gewicht von Bauteilen in verschiedenen Industriebereichen effektiv zu reduzieren, ohne dabei Funktionalitäten einzuschränken.
Das Projektteam möchte demonstrieren, wie mit nachhaltigen Naturfasern und dem neuartigen Raumwickel-Verfahren, „xFK in 3D“, leichte und gleichzeitig hochfeste und steife Fachwerk-Strukturen mit minimalem Verschnitt hergestellt werden können. Neben der hohen Ressourceneffizienz durch den reduzierten Verschnitt des Verbundwerkstoffs – von maximal einem Prozent – sollen große Mengen CO2 entlang des gesamten Lebenszyklus des biobasierten, komplett recyclebaren Werkstoffs eingespart werden. Ergänzend möchten die Projektpartner mit „Smart Textiles“ verschiedene zusätzliche Funktionen integrieren.
Im Vorhaben NaMiKoSmart entwickeln Forschende eine gewichtsreduzierte und multifunktionale Fahrzeug-Mittelkonsole, die wirtschaftliches Potenzial, Klimaschutz sowie Ressourceneffizienz verbinden soll. Hierzu kombinieren sie verschiedene innovative Leichtbautechnologien. Ziel ist es, anhand des Bauteils beispielhaft die Möglichkeiten zur branchenübergreifenden Nutzung nachhaltiger Materialien und serienfähiger Prozesstechnologien zu demonstrieren. Die Forschungsergebnisse sollen einen Beitrag leisten, um das Gewicht von Bauteilen in verschiedenen Industriebereichen effektiv zu reduzieren, ohne dabei Funktionalitäten einzuschränken.
Das Projektteam möchte demonstrieren, wie mit nachhaltigen Naturfasern und dem neuartigen Raumwickel-Verfahren, „xFK in 3D“, leichte und gleichzeitig hochfeste und steife Fachwerk-Strukturen mit minimalem Verschnitt hergestellt werden können. Neben der hohen Ressourceneffizienz durch den reduzierten Verschnitt des Verbundwerkstoffs – von maximal einem Prozent – sollen große Mengen CO2 entlang des gesamten Lebenszyklus des biobasierten, komplett recyclebaren Werkstoffs eingespart werden. Ergänzend möchten die Projektpartner mit „Smart Textiles“ verschiedene zusätzliche Funktionen integrieren.
Vorgehen
Mit „xFK in 3D“ nutzen die Forschenden eine kostengünstige und flexible Faserverbundtechnologie zum dreidimensionalen Wickeln verschiedener Fasermaterialien wie Nylon, Kohle-, Glas- oder Basaltfasern. Der Hybrid- bzw. Multimaterial-Ansatz ist durch eine digitale Prozesskette gekennzeichnet, die kontinuierlich weiterentwickelt wird. Dabei werden die faserverstärkten Kunststoffe basierend auf Berechnungen und Simulationen gewickelt und können gezielt in Richtung der Kraft- und Lastpfade gelegt werden. So verringern die Forschenden den Material- und Energieverbrauch deutlich und reduzieren den Ausstoß von CO₂-Emissionen.
Einen weiteren Fokus legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Nutzung von „Smart Textiles“. Die Verknüpfung dieser funktionalen Stoffe mit „xFK in 3D“ ermöglicht nicht nur eine erhebliche Gewichtseinsparung, sondern auch die Integration von neuen Designelementen, Haptik, Heizfunktionen, Sensoren und Beleuchtungsmöglichkeiten.
Bei der Auswahl der Materialien und Produktionsverfahren setzt das Projektteam auf umfassende Analysen, etwa die „Sustainability Value Analyse“. Dieses Management-Tool dient dazu, ökologische und ökonomische Nachhaltigkeitskriterien frühzeitig zu identifizieren und zu bewerten. So werden Schwachstellen in der Prozesskette hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeitsaspekte frühzeitig erkannt und können in der Entwicklung berücksichtigt werden.
Mit „xFK in 3D“ nutzen die Forschenden eine kostengünstige und flexible Faserverbundtechnologie zum dreidimensionalen Wickeln verschiedener Fasermaterialien wie Nylon, Kohle-, Glas- oder Basaltfasern. Der Hybrid- bzw. Multimaterial-Ansatz ist durch eine digitale Prozesskette gekennzeichnet, die kontinuierlich weiterentwickelt wird. Dabei werden die faserverstärkten Kunststoffe basierend auf Berechnungen und Simulationen gewickelt und können gezielt in Richtung der Kraft- und Lastpfade gelegt werden. So verringern die Forschenden den Material- und Energieverbrauch deutlich und reduzieren den Ausstoß von CO₂-Emissionen.
Einen weiteren Fokus legen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf die Nutzung von „Smart Textiles“. Die Verknüpfung dieser funktionalen Stoffe mit „xFK in 3D“ ermöglicht nicht nur eine erhebliche Gewichtseinsparung, sondern auch die Integration von neuen Designelementen, Haptik, Heizfunktionen, Sensoren und Beleuchtungsmöglichkeiten.
Bei der Auswahl der Materialien und Produktionsverfahren setzt das Projektteam auf umfassende Analysen, etwa die „Sustainability Value Analyse“. Dieses Management-Tool dient dazu, ökologische und ökonomische Nachhaltigkeitskriterien frühzeitig zu identifizieren und zu bewerten. So werden Schwachstellen in der Prozesskette hinsichtlich ihrer ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeitsaspekte frühzeitig erkannt und können in der Entwicklung berücksichtigt werden.
NeLiPro
Hybride Leichtbaustrukturen herstellen: automatisierte Prozesskette mit Qualitätssicherung
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Leichtbau spielt eine wichtige Rolle, um die Effizienz von Fahrzeugen zu steigern. Er ermöglicht eine höhere Nutzlast und gleicht das zusätzliche Gewicht durch elektrische Antriebe und Energiespeicher aus. Gleichzeitig trägt er zur Ressourcenschonung bei – sei es durch geringeren Materialverbrauch, effizientere Produktion, längere Nutzung oder besseres Recycling.
Noch dominieren im Fahrzeugbau metallische Werkstoffe wie Stahl, deren hohe Festigkeit jedoch mit einem erheblichen Gewicht einhergeht. Alternative Leichtbau-Lösungen wurden aufgrund hoher Kosten oder technischer Hürden bisher nur eingeschränkt eingesetzt. Hier setzte das Projekt NeLiPro, kurz für Next Level Lightweight Production, an.
Leichtbau spielt eine wichtige Rolle, um die Effizienz von Fahrzeugen zu steigern. Er ermöglicht eine höhere Nutzlast und gleicht das zusätzliche Gewicht durch elektrische Antriebe und Energiespeicher aus. Gleichzeitig trägt er zur Ressourcenschonung bei – sei es durch geringeren Materialverbrauch, effizientere Produktion, längere Nutzung oder besseres Recycling.
Noch dominieren im Fahrzeugbau metallische Werkstoffe wie Stahl, deren hohe Festigkeit jedoch mit einem erheblichen Gewicht einhergeht. Alternative Leichtbau-Lösungen wurden aufgrund hoher Kosten oder technischer Hürden bisher nur eingeschränkt eingesetzt. Hier setzte das Projekt NeLiPro, kurz für Next Level Lightweight Production, an.
Ziel
Die Forschenden untersuchen Wege, um hybride Faserverbundkomponenten herzustellen, die leichter sind und deren hochbelastete Komponenten auch in großer Stückzahl ressourceneffizient gefertigt werden können – bei gleichzeitig hoher Variantenvielfalt. Mit einem modularen Baukastensystem soll der Einsatzbereich von Faserverbund-Leichtbau auf verschiedene Anwendungen, insbesondere im Nutzfahrzeug- und Schienenverkehr, ausgeweitet werden. Durch energieeffiziente Herstellungsverfahren, die bis zu 80 Prozent weniger Energie verbrauchen, und durch die Gewichtseinsparung der Fahrzeuge möchten die Forschenden CO₂-Emissionen deutlich reduzieren – sowohl in der Produktion als auch während der Nutzung. Digitale Methoden zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung sollen zudem die Skalierbarkeit der Fertigung sicherstellen. Darüber hinaus sollen Recyclingstrategien entwickelt werden, um den Leichtbau langfristig ökonomisch und ökologisch tragfähig zu machen.
Die Forschenden untersuchen Wege, um hybride Faserverbundkomponenten herzustellen, die leichter sind und deren hochbelastete Komponenten auch in großer Stückzahl ressourceneffizient gefertigt werden können – bei gleichzeitig hoher Variantenvielfalt. Mit einem modularen Baukastensystem soll der Einsatzbereich von Faserverbund-Leichtbau auf verschiedene Anwendungen, insbesondere im Nutzfahrzeug- und Schienenverkehr, ausgeweitet werden. Durch energieeffiziente Herstellungsverfahren, die bis zu 80 Prozent weniger Energie verbrauchen, und durch die Gewichtseinsparung der Fahrzeuge möchten die Forschenden CO₂-Emissionen deutlich reduzieren – sowohl in der Produktion als auch während der Nutzung. Digitale Methoden zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung sollen zudem die Skalierbarkeit der Fertigung sicherstellen. Darüber hinaus sollen Recyclingstrategien entwickelt werden, um den Leichtbau langfristig ökonomisch und ökologisch tragfähig zu machen.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln und validieren eine integrierte Fertigungskette für Leichtbaukomponenten. Eine zentrale Innovation ist die automatisierte Herstellung der Faserverbundkomponenten, die mit metallischen Lasteinleitungsstrukturen verbunden werden. Neue Fertigungs- und Fügeverfahren sorgen für präzise und hoch belastbare Verbindungen der Komponenten, während digitale Methoden für Fehlererkennung und Datenmanagement die Prozesskette weiter optimieren. Zur prozessintegrierten Qualitätssicherung nutzen die Forschenden unter anderem ein Inline-Mikrowellenprüfsystem, das die frühzeitige Erkennung von Qualitätsabweichungen während der Herstellung der Faserverbundstruktur ermöglicht. Die Forschenden integrieren Recyclingstrategien frühzeitig, um Abfall zu minimieren und die Wiederverwertung zu erleichtern. Abschließend bewerten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die ökologische Nachhaltigkeit der neuen Prozesse und Produkte durch eine umfassende Lebenszyklusanalyse.
Die Forschenden entwickeln und validieren eine integrierte Fertigungskette für Leichtbaukomponenten. Eine zentrale Innovation ist die automatisierte Herstellung der Faserverbundkomponenten, die mit metallischen Lasteinleitungsstrukturen verbunden werden. Neue Fertigungs- und Fügeverfahren sorgen für präzise und hoch belastbare Verbindungen der Komponenten, während digitale Methoden für Fehlererkennung und Datenmanagement die Prozesskette weiter optimieren. Zur prozessintegrierten Qualitätssicherung nutzen die Forschenden unter anderem ein Inline-Mikrowellenprüfsystem, das die frühzeitige Erkennung von Qualitätsabweichungen während der Herstellung der Faserverbundstruktur ermöglicht. Die Forschenden integrieren Recyclingstrategien frühzeitig, um Abfall zu minimieren und die Wiederverwertung zu erleichtern. Abschließend bewerten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die ökologische Nachhaltigkeit der neuen Prozesse und Produkte durch eine umfassende Lebenszyklusanalyse.
NeZuCa
Carbon-Zugglieder für Brücken: Nachhaltig und wirtschaftlich effizient bauen
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Netzwerkbogenbrücken mit neuartigen Zuggliedern aus Carbon erlauben eine schlanke, CO₂-effiziente und wirtschaftlich vorteilhafte Bauweise. Damit sind sie besonders für Brücken mittlerer und großer Spannweite geeignet, auch im Bereich der durch schweren Güterverkehr hoch belasteten Eisenbahnbrücken. Carbon-Zugglieder bieten bei Ermüdungsbeanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit und eine längere Lebensdauer als Zugglieder aus Stahl. Die Bauweise mit Carbon ermöglicht sehr viel dünnere Querschnitte bei den Zuggliedern. Zudem mindert der geringere Elastizitätsmodul der Carbonfasern lokale Lastkonzentrationen und erlaub Einsparungen am Gesamttragwerk durch den Einsatz einer leichteren Fahrbahnplatte.
Die eingesetzten Hochleistungsfasern verändern das Tragverhalten des Systems grundlegend. Deshalb müssen noch Fragen zum Tragverhalten, zum tatsächlichen Ermüdungswiderstand sowie zur Gleichwertigkeit bei Brandbeanspruchung untersucht und die Erkenntnisse in einem weiteren Schritt standardisiert werden.
Netzwerkbogenbrücken mit neuartigen Zuggliedern aus Carbon erlauben eine schlanke, CO₂-effiziente und wirtschaftlich vorteilhafte Bauweise. Damit sind sie besonders für Brücken mittlerer und großer Spannweite geeignet, auch im Bereich der durch schweren Güterverkehr hoch belasteten Eisenbahnbrücken. Carbon-Zugglieder bieten bei Ermüdungsbeanspruchung eine deutlich höhere Festigkeit und eine längere Lebensdauer als Zugglieder aus Stahl. Die Bauweise mit Carbon ermöglicht sehr viel dünnere Querschnitte bei den Zuggliedern. Zudem mindert der geringere Elastizitätsmodul der Carbonfasern lokale Lastkonzentrationen und erlaub Einsparungen am Gesamttragwerk durch den Einsatz einer leichteren Fahrbahnplatte.
Die eingesetzten Hochleistungsfasern verändern das Tragverhalten des Systems grundlegend. Deshalb müssen noch Fragen zum Tragverhalten, zum tatsächlichen Ermüdungswiderstand sowie zur Gleichwertigkeit bei Brandbeanspruchung untersucht und die Erkenntnisse in einem weiteren Schritt standardisiert werden.
Ziel
Das Forschungsprojekt NeZuCa hat zum Ziel, Carbon-Zugglieder als technisch anerkannte Alternative zu Stahl-Zuggliedern in Netzwerkbogenbrücken zu etablieren. Das Projektteam führt dafür umfangreiche Dauerschwingversuche durch, um das Tragverhalten und die Ermüdungsfestigkeit allgemeingültig bestimmen zu können.
Mit den umfangreichen Ermüdungsversuchen an verschiedenen Querschnitten sollen Grundlagen für eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung bzw. eine Produktfreigabe der DB InfraGo für diese Bauweise gelegt werden. Bisher können Brücken mit Carbon-Zuggliedern nur mit einer Zustimmung im Einzelfall eingesetzt werden.
Die innovative Bauweise mit Carbon-Hängern bietet enorme Potenziale für den Bau von Brücken mit großer Spannweite. Ein aktuelles Beispiel für eine Realisierung mit einer Zustimmung im Einzelfall ist die 2024 fertig gestellte Eisenbahnbrücke bei Küstrin über die Oder (Deutscher Brückenbaupreis 2025). Projektpartner von NeZuCa waren hier direkt beteiligt. Durch das Einsparpotential im Gesamttragwerk ergeben sich weiterhin Vorteile hinsichtlich der CO₂-Bilanz.
Das Forschungsprojekt NeZuCa hat zum Ziel, Carbon-Zugglieder als technisch anerkannte Alternative zu Stahl-Zuggliedern in Netzwerkbogenbrücken zu etablieren. Das Projektteam führt dafür umfangreiche Dauerschwingversuche durch, um das Tragverhalten und die Ermüdungsfestigkeit allgemeingültig bestimmen zu können.
Mit den umfangreichen Ermüdungsversuchen an verschiedenen Querschnitten sollen Grundlagen für eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung bzw. eine Produktfreigabe der DB InfraGo für diese Bauweise gelegt werden. Bisher können Brücken mit Carbon-Zuggliedern nur mit einer Zustimmung im Einzelfall eingesetzt werden.
Die innovative Bauweise mit Carbon-Hängern bietet enorme Potenziale für den Bau von Brücken mit großer Spannweite. Ein aktuelles Beispiel für eine Realisierung mit einer Zustimmung im Einzelfall ist die 2024 fertig gestellte Eisenbahnbrücke bei Küstrin über die Oder (Deutscher Brückenbaupreis 2025). Projektpartner von NeZuCa waren hier direkt beteiligt. Durch das Einsparpotential im Gesamttragwerk ergeben sich weiterhin Vorteile hinsichtlich der CO₂-Bilanz.
Vorgehen
Im Projektteam sind Forschungseinrichtungen, Betreiber, Bauherr und Planer vertreten. In den Versuchshallen der beteiligten Forschungspartner werden Untersuchungen an verschiedenen Querschnitten unter statischen und dynamischen Belastungen durchgeführt und das Verhalten der Carbon-Zugglieder bis zum Versagen analysiert, um eine Versagensfunktion für den Ermüdungswiderstand abzuleiten. Die Forschenden untersuchen das Verhalten bei erhöhten Lastbedingungen im niedrigen Frequenzbereich. Komplettiert werden die Untersuchungen mit Bauteilbrandversuchen in speziellen Prüfständen, um das Verhalten der Carbonkomponenten bei Brandbelastung im Vergleich zu klassischen Stahlzuggliedern zu bewerten.
Die gewonnenen Daten nutzt das Projektteam unmittelbar, um standardisierte Berechnungsmodelle und Bemessungsregeln zu entwickeln. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, den Einsatz von Carbon-Zuggliedern als allgemein anerkannte Lösung für Brückenbauprojekte im Eisenbahnwesen zu etablieren. Erhebliche Potenziale bestehen außerdem bei der zukünftigen Anwendung auf Straßenbrücken und bei der Sanierung von Brücken.
Im Projektteam sind Forschungseinrichtungen, Betreiber, Bauherr und Planer vertreten. In den Versuchshallen der beteiligten Forschungspartner werden Untersuchungen an verschiedenen Querschnitten unter statischen und dynamischen Belastungen durchgeführt und das Verhalten der Carbon-Zugglieder bis zum Versagen analysiert, um eine Versagensfunktion für den Ermüdungswiderstand abzuleiten. Die Forschenden untersuchen das Verhalten bei erhöhten Lastbedingungen im niedrigen Frequenzbereich. Komplettiert werden die Untersuchungen mit Bauteilbrandversuchen in speziellen Prüfständen, um das Verhalten der Carbonkomponenten bei Brandbelastung im Vergleich zu klassischen Stahlzuggliedern zu bewerten.
Die gewonnenen Daten nutzt das Projektteam unmittelbar, um standardisierte Berechnungsmodelle und Bemessungsregeln zu entwickeln. Diese Erkenntnisse tragen dazu bei, den Einsatz von Carbon-Zuggliedern als allgemein anerkannte Lösung für Brückenbauprojekte im Eisenbahnwesen zu etablieren. Erhebliche Potenziale bestehen außerdem bei der zukünftigen Anwendung auf Straßenbrücken und bei der Sanierung von Brücken.
Opti-Add
Selektives Laserstrahlschmelzen: Wärmeverteilung optimieren und Spannungen reduzieren
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) ist eine Schlüsseltechnologie für den Leichtbau, da es die Fertigung komplexer, lastoptimierter Bauteile ermöglicht. Dabei wird Metallpulver schichtweise mit einem Laser aufgeschmolzen, um hochfeste Strukturen herzustellen. Ein zentrales Problem dieses Verfahrens sind Eigenspannungen, die durch ungleichmäßige Wärmeeinbringung entstehen. Diese Spannungen können zu Bauteilverzug oder Mikrorissen führen und die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
Besonders sicherheitskritische Anwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau, erfordern jedoch präzise gefertigte, belastbare Komponenten. Zudem wird die Prozesssteuerung bisher oft ohne detaillierte Anpassung an die jeweilige Bauteilgeometrie oder -belastung durchgeführt. Standardisierte Belichtungsstrategien wie parallele Scanpfade oder Schachbrettmuster berücksichtigen nicht, wie sich Wärme im Bauteil verteilt. Dadurch entstehen Spannungsmaxima, die zu Qualitätsmängeln führen. Um die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile gezielt zu steuern und den Materialeinsatz effizienter zu gestalten, ist eine adaptive Prozessführung erforderlich.
Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) ist eine Schlüsseltechnologie für den Leichtbau, da es die Fertigung komplexer, lastoptimierter Bauteile ermöglicht. Dabei wird Metallpulver schichtweise mit einem Laser aufgeschmolzen, um hochfeste Strukturen herzustellen. Ein zentrales Problem dieses Verfahrens sind Eigenspannungen, die durch ungleichmäßige Wärmeeinbringung entstehen. Diese Spannungen können zu Bauteilverzug oder Mikrorissen führen und die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen.
Besonders sicherheitskritische Anwendungen, etwa in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau, erfordern jedoch präzise gefertigte, belastbare Komponenten. Zudem wird die Prozesssteuerung bisher oft ohne detaillierte Anpassung an die jeweilige Bauteilgeometrie oder -belastung durchgeführt. Standardisierte Belichtungsstrategien wie parallele Scanpfade oder Schachbrettmuster berücksichtigen nicht, wie sich Wärme im Bauteil verteilt. Dadurch entstehen Spannungsmaxima, die zu Qualitätsmängeln führen. Um die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile gezielt zu steuern und den Materialeinsatz effizienter zu gestalten, ist eine adaptive Prozessführung erforderlich.
Ziel
Im Forschungsprojekt Opti-Add will das Projektteam die Eigenspannungen im SLM-Prozess durch eine optimierte Belichtungsstrategie reduzieren und die Bauteileigenschaften gezielt anpassen. Dazu entwickeln die Forschenden ein intelligentes Steuerungssystem, das die Prozessparameter – insbesondere Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Scanstrategie – an die Geometrie und die thermische Situation des Bauteils anpasst. So wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Bauteilverzug reduzieren, die Rissanfälligkeit senken und die Schwingfestigkeit verbessern. Insbesondere für Leichtbaustrukturen, die hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, ist dies wichtig.
Außerdem will das Projektteam durch gezielte Wärmesteuerung die Mikrostruktur der Werkstoffe so beeinflussen, dass sie länger halten. Auch die Ressourceneffizienz wollen die Forschenden erhöhen: Mit einer präziseren Steuerung des Schmelzbades soll der Materialverbrauch gesenkt und der Ausschuss reduziert werden.
Im Forschungsprojekt Opti-Add will das Projektteam die Eigenspannungen im SLM-Prozess durch eine optimierte Belichtungsstrategie reduzieren und die Bauteileigenschaften gezielt anpassen. Dazu entwickeln die Forschenden ein intelligentes Steuerungssystem, das die Prozessparameter – insbesondere Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Scanstrategie – an die Geometrie und die thermische Situation des Bauteils anpasst. So wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Bauteilverzug reduzieren, die Rissanfälligkeit senken und die Schwingfestigkeit verbessern. Insbesondere für Leichtbaustrukturen, die hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, ist dies wichtig.
Außerdem will das Projektteam durch gezielte Wärmesteuerung die Mikrostruktur der Werkstoffe so beeinflussen, dass sie länger halten. Auch die Ressourceneffizienz wollen die Forschenden erhöhen: Mit einer präziseren Steuerung des Schmelzbades soll der Materialverbrauch gesenkt und der Ausschuss reduziert werden.
Vorgehen
Um die Prozessführung zu verbessern, entwickeln die Forschenden einen Build-Prozessor, der die Belichtungsstrategie auf Basis der Bauteilgeometrie und thermischer Simulationen optimiert. Anhand von Temperaturfeldanalysen ermitteln sie kritische Bereiche, in denen Spannungen besonders hoch sind. Darauf aufbauend testet das Projektteam alternative Scanstrategien wie das Pilgerschrittverfahren, bei dem der Laser die Belichtungsreihenfolge so variiert, dass sich Wärme gleichmäßiger verteilt. Ergänzend setzten die Forschenden ein thermografisches Detektorsystem ein, das die Temperaturverläufe während des Druckprozesses in Echtzeit erfasst.
Diese Daten fließen in den Build-Prozessor zur Bahnplanung ein, um die Laserleistung und Scanmuster gezielt einzustellen. Nach der Herstellung analysieren die Forschenden die Bauteile mit Methoden zur Eigenspannungsanalyse und optischer Verzugsmessung. Diese zeigen, dass die Scanstrategie Schachbrettmuster im direkten Vergleich zur linearen Scanstrategien einen geringeren Verzug zur Folge hat, jedoch die Eigenspannungen mehr durch die Temperatur der Bauplattform, die Laserleistung und die Lasergeschwindigkeit beeinflusst werden als durch die Scanstrategie. Die Eigenspannungen nehmen mit zunehmender Temperatur der Bauplattform ab und nehmen mit zunehmender Laserleistung und Lasergeschwindigkeit zu.
Um die Prozessführung zu verbessern, entwickeln die Forschenden einen Build-Prozessor, der die Belichtungsstrategie auf Basis der Bauteilgeometrie und thermischer Simulationen optimiert. Anhand von Temperaturfeldanalysen ermitteln sie kritische Bereiche, in denen Spannungen besonders hoch sind. Darauf aufbauend testet das Projektteam alternative Scanstrategien wie das Pilgerschrittverfahren, bei dem der Laser die Belichtungsreihenfolge so variiert, dass sich Wärme gleichmäßiger verteilt. Ergänzend setzten die Forschenden ein thermografisches Detektorsystem ein, das die Temperaturverläufe während des Druckprozesses in Echtzeit erfasst.
Diese Daten fließen in den Build-Prozessor zur Bahnplanung ein, um die Laserleistung und Scanmuster gezielt einzustellen. Nach der Herstellung analysieren die Forschenden die Bauteile mit Methoden zur Eigenspannungsanalyse und optischer Verzugsmessung. Diese zeigen, dass die Scanstrategie Schachbrettmuster im direkten Vergleich zur linearen Scanstrategien einen geringeren Verzug zur Folge hat, jedoch die Eigenspannungen mehr durch die Temperatur der Bauplattform, die Laserleistung und die Lasergeschwindigkeit beeinflusst werden als durch die Scanstrategie. Die Eigenspannungen nehmen mit zunehmender Temperatur der Bauplattform ab und nehmen mit zunehmender Laserleistung und Lasergeschwindigkeit zu.
OptiCarboLiz
Vorgespannter Carbonbeton für den Brückenbau: Langlebig und ressourcenschonend bauen
Förderlaufzeit:
Start
01.10.23
Ende
30.09.26
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Garne, Rovings, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Weltweit wächst der Bedarf an neuer Infrastruktur. Der Betonbau verursacht dabei enorme Mengen CO₂, insbesondere bei der Zementproduktion. Um die Klimaauswirkungen zu reduzieren, sind ressourcenschonende und emissionsarme Alternativen zur Stahlbetonbauweise gefragt. Einen vielversprechenden Ansatz bietet die Carbonbetonbauweise. Durch die Korrosionsbeständigkeit und die hohen Festigkeiten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind mit deutlich weniger Betonvolumen die gleichen oder höhere Tragfähigkeiten im Vergleich zu konventioneller Stahlbewehrung möglich.
Insbesondere bei weit spannenden Konstruktionen wie Brücken oder großen Deckenelementen lässt sich das Tragverhalten deutlich verbessern, wenn die Spannlitzen – das sind Bündel aus mehreren Fasersträngen, ähnlich einem Seil – aus CFK gefertigt werden. Auf diese Weise können sehr schlanke Konstruktionen realisiert werden, was einen erheblichen Beitrag zur Gewichts- und Betoneinsparung leistet. Damit die erforderlichen Tragfähigkeiten erreicht werden, müssen diese Litzen sicher und dauerhaft im Beton verankert werden. Konventionelle CFK-Litzen benötigen jedoch lange Verankerungsbereiche, was bislang mit kostenintensiven Verankerungssystemen und hohem Betonbedarf einhergeht. Um Carbonbeton wirtschaftlich, ressourcenschonend und effizient einsetzen zu können, braucht es neue und praxistaugliche Technologieansätze für die Gestaltung der Litzen und ihrer Verankerung. Hier setzt das Projekt OptiCarboLiz an.
Weltweit wächst der Bedarf an neuer Infrastruktur. Der Betonbau verursacht dabei enorme Mengen CO₂, insbesondere bei der Zementproduktion. Um die Klimaauswirkungen zu reduzieren, sind ressourcenschonende und emissionsarme Alternativen zur Stahlbetonbauweise gefragt. Einen vielversprechenden Ansatz bietet die Carbonbetonbauweise. Durch die Korrosionsbeständigkeit und die hohen Festigkeiten von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) sind mit deutlich weniger Betonvolumen die gleichen oder höhere Tragfähigkeiten im Vergleich zu konventioneller Stahlbewehrung möglich.
Insbesondere bei weit spannenden Konstruktionen wie Brücken oder großen Deckenelementen lässt sich das Tragverhalten deutlich verbessern, wenn die Spannlitzen – das sind Bündel aus mehreren Fasersträngen, ähnlich einem Seil – aus CFK gefertigt werden. Auf diese Weise können sehr schlanke Konstruktionen realisiert werden, was einen erheblichen Beitrag zur Gewichts- und Betoneinsparung leistet. Damit die erforderlichen Tragfähigkeiten erreicht werden, müssen diese Litzen sicher und dauerhaft im Beton verankert werden. Konventionelle CFK-Litzen benötigen jedoch lange Verankerungsbereiche, was bislang mit kostenintensiven Verankerungssystemen und hohem Betonbedarf einhergeht. Um Carbonbeton wirtschaftlich, ressourcenschonend und effizient einsetzen zu können, braucht es neue und praxistaugliche Technologieansätze für die Gestaltung der Litzen und ihrer Verankerung. Hier setzt das Projekt OptiCarboLiz an.
Ziel
Das Projektteam von OptiCarboLiz hat sich zum Ziel gesetzt, den gesamten Fertigungsprozess von CFK-Spannbeton-Elementen neu auszulegen – mit Fokus auf Anwendungen im Brückenbau. Dafür entwickeln die Forschenden effiziente Verfahren für Fertigung, Vorspannung und Verankerung. Sie verbinden die Vorteile der Carbonbetonbauweise mit den hervorragenden stofflichen und zugmechanischen Eigenschaften vorgespannter Faserstränge und schöpfen deren volles Leistungspotential aus.
So lassen sich schlanke und integrale Bauweisen umsetzen, die weniger Beton benötigen, eine höhere Lebensdauer erreichen und gleichzeitig den Fertigungsaufwand verringern. Auf diese Weise entsteht eine ressourcenschonende und wirtschaftliche Lösung für die Herstellung von Spannbeton-Elementen und -bauwerken, die sowohl nachhaltig als auch kosteneffizient ist.
Am Beispiel vorgespannter Fertigteil-Brückenträger wollen die Forschenden das hohe ökonomische sowie ökologische Potential aufzeigen und die Praxistauglichkeit dieser innovativen Technologie nachweisen.
Das Projektteam von OptiCarboLiz hat sich zum Ziel gesetzt, den gesamten Fertigungsprozess von CFK-Spannbeton-Elementen neu auszulegen – mit Fokus auf Anwendungen im Brückenbau. Dafür entwickeln die Forschenden effiziente Verfahren für Fertigung, Vorspannung und Verankerung. Sie verbinden die Vorteile der Carbonbetonbauweise mit den hervorragenden stofflichen und zugmechanischen Eigenschaften vorgespannter Faserstränge und schöpfen deren volles Leistungspotential aus.
So lassen sich schlanke und integrale Bauweisen umsetzen, die weniger Beton benötigen, eine höhere Lebensdauer erreichen und gleichzeitig den Fertigungsaufwand verringern. Auf diese Weise entsteht eine ressourcenschonende und wirtschaftliche Lösung für die Herstellung von Spannbeton-Elementen und -bauwerken, die sowohl nachhaltig als auch kosteneffizient ist.
Am Beispiel vorgespannter Fertigteil-Brückenträger wollen die Forschenden das hohe ökonomische sowie ökologische Potential aufzeigen und die Praxistauglichkeit dieser innovativen Technologie nachweisen.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt neuartige CFK-Litzen und Technologien für deren Herstellung, Vorspannung und Verankerung. Die Basis hierfür bilden speziell profilierte Carbonfaserstränge, die zu vorspannbaren Litzen gebündelt werden.
Die Herstellung der Litzen erproben und optimieren die Forschenden anhand einer Fertigungsanlage im Labormaßstab. Neben der Verseilung der einzelnen, profilierten Carbonfaserstränge entwickeln sie eine geeignete Tränkungsmethode für die Carbonbündel und integrieren sie in den Fertigungsprozess. Die optimale Tränkung sorgt dafür, dass die feinen Einzelfasern fest zusammenhalten und so einen stabilen inneren Verbund bilden. Gleichzeitig bindet sie die einzelnen Faserstränge zu einer robusten Litze zusammen, was den äußeren Verbund sichert. Darüber hinaus schützt die Tränkung das Material vor Umwelteinflüssen und macht die Litze im weiteren Herstellungsprozess gut handhabbar.
Parallel analysiert das Projektteam die Materialeigenschaften entlang der gesamten Prozesskette und untersucht, wie sich einzelne Einflussgrößen auf das Gesamtsystem auswirken. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in ein automatisiertes, kontinuierlich arbeitendes Herstellungsverfahren ein.
Ergänzend entwerfen die Projektbeteiligten ein kompaktes Verankerungssystem, das sich flexibel für verschiedene Spannverfahren einsetzen lässt. Ein Bemessungsmodell zeigt, wie sich mit dem neuen Gesamtsystem besonders leichte und schlanke Brückenträger sicher planen und realisieren lassen.
Das Projektteam entwickelt neuartige CFK-Litzen und Technologien für deren Herstellung, Vorspannung und Verankerung. Die Basis hierfür bilden speziell profilierte Carbonfaserstränge, die zu vorspannbaren Litzen gebündelt werden.
Die Herstellung der Litzen erproben und optimieren die Forschenden anhand einer Fertigungsanlage im Labormaßstab. Neben der Verseilung der einzelnen, profilierten Carbonfaserstränge entwickeln sie eine geeignete Tränkungsmethode für die Carbonbündel und integrieren sie in den Fertigungsprozess. Die optimale Tränkung sorgt dafür, dass die feinen Einzelfasern fest zusammenhalten und so einen stabilen inneren Verbund bilden. Gleichzeitig bindet sie die einzelnen Faserstränge zu einer robusten Litze zusammen, was den äußeren Verbund sichert. Darüber hinaus schützt die Tränkung das Material vor Umwelteinflüssen und macht die Litze im weiteren Herstellungsprozess gut handhabbar.
Parallel analysiert das Projektteam die Materialeigenschaften entlang der gesamten Prozesskette und untersucht, wie sich einzelne Einflussgrößen auf das Gesamtsystem auswirken. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in ein automatisiertes, kontinuierlich arbeitendes Herstellungsverfahren ein.
Ergänzend entwerfen die Projektbeteiligten ein kompaktes Verankerungssystem, das sich flexibel für verschiedene Spannverfahren einsetzen lässt. Ein Bemessungsmodell zeigt, wie sich mit dem neuen Gesamtsystem besonders leichte und schlanke Brückenträger sicher planen und realisieren lassen.
OptUm-MagNa
Magnesium-Werkstoffe: Mit Nanopartikeln die Umformung ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.02.22
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Magnesium, Sonstige (AM60-Magnesiumlegierung (Mg-6Al) | Nanokomposit AM60-xCa-yAlN), Nanokomposite, Teilchenverbundwerkstoffe
Hintergrund
Magnesium besitzt unter den metallischen Konstruktionswerkstoffen die geringste Dichte und damit ein hohes Potenzial für den Leichtbau. Sein Elastizitätsmodul, also das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht, liegt deutlich über dem anderer Leichtmetalle wie Aluminium. Damit eignet sich Magnesium besonders für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo jedes Kilogramm Gewicht zählt.
Dennoch bleibt der Einsatz bislang eingeschränkt: Herkömmliche Magnesiumlegierungen lassen sich kaum umformen, da ihre hexagonale Gitterstruktur nur eine geringe Duktilität – also plastische Verformbarkeit – erlaubt. Umformbare Varianten erreichen bisher nicht die erforderlichen Festigkeiten und zeigen schlechte Verarbeitungseigenschaften. Das hindert Hersteller daran, Magnesium in tragenden Leichtbauteilen einzusetzen. Dies wollen die Forschenden im Projekt OptUm-MagNa ändern.
Magnesium besitzt unter den metallischen Konstruktionswerkstoffen die geringste Dichte und damit ein hohes Potenzial für den Leichtbau. Sein Elastizitätsmodul, also das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht, liegt deutlich über dem anderer Leichtmetalle wie Aluminium. Damit eignet sich Magnesium besonders für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, wo jedes Kilogramm Gewicht zählt.
Dennoch bleibt der Einsatz bislang eingeschränkt: Herkömmliche Magnesiumlegierungen lassen sich kaum umformen, da ihre hexagonale Gitterstruktur nur eine geringe Duktilität – also plastische Verformbarkeit – erlaubt. Umformbare Varianten erreichen bisher nicht die erforderlichen Festigkeiten und zeigen schlechte Verarbeitungseigenschaften. Das hindert Hersteller daran, Magnesium in tragenden Leichtbauteilen einzusetzen. Dies wollen die Forschenden im Projekt OptUm-MagNa ändern.
Ziel
Das Projektteam will Magnesiumlegierungen für die Umformtechnik qualifizieren – also nicht nur gießen, sondern auch schmieden oder extrudieren (Strangpressen). Dazu setzen die Forschenden auf sogenannte Nanokomposite: Sie fügen dem Magnesium keramische Nanopartikel im Größenbereich unter 100 Nanometern zu. Diese Partikel bewirken eine extreme Kornfeinung im Gefüge des Metalls. Das steigert die Festigkeit, verbessert die Duktilität und erhöht die Umformbarkeit deutlich.
So entsteht ein Werkstoff, der erstmals die Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und guter Formbarkeit bietet. Ergänzend wird die Entflammbarkeit verringert – ein wichtiger Aspekt besonders für die Luftfahrt. Statt teurer und kritischer seltener Erden nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Kalzium oder Kalziumoxid als Legierungszusatz, um das Brandverhalten auf das Niveau von Aluminiumschmelzen zu senken.
Das Projektteam will Magnesiumlegierungen für die Umformtechnik qualifizieren – also nicht nur gießen, sondern auch schmieden oder extrudieren (Strangpressen). Dazu setzen die Forschenden auf sogenannte Nanokomposite: Sie fügen dem Magnesium keramische Nanopartikel im Größenbereich unter 100 Nanometern zu. Diese Partikel bewirken eine extreme Kornfeinung im Gefüge des Metalls. Das steigert die Festigkeit, verbessert die Duktilität und erhöht die Umformbarkeit deutlich.
So entsteht ein Werkstoff, der erstmals die Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und guter Formbarkeit bietet. Ergänzend wird die Entflammbarkeit verringert – ein wichtiger Aspekt besonders für die Luftfahrt. Statt teurer und kritischer seltener Erden nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Kalzium oder Kalziumoxid als Legierungszusatz, um das Brandverhalten auf das Niveau von Aluminiumschmelzen zu senken.
Vorgehen
Zunächst untersuchen die Forschenden die optimale Zusammensetzung des Nanokomposits. Sie variieren Partikelgröße und -konzentration und analysieren deren Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften. Das daraus gegossene Halbzeug wird anschließend im Labor geschmiedet, strang- oder fließgepresst. In Mikrostruktur-Analysen während der Umformung ermittelt das Team die Beziehungen zwischen Umformparametern, Kornstruktur und Bauteileigenschaften. Ziel ist es, die Werkstoffeigenschaften gezielt über die Umformbedingungen einzustellen.
Parallel entwickeln die Forschenden Verfahren, um den Werkstoff unter realen industriellen Bedingungen verarbeiten zu können – energieeffizient und ressourcenschonend. Prototypische Bauteile aus dem neuen Magnesium-Nanokomposit vergleichen sie schließlich mit konventionellen Aluminiumteilen. Dabei stehen Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit und Entflammbarkeit im Fokus. Eine wirtschaftliche Bewertung soll abschließend das Potenzial für industrielle Anwendungen zeigen – auch über die Mobilität hinaus, etwa in der Medizintechnik.
Zunächst untersuchen die Forschenden die optimale Zusammensetzung des Nanokomposits. Sie variieren Partikelgröße und -konzentration und analysieren deren Einfluss auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften. Das daraus gegossene Halbzeug wird anschließend im Labor geschmiedet, strang- oder fließgepresst. In Mikrostruktur-Analysen während der Umformung ermittelt das Team die Beziehungen zwischen Umformparametern, Kornstruktur und Bauteileigenschaften. Ziel ist es, die Werkstoffeigenschaften gezielt über die Umformbedingungen einzustellen.
Parallel entwickeln die Forschenden Verfahren, um den Werkstoff unter realen industriellen Bedingungen verarbeiten zu können – energieeffizient und ressourcenschonend. Prototypische Bauteile aus dem neuen Magnesium-Nanokomposit vergleichen sie schließlich mit konventionellen Aluminiumteilen. Dabei stehen Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit und Entflammbarkeit im Fokus. Eine wirtschaftliche Bewertung soll abschließend das Potenzial für industrielle Anwendungen zeigen – auch über die Mobilität hinaus, etwa in der Medizintechnik.
PALUP
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung: Leichtbauteile beschädigungsfrei und flexibel testen
Förderlaufzeit:
Start
01.02.21
Ende
31.01.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Bioverbundwerkstoffe, Holz, Piezoelektrische Werkstoffe, Duroplaste, Elastomere, Thermoplaste, Aluminium, Intermetallische Legierungen, Magnesium, Stahl, Titan, Monolithische Keramiken, Nicht-oxidische Keramiken, Oxidische Keramiken, Ultra-Hochtemperatur-Keramiken, Aramidfaserverbundkunststoffe (AFK), Basaltfaserverstärkter Kunststoff, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Keramikmatrix-Verbund (CMC), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Kurzfaserverstärkter Beton, Metall-Keramik-Verbund, Metallfaser-Polymer-Verbund, Metallmatrix-Verbund, Nanokomposite, Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Schichtverbundwerkstoffe, Teilchenverbundwerkstoffe, Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Die Sicherheitsüberprüfung von Leichtbauteilen ist eine zentrale Herausforderung in der Industrie. Aktuelle Verfahren nutzen flüssige Kopplungsmittel wie Wasser, um Ultraschallwellen in die Bauteile zu übertragen. Diese Mittel haben jedoch negative Auswirkungen: Sie können empfindliche Materialien wie Wabenkernstrukturen oder Schaumstoffe beschädigen, erhöhen die Wartungskosten und erschweren die Prüfung komplexer Geometrien, insbesondere bei Bauteilen mit einseitigem Zugang.
Herkömmliche luftgekoppelte Ultraschallverfahren sind technisch limitiert: Einkanalige Systeme erlauben keine präzise Steuerung des Schallfelds und sind für komplexe Anwendungen ungeeignet. Das Projekt PALUP adressiert diese Schwächen gezielt. Das Team entwickelte eine innovative Prüftechnik, die völlig ohne Kopplungsmittel auskommt, dennoch höchste Prüfgenauigkeit bietet und flexibel auf unterschiedliche Bauteilgeometrien anwendbar ist.
Die Sicherheitsüberprüfung von Leichtbauteilen ist eine zentrale Herausforderung in der Industrie. Aktuelle Verfahren nutzen flüssige Kopplungsmittel wie Wasser, um Ultraschallwellen in die Bauteile zu übertragen. Diese Mittel haben jedoch negative Auswirkungen: Sie können empfindliche Materialien wie Wabenkernstrukturen oder Schaumstoffe beschädigen, erhöhen die Wartungskosten und erschweren die Prüfung komplexer Geometrien, insbesondere bei Bauteilen mit einseitigem Zugang.
Herkömmliche luftgekoppelte Ultraschallverfahren sind technisch limitiert: Einkanalige Systeme erlauben keine präzise Steuerung des Schallfelds und sind für komplexe Anwendungen ungeeignet. Das Projekt PALUP adressiert diese Schwächen gezielt. Das Team entwickelte eine innovative Prüftechnik, die völlig ohne Kopplungsmittel auskommt, dennoch höchste Prüfgenauigkeit bietet und flexibel auf unterschiedliche Bauteilgeometrien anwendbar ist.
Ziel
Mit PALUP verfolgt das Projektteam das Ziel, einen Demonstrator für ein luftgekoppeltes Phased-Array-System zu entwickeln, das vollständig ohne Kopplungsmittel auskommt. Mit dieser Technik können Schallfelder elektronisch fokussiert, geschwenkt und gescannt werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Prüfung komplexer Geometrien und schwer zugänglicher Bereiche.
Die Forschenden wollen so eine Lösung schaffen, die nicht nur bestehende Einschränkungen der luftgekoppelten Ultraschalltechnik überwindet, sondern auch die Präzision und Flexibilität der Phased-Array-Technologie auf eine berührungslose Methode überträgt. Langfristig soll diese Innovation Leichtbauanwendungen sicherer und nachhaltiger machen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.
Mit PALUP verfolgt das Projektteam das Ziel, einen Demonstrator für ein luftgekoppeltes Phased-Array-System zu entwickeln, das vollständig ohne Kopplungsmittel auskommt. Mit dieser Technik können Schallfelder elektronisch fokussiert, geschwenkt und gescannt werden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Prüfung komplexer Geometrien und schwer zugänglicher Bereiche.
Die Forschenden wollen so eine Lösung schaffen, die nicht nur bestehende Einschränkungen der luftgekoppelten Ultraschalltechnik überwindet, sondern auch die Präzision und Flexibilität der Phased-Array-Technologie auf eine berührungslose Methode überträgt. Langfristig soll diese Innovation Leichtbauanwendungen sicherer und nachhaltiger machen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie.
Vorgehen
Die Forschenden kombinieren ihr Wissen in der Sensorentwicklung und der Prüfgeräteintegration, um einen Demonstrator mit neuartigen Luftultraschallsensoren zu entwickeln. Dabei setzen sie auf zelluläres Polypropylen, ein Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, das keine Anpassschichten benötigt und sich ideal für die Übertragung von Ultraschallwellen in Luft eignet. Die Sensoren werden als Phased-Arrays konstruiert, um eine präzise elektronische Steuerung der Schallfelder zu ermöglichen.
Parallel entwickelt das Team eine mehrkanalige Sende- und Empfangselektronik sowie spezialisierte Software zur Datenerfassung. Mit diesem System können die Forschenden Prüfungen ohne mechanische Bewegung oder Kopplungsmittel durchführen. Das Ergebnis ist eine wegweisende Technologie, die eine flexible, präzise und sichere zerstörungsfreie Prüfung von Leichtbauteilen ermöglicht und die Grundlage für eine breite industrielle Anwendung schafft.
Die Forschenden kombinieren ihr Wissen in der Sensorentwicklung und der Prüfgeräteintegration, um einen Demonstrator mit neuartigen Luftultraschallsensoren zu entwickeln. Dabei setzen sie auf zelluläres Polypropylen, ein Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, das keine Anpassschichten benötigt und sich ideal für die Übertragung von Ultraschallwellen in Luft eignet. Die Sensoren werden als Phased-Arrays konstruiert, um eine präzise elektronische Steuerung der Schallfelder zu ermöglichen.
Parallel entwickelt das Team eine mehrkanalige Sende- und Empfangselektronik sowie spezialisierte Software zur Datenerfassung. Mit diesem System können die Forschenden Prüfungen ohne mechanische Bewegung oder Kopplungsmittel durchführen. Das Ergebnis ist eine wegweisende Technologie, die eine flexible, präzise und sichere zerstörungsfreie Prüfung von Leichtbauteilen ermöglicht und die Grundlage für eine breite industrielle Anwendung schafft.
PAMB
Schneller, günstiger und nachhaltiger bauen: modularer Brückenbau mit Carbonbeton
Förderlaufzeit:
Start
01.08.21
Ende
30.04.24
Anwendung:
Material:
Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Etwa 7.400 Brücken an deutschen Autobahnen und Bundesstraßen gehören zum Modernisierungsnetz des BMDV und sollen bis zum Jahr 2030 saniert oder ersetzt werden. Um den Verkehr möglichst wenig zu beeinträchtigen, sind kurze Bauzeiten essentiell. Eine innovative Lösung bietet hier die modulare Bauweise mit nichtmetallischer Bewehrung: Die verschiedenen Bauteile für die Brücke werden vollständig im Werk vorgefertigt, auf die Baustelle geliefert und dann vor Ort verbunden.
Die Vorteile des modularen Brückenbaus mit nichtmetallischer Bewehrung sind vielfältig: Industriell hergestellte Bauteile sind präziser und schlanker. In Verbindung mit korrosionsresistenter Bewehrung spart dies Beton und stößt weniger CO₂ aus bei Herstellung und Transport. Umfang und Größe von Baustellen sowie die Bauzeit vor Ort – und damit baustellenbedingte Stauzeiten – können deutlich gesenkt werden. Da der Schadstoffausstoß einer Baumaßnahme direkt mit der Bauzeit korreliert, wird die Belastung von Klima und Umwelt weiter reduziert.
Da die Verbindung der einzelnen Module reversibel designed wird, können diese im Schadensfall zerstörungsfrei ausgetauscht oder ausgebaut werden, ohne das Bauwerk komplett neu errichten zu müssen. Beim Rückbau könnten die einzelnen Elemente in Zukunft wiederverwertet oder einfacher recycelt werden, um den gesamten Lebenszyklus nachhaltiger auszugestalten.
Etwa 7.400 Brücken an deutschen Autobahnen und Bundesstraßen gehören zum Modernisierungsnetz des BMDV und sollen bis zum Jahr 2030 saniert oder ersetzt werden. Um den Verkehr möglichst wenig zu beeinträchtigen, sind kurze Bauzeiten essentiell. Eine innovative Lösung bietet hier die modulare Bauweise mit nichtmetallischer Bewehrung: Die verschiedenen Bauteile für die Brücke werden vollständig im Werk vorgefertigt, auf die Baustelle geliefert und dann vor Ort verbunden.
Die Vorteile des modularen Brückenbaus mit nichtmetallischer Bewehrung sind vielfältig: Industriell hergestellte Bauteile sind präziser und schlanker. In Verbindung mit korrosionsresistenter Bewehrung spart dies Beton und stößt weniger CO₂ aus bei Herstellung und Transport. Umfang und Größe von Baustellen sowie die Bauzeit vor Ort – und damit baustellenbedingte Stauzeiten – können deutlich gesenkt werden. Da der Schadstoffausstoß einer Baumaßnahme direkt mit der Bauzeit korreliert, wird die Belastung von Klima und Umwelt weiter reduziert.
Da die Verbindung der einzelnen Module reversibel designed wird, können diese im Schadensfall zerstörungsfrei ausgetauscht oder ausgebaut werden, ohne das Bauwerk komplett neu errichten zu müssen. Beim Rückbau könnten die einzelnen Elemente in Zukunft wiederverwertet oder einfacher recycelt werden, um den gesamten Lebenszyklus nachhaltiger auszugestalten.
Ziel
Im internationalen Vergleich ist die modulare Bauweise in Deutschland bisher nur wenig verbreitet. Das liegt weniger an der Machbarkeit als vielmehr an der eng gefassten Normung. Das Projektteam entwickelt und erprobt deshalb eine Pilotanlage. Die Forscherinnen und Forscher bauen den Prototypen für eine Straßenbrücke im originalgetreuen Maßstab eins zu eins und stimmen sich eng mit den Zulassungsbehörden ab.
Die Erkenntnisse aus dem Brückenbau lassen sich auf viele Zweige der Bauindustrie übertragen – vom Hochbau bis hin zur Energiewirtschaft.
Im internationalen Vergleich ist die modulare Bauweise in Deutschland bisher nur wenig verbreitet. Das liegt weniger an der Machbarkeit als vielmehr an der eng gefassten Normung. Das Projektteam entwickelt und erprobt deshalb eine Pilotanlage. Die Forscherinnen und Forscher bauen den Prototypen für eine Straßenbrücke im originalgetreuen Maßstab eins zu eins und stimmen sich eng mit den Zulassungsbehörden ab.
Die Erkenntnisse aus dem Brückenbau lassen sich auf viele Zweige der Bauindustrie übertragen – vom Hochbau bis hin zur Energiewirtschaft.
Vorgehen
Den Prototyp fertigen die Forschenden komplett im Werk und fügen die einzelnen Carbonbeton-Bauteile anschließend auf der Baustelle miteinander. Diese sogenannte Fügung will das Projektteam durch vorgespannte Trockenfugen erreichen. Das heißt, dass die vorgefertigten Teile sehr präzise hergestellt sein müssen, damit sie passgenau aneinander liegen und die Haftreibung aktiviert wird. Sie verhindert, dass die einzelnen Elemente auseinandergleiten. Der herausragende Vorteil ist, dass die Montagezeit für den Überbau auf der Baustelle auf nur einen Arbeitstag reduziert werden kann. Im Anschluss ist das Bauwerk sofort voll tragfähig, da kein Ortbeton aushärten muss. – Diese enorm kurze Bauzeit konnte im Rahmen des Projektes nachgewiesen werden.
Die Anlage testen die Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft unter realen Bedingungen im Zuge einer Bundesstraße: Sie integrieren den Brückenprototyp in eine Behelfsumfahrung einer Brückenbaustelle nahe Freiberg in Sachsen. So setzen sie die Anlage für etwa ein Jahr der Belastung durch realen Straßenverkehr aus. Am 19.09.2023 wurde das Bauwerk nach vorherigem Belastungstest unter Betrieb genommen. Mit dem begleitenden messtechnischen Monitoring wollen sie die Zuverlässigkeit der modularen Bauweise belegen und so normative Anpassungen anstoßen. Am Ende der Nutzungsdauer untersuchen die Projektpartner die Brücke im Labor und prüfen, ob eine Wiederverwendung an einem anderen Einsatzort möglich ist.
Den Prototyp fertigen die Forschenden komplett im Werk und fügen die einzelnen Carbonbeton-Bauteile anschließend auf der Baustelle miteinander. Diese sogenannte Fügung will das Projektteam durch vorgespannte Trockenfugen erreichen. Das heißt, dass die vorgefertigten Teile sehr präzise hergestellt sein müssen, damit sie passgenau aneinander liegen und die Haftreibung aktiviert wird. Sie verhindert, dass die einzelnen Elemente auseinandergleiten. Der herausragende Vorteil ist, dass die Montagezeit für den Überbau auf der Baustelle auf nur einen Arbeitstag reduziert werden kann. Im Anschluss ist das Bauwerk sofort voll tragfähig, da kein Ortbeton aushärten muss. – Diese enorm kurze Bauzeit konnte im Rahmen des Projektes nachgewiesen werden.
Die Anlage testen die Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft unter realen Bedingungen im Zuge einer Bundesstraße: Sie integrieren den Brückenprototyp in eine Behelfsumfahrung einer Brückenbaustelle nahe Freiberg in Sachsen. So setzen sie die Anlage für etwa ein Jahr der Belastung durch realen Straßenverkehr aus. Am 19.09.2023 wurde das Bauwerk nach vorherigem Belastungstest unter Betrieb genommen. Mit dem begleitenden messtechnischen Monitoring wollen sie die Zuverlässigkeit der modularen Bauweise belegen und so normative Anpassungen anstoßen. Am Ende der Nutzungsdauer untersuchen die Projektpartner die Brücke im Labor und prüfen, ob eine Wiederverwendung an einem anderen Einsatzort möglich ist.
PERU
Nachhaltiger 3D-Druck: Metallpulver wiederverwenden und Materialflüsse digitalisieren
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
31.08.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Titan
Hintergrund
Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzen bauen Bauteile Schicht für Schicht aus feinkörnigem Metallpulver auf. So entstehen besonders leichte und gleichzeitig stabile Strukturen. Sie sind materialeffizient, da kein Spanabfall entsteht und keine Gussformen benötigt werden. Studien zeigen, dass sich mit optimierten Leichtbaukonstruktionen Gewichtsreduktionen von über 40 Prozent erzielen lassen.
Trotz dieser Vorteile nutzen Unternehmen Metall-3D-Druck bisher kaum. Der Marktanteil liegt unter einem Prozent des gesamten Metallmaschinenmarkts. Einer der Hauptgründe: Es fehlen verlässliche Verfahren, um das eingesetzte Pulver mehrfach zu verwenden. Oxidation, Feuchtigkeit oder Verunreinigungen verändern die Eigenschaften des Pulvers und können die Bauteilqualität beeinträchtigen.
Da es weder etablierte Grenzwerte noch standardisierte Messmethoden gibt, verwenden viele Unternehmen ausschließlich frisches Pulver. Das erhöht die Produktionskosten und verhindert geschlossene Materialkreisläufe. Zudem entstehen hohe CO₂-Emissionen – allein durch die Herstellung des Ausgangsmaterials.
Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahl- oder Elektronenstrahlschmelzen bauen Bauteile Schicht für Schicht aus feinkörnigem Metallpulver auf. So entstehen besonders leichte und gleichzeitig stabile Strukturen. Sie sind materialeffizient, da kein Spanabfall entsteht und keine Gussformen benötigt werden. Studien zeigen, dass sich mit optimierten Leichtbaukonstruktionen Gewichtsreduktionen von über 40 Prozent erzielen lassen.
Trotz dieser Vorteile nutzen Unternehmen Metall-3D-Druck bisher kaum. Der Marktanteil liegt unter einem Prozent des gesamten Metallmaschinenmarkts. Einer der Hauptgründe: Es fehlen verlässliche Verfahren, um das eingesetzte Pulver mehrfach zu verwenden. Oxidation, Feuchtigkeit oder Verunreinigungen verändern die Eigenschaften des Pulvers und können die Bauteilqualität beeinträchtigen.
Da es weder etablierte Grenzwerte noch standardisierte Messmethoden gibt, verwenden viele Unternehmen ausschließlich frisches Pulver. Das erhöht die Produktionskosten und verhindert geschlossene Materialkreisläufe. Zudem entstehen hohe CO₂-Emissionen – allein durch die Herstellung des Ausgangsmaterials.
Ziel
Hier setzt das Forschungsprojekt PERU an. Die Projektpartner wollen die Wiederverwendung von Metallpulver im 3D-Druck technisch absichern und industrietauglich machen. Die Forschenden entwickeln eine Methode, mit der sich Pulver mehrfach einsetzen lässt, ohne die Qualität der Bauteile zu gefährden. Ziel ist es, die Materialausnutzung zu verbessern, die Produktionskosten um mindestens 50 Prozent zu senken und gleichzeitig den CO₂-Ausstoß deutlich zu reduzieren. Ein besonderer Fokus liegt auf regulierten Märkten wie Luftfahrt, Medizintechnik oder Energietechnik, in denen höchste Anforderungen an Qualität und Rückverfolgbarkeit gelten.
Um dieses Ziel zu erreichen, legt das Projektteam Grenzwerte für Alterungsprozesse fest. Es erarbeitet Verfahren zur Trocknung, Reinigung und gezielten Mischung von Pulverchargen. Zusätzlich bauen die Partner ein digitales System zur Rückverfolgung auf. Damit lassen sich alle Chargen im Produktionsprozess automatisch überwachen und dokumentieren – eine Voraussetzung für den zuverlässigen Serieneinsatz. Die Ergebnisse sollen in technische Richtlinien und künftige Normungsvorhaben einfließen. Auch die Digitalisierung der Materialflüsse gehört zu den Zielen: Sie ermöglicht eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und trägt dazu bei, additive Fertigungsprozesse effizienter zu gestalten.
Hier setzt das Forschungsprojekt PERU an. Die Projektpartner wollen die Wiederverwendung von Metallpulver im 3D-Druck technisch absichern und industrietauglich machen. Die Forschenden entwickeln eine Methode, mit der sich Pulver mehrfach einsetzen lässt, ohne die Qualität der Bauteile zu gefährden. Ziel ist es, die Materialausnutzung zu verbessern, die Produktionskosten um mindestens 50 Prozent zu senken und gleichzeitig den CO₂-Ausstoß deutlich zu reduzieren. Ein besonderer Fokus liegt auf regulierten Märkten wie Luftfahrt, Medizintechnik oder Energietechnik, in denen höchste Anforderungen an Qualität und Rückverfolgbarkeit gelten.
Um dieses Ziel zu erreichen, legt das Projektteam Grenzwerte für Alterungsprozesse fest. Es erarbeitet Verfahren zur Trocknung, Reinigung und gezielten Mischung von Pulverchargen. Zusätzlich bauen die Partner ein digitales System zur Rückverfolgung auf. Damit lassen sich alle Chargen im Produktionsprozess automatisch überwachen und dokumentieren – eine Voraussetzung für den zuverlässigen Serieneinsatz. Die Ergebnisse sollen in technische Richtlinien und künftige Normungsvorhaben einfließen. Auch die Digitalisierung der Materialflüsse gehört zu den Zielen: Sie ermöglicht eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und trägt dazu bei, additive Fertigungsprozesse effizienter zu gestalten.
Vorgehen
Die Projektpartner analysieren zunächst, wie sich Metallpulver beim wiederholten Einsatz in der additiven Fertigung verändert. Sie untersuchen zwei Verfahren: das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen. Beide arbeiten mit dünnen Pulverschichten, die mittels Laser- oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen werden. Die Forschenden erfassen dabei Merkmale wie Feuchtigkeitsgehalt, Korngrößenverteilung, Oxidationsgrad und Fremdkontaminationen – alles Faktoren, die die Qualität des Endbauteils beeinflussen können.
Um diese Eigenschaften bewerten zu können, entwickelt das Team neue Messverfahren und legt Grenzwerte für die Wiederverwendbarkeit fest. Die Partner bauen einen Prüfstand, um das Schichtverhalten des Pulvers unter realen Prozessbedingungen zu untersuchen. Parallel dazu erarbeiten sie Methoden zur Aufbereitung, etwa zur Trocknung feuchter Pulver oder zur Mischung von alten und neuen Chargen.
Eine zentrale Rolle spielt der Aufbau eines digitalen Materialkreislaufs: Alle Pulverchargen werden fortlaufend dokumentiert, ihre Eigenschaften automatisch erfasst und ausgewertet. So lassen sich Veränderungen im Pulverbestand nachvollziehen und mit der Qualität der gedruckten Bauteile in Beziehung setzen.
Die Projektpartner analysieren zunächst, wie sich Metallpulver beim wiederholten Einsatz in der additiven Fertigung verändert. Sie untersuchen zwei Verfahren: das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen. Beide arbeiten mit dünnen Pulverschichten, die mittels Laser- oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen werden. Die Forschenden erfassen dabei Merkmale wie Feuchtigkeitsgehalt, Korngrößenverteilung, Oxidationsgrad und Fremdkontaminationen – alles Faktoren, die die Qualität des Endbauteils beeinflussen können.
Um diese Eigenschaften bewerten zu können, entwickelt das Team neue Messverfahren und legt Grenzwerte für die Wiederverwendbarkeit fest. Die Partner bauen einen Prüfstand, um das Schichtverhalten des Pulvers unter realen Prozessbedingungen zu untersuchen. Parallel dazu erarbeiten sie Methoden zur Aufbereitung, etwa zur Trocknung feuchter Pulver oder zur Mischung von alten und neuen Chargen.
Eine zentrale Rolle spielt der Aufbau eines digitalen Materialkreislaufs: Alle Pulverchargen werden fortlaufend dokumentiert, ihre Eigenschaften automatisch erfasst und ausgewertet. So lassen sich Veränderungen im Pulverbestand nachvollziehen und mit der Qualität der gedruckten Bauteile in Beziehung setzen.
ProDenker
Keramische Bauteile additiv herstellen: Digitaler Zwilling optimiert gesamte Prozesskette
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Nicht-oxidische Keramiken, Keramikmatrix-Verbund (CMC)
Hintergrund
Faserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe (CMC) bieten großes Potenzial für den Leichtbau. Sie kombinieren Temperaturbeständigkeit mit hoher Festigkeit und eignen sich daher besonders für Hochtemperaturanwendungen, etwa in Turbinen, Wärmetauschern oder chemischen Anlagen. Gleichzeitig ist die Produktion von CMC aufwendig, die Bearbeitung ressourcenintensiv, und die Qualitätssicherung erfordert viel Zeit. Besonders die Endbearbeitung verursacht bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten. Diese Hürden verhindern bisher den breiten Einsatz der vielversprechenden Materialien. Hier setzt das Forschungsprojekt ProDenker an.
Faserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe (CMC) bieten großes Potenzial für den Leichtbau. Sie kombinieren Temperaturbeständigkeit mit hoher Festigkeit und eignen sich daher besonders für Hochtemperaturanwendungen, etwa in Turbinen, Wärmetauschern oder chemischen Anlagen. Gleichzeitig ist die Produktion von CMC aufwendig, die Bearbeitung ressourcenintensiv, und die Qualitätssicherung erfordert viel Zeit. Besonders die Endbearbeitung verursacht bis zu 80 Prozent der Herstellungskosten. Diese Hürden verhindern bisher den breiten Einsatz der vielversprechenden Materialien. Hier setzt das Forschungsprojekt ProDenker an.
Ziel
Das Projektteam entwickelt eine KI-gestützte Prozesskette, die alle Schritte von der additiven Fertigung bis zur mechanischen Nachbearbeitung optimiert. Ziel ist es, Produktionsprozesse effizienter, flexibler und nachhaltiger zu gestalten. Mithilfe eines digitalen Zwillings möchten die Forschenden Prozessdaten in Echtzeit analysieren, Abweichungen frühzeitig erkennen und Parameter automatisch anpassen. Dieses Vorgehen soll den Materialverbrauch senken, die Energieeffizienz steigern und die Bauteilqualität erhöhen.
Zusätzlich arbeiten sie an umweltschonenden Schmierstoffen, innovativen Spanntechniken zur Schwingungsdämpfung und simulationsbasierten Werkzeugen, die den Bearbeitungsprozess beschleunigen und wirtschaftlicher machen.
Das Projektteam entwickelt eine KI-gestützte Prozesskette, die alle Schritte von der additiven Fertigung bis zur mechanischen Nachbearbeitung optimiert. Ziel ist es, Produktionsprozesse effizienter, flexibler und nachhaltiger zu gestalten. Mithilfe eines digitalen Zwillings möchten die Forschenden Prozessdaten in Echtzeit analysieren, Abweichungen frühzeitig erkennen und Parameter automatisch anpassen. Dieses Vorgehen soll den Materialverbrauch senken, die Energieeffizienz steigern und die Bauteilqualität erhöhen.
Zusätzlich arbeiten sie an umweltschonenden Schmierstoffen, innovativen Spanntechniken zur Schwingungsdämpfung und simulationsbasierten Werkzeugen, die den Bearbeitungsprozess beschleunigen und wirtschaftlicher machen.
Vorgehen
Die Forschenden erarbeiten schrittweise die Prozesskette und testen ihre Methoden direkt an Demonstratoren wie einer Turbinenschaufel und einem Rekuperator. Sie drucken Rohlinge aus hochgefüllten Werkstoffen und wandeln diese in dichte CMC-Bauteile um. Während der Bearbeitung analysieren sie kontinuierlich Prozessdaten mit KI-Algorithmen, um Bearbeitungsparameter und Werkzeugdesigns zu verbessern. Durch speziell entwickelte Spanntechniken minimieren sie Schwingungen und steigern die Bearbeitungsqualität. Eine zentrale Datenplattform verbindet dabei alle Arbeitsschritte und ermöglicht eine durchgängige Qualitätssicherung. Die Forschenden entwickeln die Prozesskette so flexibel, dass sie sich auf andere Materialien und Branchen übertragen lässt, etwa auf die Energie-, Chemie- oder Automobilindustrie.
Die Forschenden erarbeiten schrittweise die Prozesskette und testen ihre Methoden direkt an Demonstratoren wie einer Turbinenschaufel und einem Rekuperator. Sie drucken Rohlinge aus hochgefüllten Werkstoffen und wandeln diese in dichte CMC-Bauteile um. Während der Bearbeitung analysieren sie kontinuierlich Prozessdaten mit KI-Algorithmen, um Bearbeitungsparameter und Werkzeugdesigns zu verbessern. Durch speziell entwickelte Spanntechniken minimieren sie Schwingungen und steigern die Bearbeitungsqualität. Eine zentrale Datenplattform verbindet dabei alle Arbeitsschritte und ermöglicht eine durchgängige Qualitätssicherung. Die Forschenden entwickeln die Prozesskette so flexibel, dass sie sich auf andere Materialien und Branchen übertragen lässt, etwa auf die Energie-, Chemie- oder Automobilindustrie.
ProLeit
Innovative Umformtechnik für Fahrzeugteile: Aluminiumprofile flexibel gradieren
Förderlaufzeit:
Start
01.04.21
Ende
31.10.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Magnesium, Stahl, Titan
Hintergrund
Leichtbau spielt eine Schlüsselrolle für eine ressourcenschonende Mobilität. Besonders Aluminiumstrangpressprofile sind im Fahrzeug- und Flugzeugbau etabliert, da sie hohe Festigkeit mit geringem Gewicht verbinden. Bisher lassen sich diese Profile monolithisch jedoch nur in zwei Dimensionen anpassen – eine flexible Veränderung entlang der Längsrichtung ist mit aktuellen Verfahren nicht wirtschaftlich umsetzbar. Das führt zu unnötigem Materialeinsatz und erfordert aufwendige Nachbearbeitungen.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelt das Forschungsteam im Projekt ProLeit eine neuartige Gradierungstechnologie, die eine gezielte Anpassung der Profilgeometrie entlang der Längsachse ermöglicht.
Leichtbau spielt eine Schlüsselrolle für eine ressourcenschonende Mobilität. Besonders Aluminiumstrangpressprofile sind im Fahrzeug- und Flugzeugbau etabliert, da sie hohe Festigkeit mit geringem Gewicht verbinden. Bisher lassen sich diese Profile monolithisch jedoch nur in zwei Dimensionen anpassen – eine flexible Veränderung entlang der Längsrichtung ist mit aktuellen Verfahren nicht wirtschaftlich umsetzbar. Das führt zu unnötigem Materialeinsatz und erfordert aufwendige Nachbearbeitungen.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelt das Forschungsteam im Projekt ProLeit eine neuartige Gradierungstechnologie, die eine gezielte Anpassung der Profilgeometrie entlang der Längsachse ermöglicht.
Ziel
Die Forschenden wollen die neu entwickelte Gradierungstechnologie aus dem Labor in die industrielle Praxis überführen. Ihr Ziel ist es, Strangpressprofile nicht nur im Querschnitt, sondern auch entlang der Längsrichtung flexibel zu formen. So wird Material gezielt nur dort eingesetzt, wo es tatsächlich gebraucht wird. Damit entstehen neue Möglichkeiten für den Leichtbau, die nicht nur Material und Kosten sparen, sondern auch die CO₂-Bilanz verbessern. Untersuchungen zeigen: In der Automobilindustrie könnte das Verfahren Leichtbaupotenziale von mindestens 25 Prozent erschließen. Zusätzlich erforscht das Team, wie sich neben klassischen Rundprofilen auch alternative Geometrien, wie etwa Oval-, Vierkant- und Mehrkammerprofile und verschiedene Materialien verarbeiten lassen, um die Anwendungsbreite zu erhöhen und weitere Gewichtseinsparungen zu erzielen.
Mit der Industrialisierung des Verfahrens könnte die Gradierungstechnologie auch in anderen Bereichen des Leichtbaus genutzt werden – mit Anwendungen weit über die Mobilität hinaus, etwa im Anlagenbau oder im Energiesektor.
Die Forschenden wollen die neu entwickelte Gradierungstechnologie aus dem Labor in die industrielle Praxis überführen. Ihr Ziel ist es, Strangpressprofile nicht nur im Querschnitt, sondern auch entlang der Längsrichtung flexibel zu formen. So wird Material gezielt nur dort eingesetzt, wo es tatsächlich gebraucht wird. Damit entstehen neue Möglichkeiten für den Leichtbau, die nicht nur Material und Kosten sparen, sondern auch die CO₂-Bilanz verbessern. Untersuchungen zeigen: In der Automobilindustrie könnte das Verfahren Leichtbaupotenziale von mindestens 25 Prozent erschließen. Zusätzlich erforscht das Team, wie sich neben klassischen Rundprofilen auch alternative Geometrien, wie etwa Oval-, Vierkant- und Mehrkammerprofile und verschiedene Materialien verarbeiten lassen, um die Anwendungsbreite zu erhöhen und weitere Gewichtseinsparungen zu erzielen.
Mit der Industrialisierung des Verfahrens könnte die Gradierungstechnologie auch in anderen Bereichen des Leichtbaus genutzt werden – mit Anwendungen weit über die Mobilität hinaus, etwa im Anlagenbau oder im Energiesektor.
Vorgehen
Um die Technologie in die industrielle Anwendung zu überführen, entwickelt das Projektteam eine innovative Umformtechnologie auf Basis des Walzgleitziehens. Dabei durchlaufen die Profile spezielle Walzen, die den Querschnitt gezielt verändern. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Übertragung des Walzgleitziehens auf komplexe Profilgeometrien, wie etwa Mehrkammerprofile. Hierzu wird der Umformprozess zunächst mit numerischen Methoden simuliert und anschließend experimentell mit realen, stranggepressten Profilen validiert. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.
Zudem erforschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich unterschiedliche Materialeigenschaften auf den Umformprozess auswirken und welche Prozessparameter optimiert werden müssen, um stabile und reproduzierbare Bauteile zu gewährleisten.
Um die Technologie in die industrielle Anwendung zu überführen, entwickelt das Projektteam eine innovative Umformtechnologie auf Basis des Walzgleitziehens. Dabei durchlaufen die Profile spezielle Walzen, die den Querschnitt gezielt verändern. Ein Schwerpunkt der Arbeit ist die Übertragung des Walzgleitziehens auf komplexe Profilgeometrien, wie etwa Mehrkammerprofile. Hierzu wird der Umformprozess zunächst mit numerischen Methoden simuliert und anschließend experimentell mit realen, stranggepressten Profilen validiert. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment.
Zudem erforschen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, wie sich unterschiedliche Materialeigenschaften auf den Umformprozess auswirken und welche Prozessparameter optimiert werden müssen, um stabile und reproduzierbare Bauteile zu gewährleisten.
ProMeTheuS
Nachhaltiges Thermoformen: Recyclingfasern machen Leichtbau-Teile effizienter und stabiler
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
31.03.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Sonstige (Rezyklierte Karbonfasern), Thermoplaste, Garne, Rovings, Vliesstoffe, Matten, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Das Thermoformen ist ein etabliertes Verfahren zur kostengünstigen Herstellung großflächiger Kunststoffbauteile. Es wird unter anderem in der Bus- und Bahnindustrie, im Caravanbau und bei Nutzfahrzeugen angewendet. Die Technologie hat jedoch Einschränkungen, da unverstärkte Kunststoffe oft nicht ausreichend stabil für anspruchsvollere Anwendungen sind.
Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist notwendig, um auch faserverstärkte Kunststoffe zu verarbeiten und die Leistungsfähigkeit zu steigern. Hier wurde ein innovativer Ansatz entwickelt: Mehrschichtverbund-Halbzeuge, die recycelte Carbonfasern enthalten. Diese Materialkombination bietet vielversprechende Potenziale für nachhaltige und leistungsfähige Bauteile.
Das Thermoformen ist ein etabliertes Verfahren zur kostengünstigen Herstellung großflächiger Kunststoffbauteile. Es wird unter anderem in der Bus- und Bahnindustrie, im Caravanbau und bei Nutzfahrzeugen angewendet. Die Technologie hat jedoch Einschränkungen, da unverstärkte Kunststoffe oft nicht ausreichend stabil für anspruchsvollere Anwendungen sind.
Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist notwendig, um auch faserverstärkte Kunststoffe zu verarbeiten und die Leistungsfähigkeit zu steigern. Hier wurde ein innovativer Ansatz entwickelt: Mehrschichtverbund-Halbzeuge, die recycelte Carbonfasern enthalten. Diese Materialkombination bietet vielversprechende Potenziale für nachhaltige und leistungsfähige Bauteile.
Ziel
Das Projekt ProMeTheuS verfolgt das Ziel, die CO₂-Emissionen im Mobilitätssektor nachhaltig zu reduzieren. Das Projektteam entwickelt leichte, stabile und vollständig recycelbare Kunststoffbauteile für mobile Anwendungen. Die Forschenden wollen dabei nicht nur weniger Material verbrauchen, sondern gleichzeitig Wertstoffe nutzen, die mehrfach wiederverwertbar sind. Für diese Mehrschichtverbund-Halbzeuge entwickeln sie recyceltes Carbonfaser-Vlies.
ProMeTheuS leistet damit einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, indem es Recyclingmaterialien in hochwertige Anwendungen integriert und so den Einsatz neuer Ressourcen reduziert. Durch nachhaltige Produktionsprozesse will das Projektteam außerdem die CO₂-Emissionen bei der Herstellung der Bauteile deutlich senken.
Das Projekt ProMeTheuS verfolgt das Ziel, die CO₂-Emissionen im Mobilitätssektor nachhaltig zu reduzieren. Das Projektteam entwickelt leichte, stabile und vollständig recycelbare Kunststoffbauteile für mobile Anwendungen. Die Forschenden wollen dabei nicht nur weniger Material verbrauchen, sondern gleichzeitig Wertstoffe nutzen, die mehrfach wiederverwertbar sind. Für diese Mehrschichtverbund-Halbzeuge entwickeln sie recyceltes Carbonfaser-Vlies.
ProMeTheuS leistet damit einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, indem es Recyclingmaterialien in hochwertige Anwendungen integriert und so den Einsatz neuer Ressourcen reduziert. Durch nachhaltige Produktionsprozesse will das Projektteam außerdem die CO₂-Emissionen bei der Herstellung der Bauteile deutlich senken.
Vorgehen
Zu Beginn des Projekts analysiert das Team die spezifischen Anforderungen aus den Branchen Bus- und Bahnverkehr, Caravaning und Landmaschinenbau. Nach einem langen Entwicklungsprozess erarbeiten die Forschenden ein universelles Halbzeug, das relevante Anforderungen der Branchen bei der Weiterentwicklung erfüllen kann. Die neuen Materialien zeichnen sich zwar durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus, jedoch sind diese zur Substitution der Metallstruktur eines Sitzes nicht ausreichend. Als einfache Abdeckung, ohne großen Festigkeitsanspruch, könnte das Material Verwendung in den vorgegebenen Branchen finden. Für ein erfolgreiches Tiefziehen ist dabei eine einfache Bauteilgeometrie unabdingbar.
Ein wichtiger Bestandteil des Projekts ist der Einsatz von Carbonfaser-Vliesen, die eine starke Verstärkungswirkung erzielen. Nach einem langen Entwicklungsprozess der Materialrezeptur zeigt sich das Potenzial dieser Technologie sowie der passende Bauteileinsatz. So entwickeln die Forschenden einen Prototyp, der zukünftig zu einem leichten, stabilen und ressourcensparenden Sitzsystem für den öffentlichen Nahverkehr führen kann, das zudem wiederverwertbar ist. Auch klassische Bauteile wie Wandpaneele und Formelemente werden mit den neuen Halbzeugen vielversprechend evaluiert, was die Vielseitigkeit und Zukunftsfähigkeit der Technologie unterstreicht.
Zu Beginn des Projekts analysiert das Team die spezifischen Anforderungen aus den Branchen Bus- und Bahnverkehr, Caravaning und Landmaschinenbau. Nach einem langen Entwicklungsprozess erarbeiten die Forschenden ein universelles Halbzeug, das relevante Anforderungen der Branchen bei der Weiterentwicklung erfüllen kann. Die neuen Materialien zeichnen sich zwar durch hohe Festigkeit und Steifigkeit aus, jedoch sind diese zur Substitution der Metallstruktur eines Sitzes nicht ausreichend. Als einfache Abdeckung, ohne großen Festigkeitsanspruch, könnte das Material Verwendung in den vorgegebenen Branchen finden. Für ein erfolgreiches Tiefziehen ist dabei eine einfache Bauteilgeometrie unabdingbar.
Ein wichtiger Bestandteil des Projekts ist der Einsatz von Carbonfaser-Vliesen, die eine starke Verstärkungswirkung erzielen. Nach einem langen Entwicklungsprozess der Materialrezeptur zeigt sich das Potenzial dieser Technologie sowie der passende Bauteileinsatz. So entwickeln die Forschenden einen Prototyp, der zukünftig zu einem leichten, stabilen und ressourcensparenden Sitzsystem für den öffentlichen Nahverkehr führen kann, das zudem wiederverwertbar ist. Auch klassische Bauteile wie Wandpaneele und Formelemente werden mit den neuen Halbzeugen vielversprechend evaluiert, was die Vielseitigkeit und Zukunftsfähigkeit der Technologie unterstreicht.
protECOlight
Nachhaltige Schutzstrukturen für E-Autos: Faserverstärkte Kunststoffe ersetzen Aluminium
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Die Anforderungen an den Fahrzeugbau verändern sich mit der Einführung alternativer Antriebe wie Batterie- und Wasserstofftechnologien. Insbesondere Unterbodenstrukturen, die sensible Energiespeicher schützen, müssen hohe Sicherheitsstandards erfüllen und gleichzeitig ökologisch nachhaltiger gestaltet werden. Der Leichtbau bietet hier eine entscheidende Möglichkeit, um Gewicht und damit auch den Energieverbrauch zu senken.
Gleichzeitig stehen Aspekte wie der Einsatz recycelter und biobasierter Kunststoffe sowie die Entwicklung effizienter Fertigungsverfahren im Fokus. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die den gesamten Produktlebenszyklus über eine bessere Ressourcennutzung ermöglichen und sich für die Serienproduktion eignen.
Die Anforderungen an den Fahrzeugbau verändern sich mit der Einführung alternativer Antriebe wie Batterie- und Wasserstofftechnologien. Insbesondere Unterbodenstrukturen, die sensible Energiespeicher schützen, müssen hohe Sicherheitsstandards erfüllen und gleichzeitig ökologisch nachhaltiger gestaltet werden. Der Leichtbau bietet hier eine entscheidende Möglichkeit, um Gewicht und damit auch den Energieverbrauch zu senken.
Gleichzeitig stehen Aspekte wie der Einsatz recycelter und biobasierter Kunststoffe sowie die Entwicklung effizienter Fertigungsverfahren im Fokus. Ziel ist es, Bauteile zu entwickeln, die den gesamten Produktlebenszyklus über eine bessere Ressourcennutzung ermöglichen und sich für die Serienproduktion eignen.
Ziel
Im Forschungsprojekt protECOlight entwickelt das Team nachhaltige, faserverbundbasierte Leichtbau-Schutzstrukturen für Autos mit alternativen Antrieben. Ziel ist es, Aluminium als bisher dominierendes Material durch faserverstärkte Kunststoffe zu ersetzen. Diese reduzieren das Gewicht der Schutzstrukturen um bis zu 30 Prozent, was in Elektro- und Wasserstofffahrzeugen direkt die Energieeffizienz erhöht.
Außerdem wollen die Forschenden recyceltes Polypropylen und biobasiertes Polyurethan verwenden, um fossile Ressourcen zu ersetzen. Die entwickelten Bauteile und Prozesse sollen nicht nur ökologische Vorteile bieten, sondern auch die Anforderungen der Serienfertigung und der Kosteneffizienz erfüllen, um die breite industrielle Anwendung zu ermöglichen.
Im Forschungsprojekt protECOlight entwickelt das Team nachhaltige, faserverbundbasierte Leichtbau-Schutzstrukturen für Autos mit alternativen Antrieben. Ziel ist es, Aluminium als bisher dominierendes Material durch faserverstärkte Kunststoffe zu ersetzen. Diese reduzieren das Gewicht der Schutzstrukturen um bis zu 30 Prozent, was in Elektro- und Wasserstofffahrzeugen direkt die Energieeffizienz erhöht.
Außerdem wollen die Forschenden recyceltes Polypropylen und biobasiertes Polyurethan verwenden, um fossile Ressourcen zu ersetzen. Die entwickelten Bauteile und Prozesse sollen nicht nur ökologische Vorteile bieten, sondern auch die Anforderungen der Serienfertigung und der Kosteneffizienz erfüllen, um die breite industrielle Anwendung zu ermöglichen.
Vorgehen
Das Projektteam verfolgt zwei Ansätze, abgestimmt auf unterschiedliche Fahrzeugsegmente bzw. Stückzahlszenarien. Für Fahrzeuge mit geringer Stückzahl über Laufzeit, z.B. das Sportwagensegement, entwickeln die Forschenden eine Polyurethan-Sandwichstruktur. Diese besteht aus einem langglasfaserverstärkten Polyurethanschaumkern und Deckschichten aus endlosfaserverstärktem Kunststoff. Der neuartige, einstufige Herstellungsprozess spart Material und Energie.
Für Fahrzeugprojekte mit einem großen Fertigungsvolumen und einem entsprechenden Automatisierungsbedarf setzt das Team auf eine andere Lösung: Hier kombiniert es glasfaserverstärkte Polypropylen-Tapes mit langfaserverstärkten Thermoplast-Pressmassen, um kosteneffiziente Gewichtseinsparungen zu ermöglichen.
Begleitend zu den material- und prozesstechnischen Entwicklungen führen die Forschenden eine umfassende Lebenszyklusanalyse durch - von der Materialauswahl bis zum seriennahen Demonstrator. So können sie die ökologischen und wirtschaftlichen Potenziale der Bauteile fundiert bewerten. Innovative Simulationsmethoden sichern zudem die Übertragbarkeit der Lösungen in die industrielle Fertigung.
Das Projektteam verfolgt zwei Ansätze, abgestimmt auf unterschiedliche Fahrzeugsegmente bzw. Stückzahlszenarien. Für Fahrzeuge mit geringer Stückzahl über Laufzeit, z.B. das Sportwagensegement, entwickeln die Forschenden eine Polyurethan-Sandwichstruktur. Diese besteht aus einem langglasfaserverstärkten Polyurethanschaumkern und Deckschichten aus endlosfaserverstärktem Kunststoff. Der neuartige, einstufige Herstellungsprozess spart Material und Energie.
Für Fahrzeugprojekte mit einem großen Fertigungsvolumen und einem entsprechenden Automatisierungsbedarf setzt das Team auf eine andere Lösung: Hier kombiniert es glasfaserverstärkte Polypropylen-Tapes mit langfaserverstärkten Thermoplast-Pressmassen, um kosteneffiziente Gewichtseinsparungen zu ermöglichen.
Begleitend zu den material- und prozesstechnischen Entwicklungen führen die Forschenden eine umfassende Lebenszyklusanalyse durch - von der Materialauswahl bis zum seriennahen Demonstrator. So können sie die ökologischen und wirtschaftlichen Potenziale der Bauteile fundiert bewerten. Innovative Simulationsmethoden sichern zudem die Übertragbarkeit der Lösungen in die industrielle Fertigung.
ProVeS
Leichte und sichere CFK-Felgen entwickeln: Schadensdetektion durch integrierte Sensorik
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Duroplaste, Gelege, Gewebe, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie, um Fahrzeuge effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Im Automobilsektor wächst die Nachfrage nach Bauteilen, die gleichzeitig leicht und belastbar sind, stetig. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bieten hierfür großes Potenzial, denn sie ermöglichen eine deutliche Gewichtsreduktion bei hoher Stabilität. Die Industrie steht jedoch vor der Herausforderung, CFK wirtschaftlich und nachhaltig in Serie zu fertigen. Bisher scheiterte dies vor allem an hohen Produktionskosten, komplexen Fertigungsprozessen und dem begrenzten Einsatz nachhaltiger Materialien.
Genau hier setzt das Projekt ProVeS an: Das Projektteam entwickelt eine verbesserte Prozesskette, um CFK-Felgen mit integrierter Versagenssensorik kosteneffizient herzustellen. Die Forschenden kombinieren hierzu neue Fertigungstechniken mit intelligenten Sensoren, um Material gezielter einzusetzen und die Betriebssicherheit zu steigern.
Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie, um Fahrzeuge effizienter und nachhaltiger zu gestalten. Im Automobilsektor wächst die Nachfrage nach Bauteilen, die gleichzeitig leicht und belastbar sind, stetig. Carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bieten hierfür großes Potenzial, denn sie ermöglichen eine deutliche Gewichtsreduktion bei hoher Stabilität. Die Industrie steht jedoch vor der Herausforderung, CFK wirtschaftlich und nachhaltig in Serie zu fertigen. Bisher scheiterte dies vor allem an hohen Produktionskosten, komplexen Fertigungsprozessen und dem begrenzten Einsatz nachhaltiger Materialien.
Genau hier setzt das Projekt ProVeS an: Das Projektteam entwickelt eine verbesserte Prozesskette, um CFK-Felgen mit integrierter Versagenssensorik kosteneffizient herzustellen. Die Forschenden kombinieren hierzu neue Fertigungstechniken mit intelligenten Sensoren, um Material gezielter einzusetzen und die Betriebssicherheit zu steigern.
Ziel
Zentrales Ziel der Forschenden ist es, eine industriell einsetzbare Prozesskette zur Fertigung von CFK-Felgen mit integrierter Versagenssensorik zu entwickeln. So sollen künftig Schäden wie Delaminationen – also das Ablösen von einzelnen Schichten in Werkstoffverbunden – oder Materialermüdungen frühzeitig erkannt und der Betrieb sicherer und kosteneffizienter gestaltet werden. Die Sensorik soll perspektivisch auch eine Integration in digitale Wartungskonzepte (Predictive Maintenance) ermöglichen.
Durch die Entwicklung eines vakuumunterstützten Schlauchblasverfahrens – ein spezielles Formgebungsverfahren, bei dem ein aufblasbarer Kern das CFK-Material in die gewünschte Form presst – sowie durch thermografische Bauteilprüfungen soll die Qualität der Felgen sichergestellt und der Materialeinsatz optimiert werden. Dadurch kann auf überdimensionierte Sicherheitsreserven verzichtet werden, was zu einer weiteren Gewichts- und Materialreduktion führt.
Gleichzeitig arbeitet das Team daran, Prozesse wie das Schlauchblasverfahren zu automatisieren und serientauglich zu machen. Der Material- und Energieeinsatz soll reduziert, Ausschuss minimiert und eine reproduzierbare Qualität gewährleistet werden. Das Team will damit die Voraussetzungen schaffen, um CFK-Felgen von einer Nischenlösung hin zur breiten Anwendung in Fahrzeugen unterschiedlicher Kategorien zu überführen – von Fahrrädern über Pkw bis hin zu Freizeit- und Sportanwendungen.
Zentrales Ziel der Forschenden ist es, eine industriell einsetzbare Prozesskette zur Fertigung von CFK-Felgen mit integrierter Versagenssensorik zu entwickeln. So sollen künftig Schäden wie Delaminationen – also das Ablösen von einzelnen Schichten in Werkstoffverbunden – oder Materialermüdungen frühzeitig erkannt und der Betrieb sicherer und kosteneffizienter gestaltet werden. Die Sensorik soll perspektivisch auch eine Integration in digitale Wartungskonzepte (Predictive Maintenance) ermöglichen.
Durch die Entwicklung eines vakuumunterstützten Schlauchblasverfahrens – ein spezielles Formgebungsverfahren, bei dem ein aufblasbarer Kern das CFK-Material in die gewünschte Form presst – sowie durch thermografische Bauteilprüfungen soll die Qualität der Felgen sichergestellt und der Materialeinsatz optimiert werden. Dadurch kann auf überdimensionierte Sicherheitsreserven verzichtet werden, was zu einer weiteren Gewichts- und Materialreduktion führt.
Gleichzeitig arbeitet das Team daran, Prozesse wie das Schlauchblasverfahren zu automatisieren und serientauglich zu machen. Der Material- und Energieeinsatz soll reduziert, Ausschuss minimiert und eine reproduzierbare Qualität gewährleistet werden. Das Team will damit die Voraussetzungen schaffen, um CFK-Felgen von einer Nischenlösung hin zur breiten Anwendung in Fahrzeugen unterschiedlicher Kategorien zu überführen – von Fahrrädern über Pkw bis hin zu Freizeit- und Sportanwendungen.
Vorgehen
Zunächst analysieren die Forschenden bestehende Fertigungsprozesse für CFK-Felgen, um Schwächen und Optimierungspotenziale zu identifizieren. Darauf aufbauend entwickeln sie ein vakuumunterstütztes Schlauchblasverfahren, das eine gezielte Materialverteilung und verbesserte strukturelle Eigenschaften ermöglicht.
Zur strukturellen Überwachung definieren sie verschiedene Anwendungsfälle und leiten daraus die Anforderungen an eine sensorisch überwachte Felge ab. Mithilfe vereinfachter Modelle und Analysen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) – einem computergestützten Verfahren zur Simulation mechanischer Belastungen – identifizieren sie kritische Bereiche und optimieren die Sensorpositionierung.
Eingesetzt werden Carbon-Fiber-Sensoren, die zunächst in Coupon-Tests – also standardisierten Materialtests an kleinen Probestücken – und anschließend unter realen Belastungen validiert werden.
Ein eigens entwickeltes thermografisches Prüfverfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Detektion von Defekten. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Qualitätssicherung und die Vorbereitung einer serientauglichen Fertigung ein.
Durch dieses Vorgehen entwickelt das Team praxisnahe Lösungen und stellt die Übertragbarkeit auf die industrielle Praxis sowie eine kontinuierliche Verbesserung der Prozesskette sicher.
Zunächst analysieren die Forschenden bestehende Fertigungsprozesse für CFK-Felgen, um Schwächen und Optimierungspotenziale zu identifizieren. Darauf aufbauend entwickeln sie ein vakuumunterstütztes Schlauchblasverfahren, das eine gezielte Materialverteilung und verbesserte strukturelle Eigenschaften ermöglicht.
Zur strukturellen Überwachung definieren sie verschiedene Anwendungsfälle und leiten daraus die Anforderungen an eine sensorisch überwachte Felge ab. Mithilfe vereinfachter Modelle und Analysen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) – einem computergestützten Verfahren zur Simulation mechanischer Belastungen – identifizieren sie kritische Bereiche und optimieren die Sensorpositionierung.
Eingesetzt werden Carbon-Fiber-Sensoren, die zunächst in Coupon-Tests – also standardisierten Materialtests an kleinen Probestücken – und anschließend unter realen Belastungen validiert werden.
Ein eigens entwickeltes thermografisches Prüfverfahren ermöglicht die zerstörungsfreie Detektion von Defekten. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Qualitätssicherung und die Vorbereitung einer serientauglichen Fertigung ein.
Durch dieses Vorgehen entwickelt das Team praxisnahe Lösungen und stellt die Übertragbarkeit auf die industrielle Praxis sowie eine kontinuierliche Verbesserung der Prozesskette sicher.
ReForm
Nachhaltige Formwerkzeuge für Faserverbundbauteile entwickeln: mit Recycling-Papier
Förderlaufzeit:
Start
01.07.22
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Papier und (Well)-Pappe), Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Faserverstärkte Kunststoffe kommen überall dort zum Einsatz, wo leichtes und stabiles Material wichtig ist – etwa in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau oder bei Windenergieanlagen. Faserverbund-Bauteile werden in Formwerkzeugen hergestellt, die die gewünschte Geometrie vorgeben und das Aushärten des Laminats ermöglichen. Bereits geringe Abweichungen im Werkzeug oder im Prozess können jedoch zu Fehlern führen. Um das zu vermeiden, investieren Hersteller in aufwendige Simulationen – dennoch bleibt der Ausschuss hoch, Nacharbeiten sind häufig.
Ein zentrales Problem: Formwerkzeuge bestehen meist aus Metall oder Kunststoff. Sie sind teuer, schwer, energieintensiv in der Herstellung und lassen sich nur schwer anpassen. Besonders bei Kleinserien oder Prototypen lohnt sich eine Optimierung häufig nicht. So entsteht ein Zielkonflikt: Für präzise Bauteile braucht es präzise Werkzeuge – doch deren Herstellung ist teuer und ressourcenaufwendig. Genau hier setzt das Forschungsprojekt ReForm an. Das Team verfolgt einen neuen, nachhaltigen Ansatz für den Formenbau von Faserverbundbauteilen.
Faserverstärkte Kunststoffe kommen überall dort zum Einsatz, wo leichtes und stabiles Material wichtig ist – etwa in der Luftfahrt, im Fahrzeugbau oder bei Windenergieanlagen. Faserverbund-Bauteile werden in Formwerkzeugen hergestellt, die die gewünschte Geometrie vorgeben und das Aushärten des Laminats ermöglichen. Bereits geringe Abweichungen im Werkzeug oder im Prozess können jedoch zu Fehlern führen. Um das zu vermeiden, investieren Hersteller in aufwendige Simulationen – dennoch bleibt der Ausschuss hoch, Nacharbeiten sind häufig.
Ein zentrales Problem: Formwerkzeuge bestehen meist aus Metall oder Kunststoff. Sie sind teuer, schwer, energieintensiv in der Herstellung und lassen sich nur schwer anpassen. Besonders bei Kleinserien oder Prototypen lohnt sich eine Optimierung häufig nicht. So entsteht ein Zielkonflikt: Für präzise Bauteile braucht es präzise Werkzeuge – doch deren Herstellung ist teuer und ressourcenaufwendig. Genau hier setzt das Forschungsprojekt ReForm an. Das Team verfolgt einen neuen, nachhaltigen Ansatz für den Formenbau von Faserverbundbauteilen.
Ziel
Das Projektteam will den Werkzeugbau einfacher, flexibler und ressourcenschonender gestalten. Ziel ist es, die konventionellen, schwer anpassbaren Formwerkzeuge durch modulare Alternativen aus biobasierten Materialien zu ersetzen – insbesondere für Kleinserien, Einzelstücke und Prototypen.
Ihren Fokus legen die Forschenden auf die Entwicklung eines neuartigen Werkzeugsystems auf Basis von Wellpappe. Dieser etablierte Verpackungswerkstoff besteht überwiegend aus recyceltem Altpapier, weist eine gute ökologische Bilanz auf und lässt sich vollständig recyceln. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kombinieren eine anpassbare Struktur aus Wellpappe mit einer flexiblen, formgebenden Matte. So wollen sie Formwerkzeuge entwickeln, die sich schnell herstellen, leicht modifizieren und mehrfach verwenden lassen.
Mit diesem Ansatz will das Team den Materialeinsatz und die CO₂-Emissionen im Formenbau deutlich senken – und gleichzeitig die Qualität und Effizienz in der Fertigung von Faserverbundbauteilen verbessern.
Das Projektteam will den Werkzeugbau einfacher, flexibler und ressourcenschonender gestalten. Ziel ist es, die konventionellen, schwer anpassbaren Formwerkzeuge durch modulare Alternativen aus biobasierten Materialien zu ersetzen – insbesondere für Kleinserien, Einzelstücke und Prototypen.
Ihren Fokus legen die Forschenden auf die Entwicklung eines neuartigen Werkzeugsystems auf Basis von Wellpappe. Dieser etablierte Verpackungswerkstoff besteht überwiegend aus recyceltem Altpapier, weist eine gute ökologische Bilanz auf und lässt sich vollständig recyceln. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kombinieren eine anpassbare Struktur aus Wellpappe mit einer flexiblen, formgebenden Matte. So wollen sie Formwerkzeuge entwickeln, die sich schnell herstellen, leicht modifizieren und mehrfach verwenden lassen.
Mit diesem Ansatz will das Team den Materialeinsatz und die CO₂-Emissionen im Formenbau deutlich senken – und gleichzeitig die Qualität und Effizienz in der Fertigung von Faserverbundbauteilen verbessern.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln eine Werkzeugstruktur aus modular zusammensteckbaren Wellpapp-Elementen. Diese bilden ein dreidimensionales Gefache – eine strukturgebende, unterteilende Gitter- oder Wabenstruktur – das sich flexibel an die gewünschte Geometrie anpassen lässt. Auf diese Struktur legen sie eine formgebende Matte, die die Oberfläche des Bauteils definiert. Das Ergebnis: leichte, kostengünstige und leicht anpassbare Werkzeuge.
Begleitend untersucht das Team das Verhalten der Materialien unter realen Prozessbedingungen – etwa bei der Aushärtung im Autoklaven, einem gasdicht verschließbarem Druckbehälter, in dem Hochleistungsbauteile im Überdruckbereich thermisch behandelt und ausgehärtet werden. Ziel ist es, die Maßhaltigkeit, thermische Belastbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Pappstruktur nachzuweisen.
Gerade in frühen Entwicklungsphasen lassen sich mit diesem Konzept mehrere aufeinanderfolgende Versionen oder Anpassungen eines Werkzeugs durchlaufen – ohne hohen Ressourcenverbrauch oder große Kosten. So soll der Formenbau künftig nicht nur nachhaltiger, sondern auch schneller und praxisnäher gelingen.
Die Forschenden entwickeln eine Werkzeugstruktur aus modular zusammensteckbaren Wellpapp-Elementen. Diese bilden ein dreidimensionales Gefache – eine strukturgebende, unterteilende Gitter- oder Wabenstruktur – das sich flexibel an die gewünschte Geometrie anpassen lässt. Auf diese Struktur legen sie eine formgebende Matte, die die Oberfläche des Bauteils definiert. Das Ergebnis: leichte, kostengünstige und leicht anpassbare Werkzeuge.
Begleitend untersucht das Team das Verhalten der Materialien unter realen Prozessbedingungen – etwa bei der Aushärtung im Autoklaven, einem gasdicht verschließbarem Druckbehälter, in dem Hochleistungsbauteile im Überdruckbereich thermisch behandelt und ausgehärtet werden. Ziel ist es, die Maßhaltigkeit, thermische Belastbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Pappstruktur nachzuweisen.
Gerade in frühen Entwicklungsphasen lassen sich mit diesem Konzept mehrere aufeinanderfolgende Versionen oder Anpassungen eines Werkzeugs durchlaufen – ohne hohen Ressourcenverbrauch oder große Kosten. So soll der Formenbau künftig nicht nur nachhaltiger, sondern auch schneller und praxisnäher gelingen.
ReLEA
Elastomerbauteile effizient auslegen: Optimierte Materialmischungen und Fertigung
Förderlaufzeit:
Start
01.06.21
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Biokunststoffe, Elastomere, Geschlossenporig, Offenporig, Syntaktische Schäume
Hintergrund
Die Automobilindustrie nutzt Leichtbautechnologien, um den CO2-Fußabdruck der Fahrzeuge zu reduzieren. Dabei wird die Verwendung neuer nachhaltiger Materialien sowie die Steigerung der Ressourceneffizienz bestehender Werkstoffe immer wichtiger. Elastomere sind Polymerwerkstoffe mit hoher Elastizität, die in Bauteilen wie Reifen, Dichtungen und Schwingungsdämpfern eingesetzt werden.
Trotz dieser Eigenschaften sind Elastomerbauteile oft überdimensioniert gefertigt, da die Entwicklung bislang stark auf empirischen Ansätzen basiert. Dabei bleiben die Potenziale für eine gezielte Optimierung ungenutzt. So führt beispielsweise eine fehlende Topologieoptimierung – eine Methode zur optimalen Materialverteilung basierend auf mechanischen Lasten – zu unnötig hohem Materialeinsatz. Auch eine umfassende Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment - LCA), die den CO2-Fußabdruck eines Produkts von der Herstellung bis zur Entsorgung bewertet, fehlt häufig. Dies beeinträchtigt den effizienten Einsatz von Ressourcen.
Die Automobilindustrie nutzt Leichtbautechnologien, um den CO2-Fußabdruck der Fahrzeuge zu reduzieren. Dabei wird die Verwendung neuer nachhaltiger Materialien sowie die Steigerung der Ressourceneffizienz bestehender Werkstoffe immer wichtiger. Elastomere sind Polymerwerkstoffe mit hoher Elastizität, die in Bauteilen wie Reifen, Dichtungen und Schwingungsdämpfern eingesetzt werden.
Trotz dieser Eigenschaften sind Elastomerbauteile oft überdimensioniert gefertigt, da die Entwicklung bislang stark auf empirischen Ansätzen basiert. Dabei bleiben die Potenziale für eine gezielte Optimierung ungenutzt. So führt beispielsweise eine fehlende Topologieoptimierung – eine Methode zur optimalen Materialverteilung basierend auf mechanischen Lasten – zu unnötig hohem Materialeinsatz. Auch eine umfassende Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Assessment - LCA), die den CO2-Fußabdruck eines Produkts von der Herstellung bis zur Entsorgung bewertet, fehlt häufig. Dies beeinträchtigt den effizienten Einsatz von Ressourcen.
Ziel
Das Forschungsprojekt ReLEA zielte darauf ab, das Gewicht von Elastomerbauteilen zu senken und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften beizubehalten. Die Forschenden setzten dabei auf neuartige Polymerwerkstoffe, darunter CO2-basierte Kautschuke und hochmolekulare Polymere, sowie auf fortschrittliche Füllstoffe wie funktionalisierte und hochstrukturierte Ruße.
Neben der Materialeffizienz untersuchten die Forschenden systematisch alle Prozessschritte – von der Mischung über Extrusion, Spritzgießen bis zur Vulkanisation. So ermöglichten sie eine präzise Abstimmung von Materialeigenschaften und Fertigungsverfahren, die den Ressourceneinsatz und Energieverbrauch signifikant senkt. Mit diesen optimierten Rezepturen und Fertigungsprozessen reduzierte das Projektteam den CO2-Fußabdruck der Bauteile erheblich.
Das Forschungsprojekt ReLEA zielte darauf ab, das Gewicht von Elastomerbauteilen zu senken und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften beizubehalten. Die Forschenden setzten dabei auf neuartige Polymerwerkstoffe, darunter CO2-basierte Kautschuke und hochmolekulare Polymere, sowie auf fortschrittliche Füllstoffe wie funktionalisierte und hochstrukturierte Ruße.
Neben der Materialeffizienz untersuchten die Forschenden systematisch alle Prozessschritte – von der Mischung über Extrusion, Spritzgießen bis zur Vulkanisation. So ermöglichten sie eine präzise Abstimmung von Materialeigenschaften und Fertigungsverfahren, die den Ressourceneinsatz und Energieverbrauch signifikant senkt. Mit diesen optimierten Rezepturen und Fertigungsprozessen reduzierte das Projektteam den CO2-Fußabdruck der Bauteile erheblich.
Vorgehen
Das Projektteam analysierte alle Stufen der Produktionskette im Detail. Im Labor testeten die Forschenden gezielt neue Polymer-Füllstoff-Kombinationen und entwickelten angepasste Rezepturen. Mittels simulationsgestützter Topologieoptimierung passten sie die Bauteilgeometrie so an, dass das Material exakt dort eingesetzt wird, wo es mechanisch benötigt wird.
Ergänzend setzte das Team moderne Verfahren wie KI-gestützte Prozessmodellierung und evolutionäre Optimierungsansätze ein, um die Abläufe von der Materialmischung bis zur Vulkanisation präzise zu steuern. Ein systematisches Life Cycle Assessment bewertete den Energie- und Ressourcenverbrauch über den gesamten Lebenszyklus. Die Validierung erfolgte an realen Bauteilen, um praxisnahe und ressourceneffiziente Produktionsmethoden zu etablieren.
Das Projektteam analysierte alle Stufen der Produktionskette im Detail. Im Labor testeten die Forschenden gezielt neue Polymer-Füllstoff-Kombinationen und entwickelten angepasste Rezepturen. Mittels simulationsgestützter Topologieoptimierung passten sie die Bauteilgeometrie so an, dass das Material exakt dort eingesetzt wird, wo es mechanisch benötigt wird.
Ergänzend setzte das Team moderne Verfahren wie KI-gestützte Prozessmodellierung und evolutionäre Optimierungsansätze ein, um die Abläufe von der Materialmischung bis zur Vulkanisation präzise zu steuern. Ein systematisches Life Cycle Assessment bewertete den Energie- und Ressourcenverbrauch über den gesamten Lebenszyklus. Die Validierung erfolgte an realen Bauteilen, um praxisnahe und ressourceneffiziente Produktionsmethoden zu etablieren.
ReSaMon
Sandwichelemente ohne Materialfehler: Ultraschall-basierte Analyse reduziert Bauschäden
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Polyurethane), Stahl
Hintergrund
Leichtbau spielt im modernen Hochbau eine zentrale Rolle. Er spart Material, senkt das Gewicht und verbessert die Energieeffizienz von Gebäuden. Sandwichelemente sind hier weit verbreitet. Die im Vorhaben untersuchten Paneele bestehen aus zwei dünnen Metallschichten und einem Kern aus Polyurethan (PUR) oder Polyisocyanurat (PIR). Der Kern liefert eine hohe Wärmedämmung, die äußeren Stahlbleche übernehmen die Tragfähigkeit.
Bei der Fertigung schäumt der Kern unter Wärmeentwicklung, also exotherm. Dabei können sich unsichtbare Lufteinschlüsse, sogenannte Lunker, bilden. Bleiben sie unentdeckt, kann dies zu Reklamationen, Nacharbeiten und zusätzlichem Materialverbrauch – und damit zu höheren CO₂-Emissionen und Kosten führen.
Leichtbau spielt im modernen Hochbau eine zentrale Rolle. Er spart Material, senkt das Gewicht und verbessert die Energieeffizienz von Gebäuden. Sandwichelemente sind hier weit verbreitet. Die im Vorhaben untersuchten Paneele bestehen aus zwei dünnen Metallschichten und einem Kern aus Polyurethan (PUR) oder Polyisocyanurat (PIR). Der Kern liefert eine hohe Wärmedämmung, die äußeren Stahlbleche übernehmen die Tragfähigkeit.
Bei der Fertigung schäumt der Kern unter Wärmeentwicklung, also exotherm. Dabei können sich unsichtbare Lufteinschlüsse, sogenannte Lunker, bilden. Bleiben sie unentdeckt, kann dies zu Reklamationen, Nacharbeiten und zusätzlichem Materialverbrauch – und damit zu höheren CO₂-Emissionen und Kosten führen.
Ziel
Das übergeordnete Ziel von ReSaMon ist eine deutlich verbesserte Qualitätssicherung in der Produktion von Sandwichelementen. Die Projektpartner wollen Fehler schon im Schäumprozess aufspüren, bevor die Paneele die Fabrik verlassen. Das Team will die Qualitätssicherung so verbessern, dass bereits in der Fertigung über 95 Prozent aller Lunker erkannt werden. Das spart den Herstellern Ausschuss, reduziert Nacharbeiten und senkt die CO₂-Emissionen um bis zu 15 Prozent.
Das übergeordnete Ziel von ReSaMon ist eine deutlich verbesserte Qualitätssicherung in der Produktion von Sandwichelementen. Die Projektpartner wollen Fehler schon im Schäumprozess aufspüren, bevor die Paneele die Fabrik verlassen. Das Team will die Qualitätssicherung so verbessern, dass bereits in der Fertigung über 95 Prozent aller Lunker erkannt werden. Das spart den Herstellern Ausschuss, reduziert Nacharbeiten und senkt die CO₂-Emissionen um bis zu 15 Prozent.
Vorgehen
Die Projektpartner integrieren berührungslose Ultraschallwandler in die Fertigungslinie. Diese senden Schallimpulse durch Stahldeckschichten und empfangen die reflektierten Signale. Parallel entwickeln die Forschenden einen Digitalen Zwilling: Im virtuellen Modell variieren sie die Lunker-Größen und -Lagen, um realistische Prüfdaten zu simulieren.
Aus Simulation und Ultraschallmessungen erzeugen die Partner einen Datensatz mit Zeit- und Frequenzinformationen. Darauf basierend trainieren sie Machine-Learning-Modelle, die typische Fehlmuster erkennen. Abschließend validiert das Team die Methode an realen Sandwichelementen mit Impulshammer-Tests. So prüft es die Zuverlässigkeit im laufenden Betrieb und optimiert die Algorithmen für den Industrieeinsatz.
Die Projektpartner integrieren berührungslose Ultraschallwandler in die Fertigungslinie. Diese senden Schallimpulse durch Stahldeckschichten und empfangen die reflektierten Signale. Parallel entwickeln die Forschenden einen Digitalen Zwilling: Im virtuellen Modell variieren sie die Lunker-Größen und -Lagen, um realistische Prüfdaten zu simulieren.
Aus Simulation und Ultraschallmessungen erzeugen die Partner einen Datensatz mit Zeit- und Frequenzinformationen. Darauf basierend trainieren sie Machine-Learning-Modelle, die typische Fehlmuster erkennen. Abschließend validiert das Team die Methode an realen Sandwichelementen mit Impulshammer-Tests. So prüft es die Zuverlässigkeit im laufenden Betrieb und optimiert die Algorithmen für den Industrieeinsatz.
RESILIENT
Effizienter Aluminium-Leichtbau: Integriertes Prozessnetzwerk kombiniert Laserverfahren
Förderlaufzeit:
Start
01.07.22
Ende
30.06.25
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Die Verringerung von Treibhausgasemissionen zählt zu den größten Herausforderungen in der Industrie. Gerade im Fahrzeug- und Maschinenbau entscheidet die Masse von Bauteilen darüber, wie viel Energie im Betrieb benötigt wird – und damit auch, wie hoch die CO₂-Emissionen ausfallen. Leichtbau bietet hier einen wirkungsvollen Hebel, doch die Herstellung entsprechender Bauteile erfordert komplexe Prozesse und oft hohen Ressourceneinsatz.
Aluminium ist als Werkstoff besonders attraktiv: Es wiegt rund zwei Drittel weniger als Stahl und lässt sich gut recyceln. Allerdings ist seine Verarbeitung technisch anspruchsvoll, energieintensiv und häufig mit Materialverlusten verbunden. Laserbasierte Fertigungsverfahren wie Schneiden, Schweißen und Auftragschweißen versprechen eine ressourcenschonendere Alternative, weil sie präzise arbeiten und mehrere Bearbeitungsschritte kombinieren können. Ihr Potenzial wird bisher in der industriellen Praxis jedoch nur unzureichend genutzt. Die Forschenden im Projekt RESILIENT wollen diese Lücke schließen.
Die Verringerung von Treibhausgasemissionen zählt zu den größten Herausforderungen in der Industrie. Gerade im Fahrzeug- und Maschinenbau entscheidet die Masse von Bauteilen darüber, wie viel Energie im Betrieb benötigt wird – und damit auch, wie hoch die CO₂-Emissionen ausfallen. Leichtbau bietet hier einen wirkungsvollen Hebel, doch die Herstellung entsprechender Bauteile erfordert komplexe Prozesse und oft hohen Ressourceneinsatz.
Aluminium ist als Werkstoff besonders attraktiv: Es wiegt rund zwei Drittel weniger als Stahl und lässt sich gut recyceln. Allerdings ist seine Verarbeitung technisch anspruchsvoll, energieintensiv und häufig mit Materialverlusten verbunden. Laserbasierte Fertigungsverfahren wie Schneiden, Schweißen und Auftragschweißen versprechen eine ressourcenschonendere Alternative, weil sie präzise arbeiten und mehrere Bearbeitungsschritte kombinieren können. Ihr Potenzial wird bisher in der industriellen Praxis jedoch nur unzureichend genutzt. Die Forschenden im Projekt RESILIENT wollen diese Lücke schließen.
Ziel
Das Projektteam will zeigen, dass sich durch eine neue Fertigungsmethodik für Aluminium-Leichtbauteile erhebliche Mengen an Treibhausgasen einsparen lassen. Herzstück ist die Entwicklung eines Multi-Tool-Prozesses, mit dem die Forschenden Laserschneiden, Laserschweißen sowie Laserauftragschweißen in einem integrierten Prozessnetzwerk vereinen. So wollen sie konventionelle, energie- und materialintensive Routen ersetzen.
Die Forschenden gestalten dabei nicht nur die Produktionsschritte effizienter, sondern ermöglichen auch schon in der Konstruktionsphase emissionsoptimierte Entscheidungen. Konstruktionsrichtlinien und ein softwaregestütztes Auswahlwerkzeug sollen sicherstellen, dass Industrie- und insbesondere kleine und mittlere Unternehmen den für ihre Anforderungen besten Fertigungspfad wählen können – unter Berücksichtigung von CO₂-Bilanz, Materialverbrauch und Kosten.
Das Projektteam will zeigen, dass sich durch eine neue Fertigungsmethodik für Aluminium-Leichtbauteile erhebliche Mengen an Treibhausgasen einsparen lassen. Herzstück ist die Entwicklung eines Multi-Tool-Prozesses, mit dem die Forschenden Laserschneiden, Laserschweißen sowie Laserauftragschweißen in einem integrierten Prozessnetzwerk vereinen. So wollen sie konventionelle, energie- und materialintensive Routen ersetzen.
Die Forschenden gestalten dabei nicht nur die Produktionsschritte effizienter, sondern ermöglichen auch schon in der Konstruktionsphase emissionsoptimierte Entscheidungen. Konstruktionsrichtlinien und ein softwaregestütztes Auswahlwerkzeug sollen sicherstellen, dass Industrie- und insbesondere kleine und mittlere Unternehmen den für ihre Anforderungen besten Fertigungspfad wählen können – unter Berücksichtigung von CO₂-Bilanz, Materialverbrauch und Kosten.
Vorgehen
Die Forschenden verknüpfen erstmals unterschiedliche Laserverfahren in einem adaptiven Prozessnetz. Dafür erfassen sie reale Energie- und Materialflüsse und vergleichen sie mit konventionellen Fertigungswegen. Parallel entwickeln sie die Lasertechnologien für Aluminium weiter – etwa durch neue Diodenlaser mit höherem Wirkungsgrad und angepasster Wellenlänge, die weniger Strom benötigen und die Materialabsorption verbessern.
Ergänzend entsteht ein Softwaretool, das anhand von Gewichtungskriterien wie CO₂-Emissionen, Bauzeit oder Kosten den optimalen Fertigungspfad berechnet. Digitale Zwillinge von Bauteilen und Prozessen dienen dazu, Verzug vorherzusagen und Bearbeitungsschritte präzise abzustimmen.
An realen Demonstratoren erprobt das Projektteam, wie sich bionisch gestaltete Leichtbauteile ressourcenschonend herstellen lassen.
Die Forschenden verknüpfen erstmals unterschiedliche Laserverfahren in einem adaptiven Prozessnetz. Dafür erfassen sie reale Energie- und Materialflüsse und vergleichen sie mit konventionellen Fertigungswegen. Parallel entwickeln sie die Lasertechnologien für Aluminium weiter – etwa durch neue Diodenlaser mit höherem Wirkungsgrad und angepasster Wellenlänge, die weniger Strom benötigen und die Materialabsorption verbessern.
Ergänzend entsteht ein Softwaretool, das anhand von Gewichtungskriterien wie CO₂-Emissionen, Bauzeit oder Kosten den optimalen Fertigungspfad berechnet. Digitale Zwillinge von Bauteilen und Prozessen dienen dazu, Verzug vorherzusagen und Bearbeitungsschritte präzise abzustimmen.
An realen Demonstratoren erprobt das Projektteam, wie sich bionisch gestaltete Leichtbauteile ressourcenschonend herstellen lassen.
RESOLVE
Fasern effizient verarbeiten: nachhaltige Sitzsysteme für Fahrzeuge
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
31.10.23
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Sonstige (Polyamidfasern), Thermoplaste, Gelege, Gewebe, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Endlosfaserverstärkte thermoplastische Faserverbundwerkstoffe gehören zu den innovativsten Materialien im Leichtbau. Ihre außergewöhnlichen Materialeigenschaften, wie hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, bieten enormes Potenzial für eine klimafreundliche Industrie. Doch die industrielle Nutzung ist bislang begrenzt, da hohe Materialkosten und Verschnittraten den breiten Einsatz erschweren. So bleiben erhebliche Möglichkeiten zur Ressourcenschonung und CO₂-Reduktion ungenutzt.
Endlosfaserverstärkte thermoplastische Faserverbundwerkstoffe gehören zu den innovativsten Materialien im Leichtbau. Ihre außergewöhnlichen Materialeigenschaften, wie hohe Festigkeit bei geringem Gewicht, bieten enormes Potenzial für eine klimafreundliche Industrie. Doch die industrielle Nutzung ist bislang begrenzt, da hohe Materialkosten und Verschnittraten den breiten Einsatz erschweren. So bleiben erhebliche Möglichkeiten zur Ressourcenschonung und CO₂-Reduktion ungenutzt.
Ziel
Ziel von RESOLVE ist es, diese Hürden durch neue Technologien und optimierte Herstellungsverfahren zu überwinden. Die Forschenden haben die Faserausrichtung der endlosfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundmaterialien so optimiert, dass sie ideal für spezifische Belastungen vorgefertigt sind. Konkret haben sie ein modulares Sitzsystem für Straßenbahnen entworfen, um das Potenzial dieser Werkstoffe zu demonstrieren. Diese Sitze sind besonders leicht, stabil und ressourcenschonend gefertigt. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, neue bionische Konstruktionsansätze zu entwickeln, die für verschiedene Branchen wie Automobil, Luftfahrt und Schienenverkehr nutzbar sind. So wird eine breite industrielle Anwendung ermöglicht.
Ziel von RESOLVE ist es, diese Hürden durch neue Technologien und optimierte Herstellungsverfahren zu überwinden. Die Forschenden haben die Faserausrichtung der endlosfaserverstärkten thermoplastischen Faserverbundmaterialien so optimiert, dass sie ideal für spezifische Belastungen vorgefertigt sind. Konkret haben sie ein modulares Sitzsystem für Straßenbahnen entworfen, um das Potenzial dieser Werkstoffe zu demonstrieren. Diese Sitze sind besonders leicht, stabil und ressourcenschonend gefertigt. Darüber hinaus zielt das Projekt darauf ab, neue bionische Konstruktionsansätze zu entwickeln, die für verschiedene Branchen wie Automobil, Luftfahrt und Schienenverkehr nutzbar sind. So wird eine breite industrielle Anwendung ermöglicht.
Vorgehen
Die Forschenden setzen auf die so genannte effiLOAD-Technologie. Diese ermöglicht es, Fasermaterialien in einem „Rolle-zu-Rolle“-Verfahren so zu platzieren, dass sie exakt den Belastungspfaden folgen. Dadurch geht deutlich weniger Material verloren, während gleichzeitig die Effizienz und die Produktqualität steigen. Das Projektteam verfeinert diese Technologie weiter und kombiniert sie mit bionischen Prinzipien. Der Fokus liegt auf einer vollständigen Prozesskette, die von der Herstellung der Halbzeuge über die Bauteilfertigung bis zur Qualitätssicherung reicht. Das Straßenbahn-Sitzkonzept dient dabei als Anwendungsbeispiel, um die Potenziale der Technologie in einem realen Produkt zu zeigen.
Die Forschenden setzen auf die so genannte effiLOAD-Technologie. Diese ermöglicht es, Fasermaterialien in einem „Rolle-zu-Rolle“-Verfahren so zu platzieren, dass sie exakt den Belastungspfaden folgen. Dadurch geht deutlich weniger Material verloren, während gleichzeitig die Effizienz und die Produktqualität steigen. Das Projektteam verfeinert diese Technologie weiter und kombiniert sie mit bionischen Prinzipien. Der Fokus liegt auf einer vollständigen Prozesskette, die von der Herstellung der Halbzeuge über die Bauteilfertigung bis zur Qualitätssicherung reicht. Das Straßenbahn-Sitzkonzept dient dabei als Anwendungsbeispiel, um die Potenziale der Technologie in einem realen Produkt zu zeigen.
RESULT
Effizientes Laserstrahlschmelzen: Materialverlust senken, Wiederaufbereitung ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Stahl, Titan
Hintergrund
Die additive Fertigung bietet Unternehmen neue Möglichkeiten im Leichtbau. Beim meistgenutzten additiven Fertigungsverfahren metallischer Bauteile, dem Laserstrahlschmelzen (LBM, kurz für: Laser Beam Melting) entstehen Bauteile Schicht für Schicht aus feinkörnigem Metallpulver. Dadurch können komplexe, bioinspirierte Strukturen realisiert und Bauteile um 40–60 Prozent leichter gefertigt werden.
Die gesamte Prozesskette des LBM beginnend von der Herstellung des Metallpulvers bis hin zur Nachbearbeitung der additiv gefertigten Bauteile ist jedoch energie- und materialintensiv. Zudem fällt ein erheblicher Anteil des Metallpulvers als nicht wiederverwertbarer Abfall an, was die Umwelt belastet und die Produktionskosten steigert. Diese technischen und ökologischen Herausforderungen behindern die breite industrielle Nutzung des LBM, obwohl das Verfahren enormes Potenzial bietet.
Die additive Fertigung bietet Unternehmen neue Möglichkeiten im Leichtbau. Beim meistgenutzten additiven Fertigungsverfahren metallischer Bauteile, dem Laserstrahlschmelzen (LBM, kurz für: Laser Beam Melting) entstehen Bauteile Schicht für Schicht aus feinkörnigem Metallpulver. Dadurch können komplexe, bioinspirierte Strukturen realisiert und Bauteile um 40–60 Prozent leichter gefertigt werden.
Die gesamte Prozesskette des LBM beginnend von der Herstellung des Metallpulvers bis hin zur Nachbearbeitung der additiv gefertigten Bauteile ist jedoch energie- und materialintensiv. Zudem fällt ein erheblicher Anteil des Metallpulvers als nicht wiederverwertbarer Abfall an, was die Umwelt belastet und die Produktionskosten steigert. Diese technischen und ökologischen Herausforderungen behindern die breite industrielle Nutzung des LBM, obwohl das Verfahren enormes Potenzial bietet.
Ziel
Das Forschungsprojekt RESULT geht diese Herausforderungen gezielt an. Das Projektteam will die Materialeffizienz des Laserstrahlschmelzens verbessern und den Materialverlust signifikant senken. Hierfür entwickeln die Forschenden technische Verfahren zur Wiederaufbereitung und Wiederverwendung des kostenintensiven Metallpulvers. Außerdem erarbeiten sie Richtlinien für den Umgang mit dem Metallpulver und damit kontaminierten Betriebsstoffen.
Mit diesen Optimierungen will das Team nicht nur die Produktionskosten senken, sondern auch den Energieaufwand und die klimaschädlichen Emissionen. Damit trägt das Projekt zur nachhaltigen und wirtschaftlichen Anwendung der additiven Fertigung im Leichtbau bei.
Das Forschungsprojekt RESULT geht diese Herausforderungen gezielt an. Das Projektteam will die Materialeffizienz des Laserstrahlschmelzens verbessern und den Materialverlust signifikant senken. Hierfür entwickeln die Forschenden technische Verfahren zur Wiederaufbereitung und Wiederverwendung des kostenintensiven Metallpulvers. Außerdem erarbeiten sie Richtlinien für den Umgang mit dem Metallpulver und damit kontaminierten Betriebsstoffen.
Mit diesen Optimierungen will das Team nicht nur die Produktionskosten senken, sondern auch den Energieaufwand und die klimaschädlichen Emissionen. Damit trägt das Projekt zur nachhaltigen und wirtschaftlichen Anwendung der additiven Fertigung im Leichtbau bei.
Vorgehen
Das Projektteam analysiert zunächst die gesamte Prozesskette des Laserstrahlschmelzens bei verschiedenen Anwendern, um genau zu identifizieren, wo Materialverluste und Umweltbelastungen entstehen. Anhand einer detaillierten Bilanzierung – orientiert an der Abfallhierarchie des Kreislaufwirtschaftsgesetzes – entwickeln die Forschenden technische Prototypen zur Wiederverwertung des Metallpulvers und zur umweltgerechten Bewirtschaftung von mit Metallpulver kontaminierten Betriebsstoffen.
Eine eigens eingerichtete Pilotanlage simuliert den realen Fertigungsprozess. Die gewonnenen Daten und erarbeiteten Best-Practice-Lösungen will das Team anschließend öffentlich zugänglich machen, um einen branchenübergreifenden Technologietransfer zu fördern und die nachhaltige Optimierung im Leichtbau zu unterstützen.
Das Projektteam analysiert zunächst die gesamte Prozesskette des Laserstrahlschmelzens bei verschiedenen Anwendern, um genau zu identifizieren, wo Materialverluste und Umweltbelastungen entstehen. Anhand einer detaillierten Bilanzierung – orientiert an der Abfallhierarchie des Kreislaufwirtschaftsgesetzes – entwickeln die Forschenden technische Prototypen zur Wiederverwertung des Metallpulvers und zur umweltgerechten Bewirtschaftung von mit Metallpulver kontaminierten Betriebsstoffen.
Eine eigens eingerichtete Pilotanlage simuliert den realen Fertigungsprozess. Die gewonnenen Daten und erarbeiteten Best-Practice-Lösungen will das Team anschließend öffentlich zugänglich machen, um einen branchenübergreifenden Technologietransfer zu fördern und die nachhaltige Optimierung im Leichtbau zu unterstützen.
RICA
Materialstreuungen verringern: präzise Analyse mit 3D-Digitalem Zwilling
Förderlaufzeit:
Start
01.12.20
Ende
31.05.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Kohlenstofffasern, Duroplaste, Thermoplaste, Garne, Rovings, Gelege, Gewebe, Vliesstoffe, Matten, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Kurzfaserverstärkter Beton, Nanokomposite, Textilfaserverstärkter Beton
Hintergrund
Faserverbundwerkstoffe wie Kohlenstofffaserkunststoffe (CFK) sind unverzichtbar für den Leichtbau. Sie finden branchenübergreifend Anwendung, insbesondere in der Luft- und Fahrzeugtechnik. Trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften weisen sie jedoch große Streuungen in den mechanischen Kennwerten auf.
Diese Schwankungen machen es notwendig, Bauteile überdimensioniert auszulegen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Das erhöht nicht nur das Gewicht, sondern auch den Ressourcenverbrauch und die CO₂-Emissionen – sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb. Eine Reduktion dieser Materialstreuungen ist essenziell, um das Leichtbaupotenzial voll auszuschöpfen und die Umweltbelastung zu verringern.
Faserverbundwerkstoffe wie Kohlenstofffaserkunststoffe (CFK) sind unverzichtbar für den Leichtbau. Sie finden branchenübergreifend Anwendung, insbesondere in der Luft- und Fahrzeugtechnik. Trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften weisen sie jedoch große Streuungen in den mechanischen Kennwerten auf.
Diese Schwankungen machen es notwendig, Bauteile überdimensioniert auszulegen, um die Sicherheit zu gewährleisten. Das erhöht nicht nur das Gewicht, sondern auch den Ressourcenverbrauch und die CO₂-Emissionen – sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb. Eine Reduktion dieser Materialstreuungen ist essenziell, um das Leichtbaupotenzial voll auszuschöpfen und die Umweltbelastung zu verringern.
Ziel
Das Forschungsprojekt RICA setzt genau hier an. Ziel ist es, die Streuung der Materialeigenschaften besser zu verstehen und diese zu verringern. Durch eine präzise Analyse der Einflussfaktoren wie Faserwinkel, Faservolumengehalt und Aushärtegrad will das Projektteam die Ursachen der Variabilität identifizieren.
Mit diesen Erkenntnissen entwickeln die Forschenden digitale Werkzeuge, um die Materialeigenschaften besser vorherzusagen. Ziel ist es, Bauteile leichter und ressourceneffizienter zu gestalten, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen. Der Einsatz digitaler Zwillinge soll zudem sicherstellen, dass diese Verbesserungen über die gesamte Lebensdauer der Produkte anwendbar sind.
Das Forschungsprojekt RICA setzt genau hier an. Ziel ist es, die Streuung der Materialeigenschaften besser zu verstehen und diese zu verringern. Durch eine präzise Analyse der Einflussfaktoren wie Faserwinkel, Faservolumengehalt und Aushärtegrad will das Projektteam die Ursachen der Variabilität identifizieren.
Mit diesen Erkenntnissen entwickeln die Forschenden digitale Werkzeuge, um die Materialeigenschaften besser vorherzusagen. Ziel ist es, Bauteile leichter und ressourceneffizienter zu gestalten, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen. Der Einsatz digitaler Zwillinge soll zudem sicherstellen, dass diese Verbesserungen über die gesamte Lebensdauer der Produkte anwendbar sind.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert fortschrittliche Simulationsmethoden mit umfassender Werkstoffanalytik. Mithilfe der digitalen Bildkorrelation erfassen die Forschenden detailliert Dehnungs- und Spannungsfelder in drei Dimensionen. Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung der Bruchfestigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung, selbst unter komplexen Belastungen. Die Auswertung umfasst nicht nur globale Materialeigenschaften, sondern auch lokale Einflüsse wie Lagenaufbau und Mikroschäden.
Gleichzeitig entwickelt das Team digitale Zwillinge, die das Materialverhalten realitätsnah abbilden. Virtuelle Tests ersetzen viele physische Prüfungen, wodurch weniger Proben und Ressourcen benötigt werden. Dank dieser innovativen Ansätze können die Forschenden nicht nur leichtere Bauteile entwickeln, sondern setzen auch neue Standards für die Materialprüfung und die simulationsgestützte Auslegung von Leichtbaustrukturen.
Das Projektteam kombiniert fortschrittliche Simulationsmethoden mit umfassender Werkstoffanalytik. Mithilfe der digitalen Bildkorrelation erfassen die Forschenden detailliert Dehnungs- und Spannungsfelder in drei Dimensionen. Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung der Bruchfestigkeit, Steifigkeit und Bruchdehnung, selbst unter komplexen Belastungen. Die Auswertung umfasst nicht nur globale Materialeigenschaften, sondern auch lokale Einflüsse wie Lagenaufbau und Mikroschäden.
Gleichzeitig entwickelt das Team digitale Zwillinge, die das Materialverhalten realitätsnah abbilden. Virtuelle Tests ersetzen viele physische Prüfungen, wodurch weniger Proben und Ressourcen benötigt werden. Dank dieser innovativen Ansätze können die Forschenden nicht nur leichtere Bauteile entwickeln, sondern setzen auch neue Standards für die Materialprüfung und die simulationsgestützte Auslegung von Leichtbaustrukturen.
Roflex
Elektrische Antriebsrotoren: Materialeinsatz reduzieren, Remanufacturing ermöglichen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Intermetallische Legierungen
Hintergrund
Der wachsende Markt vollelektrischer Fahrzeuge und steigende Umweltauflagen stellen die Automobilindustrie vor neue Herausforderungen. Hersteller müssen elektrische Antriebe effizienter und ressourcenschonender gestalten. Insbesondere bei nicht-stationären Antrieben streben die Unternehmen hohe Leistungsdichten durch maximale Drehzahlen von über 20.000 Umdrehungen pro Minute an und setzen auf Leichtbaumaterialien. Hohe Drehzahlen erfordern jedoch sehr präzise Fertigungstechniken. Um diese hohen Drehzahlen erreichen und den damit verbundenen hohen mechanischen Belastungen entgegenwirken zu können, müssen die Bauteile aktuell zum Teil durch Verklebe-, Verschraub- und thermische Prozesse miteinander verbunden werden. Diese Prozesse bedienen nicht die heutigen Nachhaltigkeitsanforderungen, da sie energieintensiv sind und effektiven Repair-, Refurbish- und Recycling-Strategien im Wege stehen.
Bisher setzen viele Verfahren auf thermische Fügetechniken, bei denen Bauteile durch Hitze verbunden werden. Dies erhöht jedoch den Ausschuss bei der Fertigung. Zudem behindern fest verbundene Magnetbefestigungen das Recycling seltener Erden. Ein weiterer kritischer Punkt ist das Wiederaufbereiten von Rotoren. Mit derzeit gängigen Herstellungsprozessen ist dieses nicht möglich.
Der wachsende Markt vollelektrischer Fahrzeuge und steigende Umweltauflagen stellen die Automobilindustrie vor neue Herausforderungen. Hersteller müssen elektrische Antriebe effizienter und ressourcenschonender gestalten. Insbesondere bei nicht-stationären Antrieben streben die Unternehmen hohe Leistungsdichten durch maximale Drehzahlen von über 20.000 Umdrehungen pro Minute an und setzen auf Leichtbaumaterialien. Hohe Drehzahlen erfordern jedoch sehr präzise Fertigungstechniken. Um diese hohen Drehzahlen erreichen und den damit verbundenen hohen mechanischen Belastungen entgegenwirken zu können, müssen die Bauteile aktuell zum Teil durch Verklebe-, Verschraub- und thermische Prozesse miteinander verbunden werden. Diese Prozesse bedienen nicht die heutigen Nachhaltigkeitsanforderungen, da sie energieintensiv sind und effektiven Repair-, Refurbish- und Recycling-Strategien im Wege stehen.
Bisher setzen viele Verfahren auf thermische Fügetechniken, bei denen Bauteile durch Hitze verbunden werden. Dies erhöht jedoch den Ausschuss bei der Fertigung. Zudem behindern fest verbundene Magnetbefestigungen das Recycling seltener Erden. Ein weiterer kritischer Punkt ist das Wiederaufbereiten von Rotoren. Mit derzeit gängigen Herstellungsprozessen ist dieses nicht möglich.
Ziel
Im Projekt Roflex will das Projektteam neue Konzepte für den Leichtbau und die Wiederaufbereitung von Rotoren elektrischer Antriebe entwickeln. Ziel ist es, den Materialeinsatz zu reduzieren und Repair-, Refurbish- und Recycling-Strategien zu ermöglichen. Die Forschenden konzipieren eine neuartige, umformtechnisch hergestellte Rotorwelle und eine dünnwandige Wuchtscheibe, die als integrierter Spannmechanismus dient.
Zusätzlich entwickelt das Team flexible Magnetfixierungen mit federndem Verhalten. Diese Innovationen ersetzen energieintensive thermische Fügeverfahren, senken das Gewicht um bis zu 15 Prozent und erlauben die Wiederverwendung von Seltenerdmagneten. Ergänzend testen die Forschenden zwei neue Mess- und Prüfverfahren, die mechanische Eigenschaften präzise erfassen und so die Qualität und Langlebigkeit der Komponenten sichern.
Im Projekt Roflex will das Projektteam neue Konzepte für den Leichtbau und die Wiederaufbereitung von Rotoren elektrischer Antriebe entwickeln. Ziel ist es, den Materialeinsatz zu reduzieren und Repair-, Refurbish- und Recycling-Strategien zu ermöglichen. Die Forschenden konzipieren eine neuartige, umformtechnisch hergestellte Rotorwelle und eine dünnwandige Wuchtscheibe, die als integrierter Spannmechanismus dient.
Zusätzlich entwickelt das Team flexible Magnetfixierungen mit federndem Verhalten. Diese Innovationen ersetzen energieintensive thermische Fügeverfahren, senken das Gewicht um bis zu 15 Prozent und erlauben die Wiederverwendung von Seltenerdmagneten. Ergänzend testen die Forschenden zwei neue Mess- und Prüfverfahren, die mechanische Eigenschaften präzise erfassen und so die Qualität und Langlebigkeit der Komponenten sichern.
Vorgehen
Die Forschenden beginnen mit einer detaillierten Anforderungsdefinition, in der alle Fertigungs- und Betriebsparameter festgelegt werden. Sie entwickeln die neuen Bauteile mit modernen Umformtechniken, um leichte, dünnwandige Rotorwellen und Wuchtscheiben herzustellen. Auf einem neu aufgebauten Prüfstand testen die Froschenden die Bauteile unter realen Betriebsbedingungen, etwa bei Schleuder- und Berstversuchen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erstellen digitale Zwillinge, die den gesamten Fertigungsprozess abbilden. Mithilfe künstlicher Intelligenz analysieren sie die erfassten Daten, identifizieren frühzeitig Fehlerquellen und optimieren so die Produktionsschritte. Dieses Vorgehen sichert nicht nur die hohe Qualität der neuen Rotoren, sondern ermöglicht auch eine systematische Wiederaufbereitung der Komponenten.
Die Forschenden beginnen mit einer detaillierten Anforderungsdefinition, in der alle Fertigungs- und Betriebsparameter festgelegt werden. Sie entwickeln die neuen Bauteile mit modernen Umformtechniken, um leichte, dünnwandige Rotorwellen und Wuchtscheiben herzustellen. Auf einem neu aufgebauten Prüfstand testen die Froschenden die Bauteile unter realen Betriebsbedingungen, etwa bei Schleuder- und Berstversuchen.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erstellen digitale Zwillinge, die den gesamten Fertigungsprozess abbilden. Mithilfe künstlicher Intelligenz analysieren sie die erfassten Daten, identifizieren frühzeitig Fehlerquellen und optimieren so die Produktionsschritte. Dieses Vorgehen sichert nicht nur die hohe Qualität der neuen Rotoren, sondern ermöglicht auch eine systematische Wiederaufbereitung der Komponenten.
RTTS
Nachhaltiger Tunnelbau: Zementanteil reduzieren, Aushub wiederverwerten
Förderlaufzeit:
Start
01.11.23
Ende
31.10.26
Anwendung:
Material:
Stahl, Sonstige (Beton)
Hintergrund
Tunnelbau erfordert enorme Mengen an Stahlbeton. Besonders die Herstellung der Tübbinge – den vorgefertigten Betonelementen, aus denen die Tunnelröhre zusammengesetzt wird – ist ressourcenintensiv. Die Hauptbestandteile sind Zement, Stahl und natürliche Gesteinskörnungen wie Kies und Sand. Diese Materialien verursachen hohe CO₂-Emissionen und benötigen große Mengen an Primärrohstoffen.
Gleichzeitig entstehen beim maschinellen Tunnelgraben große Mengen Aushub, in Form von Gestein und Bodenmaterial. Dieser wird oft deponiert, anstatt wieder verwertet zu werden Ein nachhaltiger Ansatz im Tunnelbau muss daher zwei Aspekte kombinieren: eine CO₂-reduzierte Betontechnologie und eine effiziente Verwertung des Aushubmaterials.
Tunnelbau erfordert enorme Mengen an Stahlbeton. Besonders die Herstellung der Tübbinge – den vorgefertigten Betonelementen, aus denen die Tunnelröhre zusammengesetzt wird – ist ressourcenintensiv. Die Hauptbestandteile sind Zement, Stahl und natürliche Gesteinskörnungen wie Kies und Sand. Diese Materialien verursachen hohe CO₂-Emissionen und benötigen große Mengen an Primärrohstoffen.
Gleichzeitig entstehen beim maschinellen Tunnelgraben große Mengen Aushub, in Form von Gestein und Bodenmaterial. Dieser wird oft deponiert, anstatt wieder verwertet zu werden Ein nachhaltiger Ansatz im Tunnelbau muss daher zwei Aspekte kombinieren: eine CO₂-reduzierte Betontechnologie und eine effiziente Verwertung des Aushubmaterials.
Ziel
Im Forschungsprojekt RTTS entwickelt das Projektteam eine innovative Tübbing-Fertigungstechnologie, die Materialeinsparung, Recycling und Tragfähigkeit optimal kombiniert. Die Forschenden reduzieren den Zementanteil im Beton durch alternative Bindemittel, wie etwa kalkreiche Aktivstoffe, Hüttensande und puzzolanische Stoffe, um eine vergleichbare Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Materials zu erreichen.
Zusätzlich integrieren sie rezyklierte Gesteinskörnungen in den Beton, um den Einsatz von Primärrohstoffen zu reduzieren. Um den CO₂-Verbrauch des gesamten Tunneltragsystems zu optimieren, wird das Team auch den Einfluss des Ringspalts auf das Tragverhalten untersuchen. Einerseits wird das Kontaktverhalten Tübbing-Gebirge abgebildet und andererseits die Vorentspannung und der Stützdruck auf die Bodenspannungen vor der Verfüllung und der Erhärtung der Ringspaltmasse berücksichtigt.
Im Forschungsprojekt RTTS entwickelt das Projektteam eine innovative Tübbing-Fertigungstechnologie, die Materialeinsparung, Recycling und Tragfähigkeit optimal kombiniert. Die Forschenden reduzieren den Zementanteil im Beton durch alternative Bindemittel, wie etwa kalkreiche Aktivstoffe, Hüttensande und puzzolanische Stoffe, um eine vergleichbare Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Materials zu erreichen.
Zusätzlich integrieren sie rezyklierte Gesteinskörnungen in den Beton, um den Einsatz von Primärrohstoffen zu reduzieren. Um den CO₂-Verbrauch des gesamten Tunneltragsystems zu optimieren, wird das Team auch den Einfluss des Ringspalts auf das Tragverhalten untersuchen. Einerseits wird das Kontaktverhalten Tübbing-Gebirge abgebildet und andererseits die Vorentspannung und der Stützdruck auf die Bodenspannungen vor der Verfüllung und der Erhärtung der Ringspaltmasse berücksichtigt.
Vorgehen
Das Projektteam führt zunächst umfangreiche Materialanalysen durch. Unterschiedliche Mischungen alternativer Bindemittel und rezyklierter Zuschlagstoffe testen die Forschenden im Labor auf Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Verarbeitbarkeit. Ergänzend simulieren digitale Modelle das Tragverhalten der optimierten Tübbinge unter realen Lastbedingungen. Dabei werden verschiedene Belastungsszenarien analysiert, darunter Axialdruck, Biegung und Scherkräfte, die im Tunnelbau auftreten.
Die vielversprechendsten Betonzusammensetzungen gehen in großmaßstäbliche Tests über: In einem Pilotprojekt fertigt das Team Tübbinge mit reduzierter Zement- und Stahlmenge, die in einer realitätsnahen Versuchseinrichtung mechanisch und klimatisch beansprucht werden. So wollen die Forschenden eine praxistaugliche Bauweise entwickeln, die Tunnelbeton nachhaltiger macht, ohne an Funktionalität einzubüßen.
Das Projektteam führt zunächst umfangreiche Materialanalysen durch. Unterschiedliche Mischungen alternativer Bindemittel und rezyklierter Zuschlagstoffe testen die Forschenden im Labor auf Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Verarbeitbarkeit. Ergänzend simulieren digitale Modelle das Tragverhalten der optimierten Tübbinge unter realen Lastbedingungen. Dabei werden verschiedene Belastungsszenarien analysiert, darunter Axialdruck, Biegung und Scherkräfte, die im Tunnelbau auftreten.
Die vielversprechendsten Betonzusammensetzungen gehen in großmaßstäbliche Tests über: In einem Pilotprojekt fertigt das Team Tübbinge mit reduzierter Zement- und Stahlmenge, die in einer realitätsnahen Versuchseinrichtung mechanisch und klimatisch beansprucht werden. So wollen die Forschenden eine praxistaugliche Bauweise entwickeln, die Tunnelbeton nachhaltiger macht, ohne an Funktionalität einzubüßen.
S3-ALU
Emissionen in der PKW-Produktion senken: mit digitalem Zwilling und Recyclingaluminium
Förderlaufzeit:
Start
01.04.23
Ende
31.03.26
Anwendung:
Material:
Aluminium
Hintergrund
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, ihre Produktion klimafreundlicher zu gestalten. Insbesondere Aluminium trägt durch seinen energieintensiven Herstellungsprozess erheblich zum CO₂-Fußabdruck von PKW bei. Um Emissionen einzusparen, soll in Zukunft vermehrt recyceltes Aluminium – sogenanntes Sekundäraluminium – verwendet werden. Im Vergleich zu Primäraluminium – also direkt aus dem Rohstoff erstmals hergestelltem Aluminium – wird in der Produktion von Sekundäraluminium deutlich weniger Energie benötigt. Dieses Einsparpotenzial wollen die Forschenden im Projekt S3-ALU nutzen.
Die Automobilindustrie steht vor der Herausforderung, ihre Produktion klimafreundlicher zu gestalten. Insbesondere Aluminium trägt durch seinen energieintensiven Herstellungsprozess erheblich zum CO₂-Fußabdruck von PKW bei. Um Emissionen einzusparen, soll in Zukunft vermehrt recyceltes Aluminium – sogenanntes Sekundäraluminium – verwendet werden. Im Vergleich zu Primäraluminium – also direkt aus dem Rohstoff erstmals hergestelltem Aluminium – wird in der Produktion von Sekundäraluminium deutlich weniger Energie benötigt. Dieses Einsparpotenzial wollen die Forschenden im Projekt S3-ALU nutzen.
Ziel
Ziel der Projektbeteiligten ist es, Primäraluminium in der Automobilproduktion durch Sekundäraluminium zu ersetzen, ohne dabei die vorteilhaften Eigenschaften des Materials zu verlieren. Mithilfe von Simulationen möchten sie die Qualität sowie Nachhaltigkeit der Recyclingmaterialien bewerten. Durch den Einsatz des Sekundäraluminiums soll der CO₂-Fußabdruck pro Fahrzeug deutlich reduziert werden und eine nachhaltige Leichtbauweise gefördert werden.
Ziel der Projektbeteiligten ist es, Primäraluminium in der Automobilproduktion durch Sekundäraluminium zu ersetzen, ohne dabei die vorteilhaften Eigenschaften des Materials zu verlieren. Mithilfe von Simulationen möchten sie die Qualität sowie Nachhaltigkeit der Recyclingmaterialien bewerten. Durch den Einsatz des Sekundäraluminiums soll der CO₂-Fußabdruck pro Fahrzeug deutlich reduziert werden und eine nachhaltige Leichtbauweise gefördert werden.
Vorgehen
Die Forschenden entwickeln und nutzen einen digitalen Zwilling, um verschiedene Zusammensetzungen von Recyclingaluminium zu modellieren. Die virtuelle Darstellung bildet die Eigenschaften des recycelten Aluminiums ab und bewertet die Eignung der zur Verfügung stehenden Aluminiumschrotte unterschiedlicher Qualität zur Materialherstellung. Dank des digitalen Zwillings können die Projektpartner unterschiedliche Materialvarianten zeit- und ressourcensparend testen, ohne zahlreiche physische Experimente durchführen zu müssen. So können sie feststellen, wie groß der Anteil von recyceltem Aluminium sein kann, ohne die Materialqualität zu beeinträchtigen. Darüber hinaus lassen sich die Bauteile auch hinsichtlich ihrer CO₂-Bilanz bewerten.
Die Forschenden entwickeln und nutzen einen digitalen Zwilling, um verschiedene Zusammensetzungen von Recyclingaluminium zu modellieren. Die virtuelle Darstellung bildet die Eigenschaften des recycelten Aluminiums ab und bewertet die Eignung der zur Verfügung stehenden Aluminiumschrotte unterschiedlicher Qualität zur Materialherstellung. Dank des digitalen Zwillings können die Projektpartner unterschiedliche Materialvarianten zeit- und ressourcensparend testen, ohne zahlreiche physische Experimente durchführen zu müssen. So können sie feststellen, wie groß der Anteil von recyceltem Aluminium sein kann, ohne die Materialqualität zu beeinträchtigen. Darüber hinaus lassen sich die Bauteile auch hinsichtlich ihrer CO₂-Bilanz bewerten.
Salzig
Aluminium-Druckguss für komplexe Bauteile: Gegossene Salzkerne nachhaltig einsetzen
Förderlaufzeit:
Start
31.03.21
Ende
31.03.25
Anwendung:
Material:
Sonstige (Salze), Aluminium
Hintergrund
Aluminium-Druckguss ist ein Schlüsselverfahren im Leichtbau. Unternehmen können so präzise, leichte und belastbare Bauteile in großer Stückzahl herstellen – etwa für Fahrzeuge oder Maschinen. Elemente mit komplizierten Innengeometrien, etwa Hohlräume oder innenliegende Kanäle, können die Firmen mit diesem Verfahren jedoch meist nicht fertigen, weil sie tief im Bauteil liegen oder schwer zugänglich sind.
Eine Lösung bieten sogenannte gegossene Salzkerne: Sie werden vor dem Guss als Platzhalter in die Form eingesetzt, nach dem Guss mit Wasser ausgespült und ermöglichen so die Fertigung hohler, leichter Bauteile. Diese Technologie ist technisch ausgereift und bekannt.
Ihr Durchbruch in der Industrie bleibt jedoch aus. Der Grund: Die bisher eingesetzten Salzmischungen lassen sich nicht recyceln. Beim Entkernen entsteht Salzlauge, die energieaufwendig behandelt oder teuer entsorgt werden muss. Das widerspricht ökologischen und ökonomischen Anforderungen. Zudem fehlen spezialisierte Zulieferer für die Salzkerne – Gießereien müssten sie selbst herstellen.
Aluminium-Druckguss ist ein Schlüsselverfahren im Leichtbau. Unternehmen können so präzise, leichte und belastbare Bauteile in großer Stückzahl herstellen – etwa für Fahrzeuge oder Maschinen. Elemente mit komplizierten Innengeometrien, etwa Hohlräume oder innenliegende Kanäle, können die Firmen mit diesem Verfahren jedoch meist nicht fertigen, weil sie tief im Bauteil liegen oder schwer zugänglich sind.
Eine Lösung bieten sogenannte gegossene Salzkerne: Sie werden vor dem Guss als Platzhalter in die Form eingesetzt, nach dem Guss mit Wasser ausgespült und ermöglichen so die Fertigung hohler, leichter Bauteile. Diese Technologie ist technisch ausgereift und bekannt.
Ihr Durchbruch in der Industrie bleibt jedoch aus. Der Grund: Die bisher eingesetzten Salzmischungen lassen sich nicht recyceln. Beim Entkernen entsteht Salzlauge, die energieaufwendig behandelt oder teuer entsorgt werden muss. Das widerspricht ökologischen und ökonomischen Anforderungen. Zudem fehlen spezialisierte Zulieferer für die Salzkerne – Gießereien müssten sie selbst herstellen.
Ziel
Hier setzt das Forschungsprojekt Salzig an. Das Team will eine durchgängig nachhaltige, wirtschaftliche und skalierbare Lösung für den Leichtbau mit hohlgegossenen Aluminiumbauteilen schaffen. Im Zentrum steht dabei der Aufbau eines geschlossenen Materialkreislaufs. Die Projektpartner wollen eine Salzmischung entwickeln, die sich nicht nur druckgusstechnisch verarbeiten, sondern auch recyceln lässt.
Hierfür nutzen die Forschenden Salze, wie sie auch in der chemischen Industrie für Düngemittel zum Einsatz kommen. Die beim Entkernen entstehende Salzlauge soll recycelt werden statt sie zu entsorgen. So will das Projektteam die Salzkerntechnologie umweltfreundlicher und wirtschaftlich attraktiver machen.
Hier setzt das Forschungsprojekt Salzig an. Das Team will eine durchgängig nachhaltige, wirtschaftliche und skalierbare Lösung für den Leichtbau mit hohlgegossenen Aluminiumbauteilen schaffen. Im Zentrum steht dabei der Aufbau eines geschlossenen Materialkreislaufs. Die Projektpartner wollen eine Salzmischung entwickeln, die sich nicht nur druckgusstechnisch verarbeiten, sondern auch recyceln lässt.
Hierfür nutzen die Forschenden Salze, wie sie auch in der chemischen Industrie für Düngemittel zum Einsatz kommen. Die beim Entkernen entstehende Salzlauge soll recycelt werden statt sie zu entsorgen. So will das Projektteam die Salzkerntechnologie umweltfreundlicher und wirtschaftlich attraktiver machen.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt zunächst eine speziell abgestimmte Salzmischung für den Einsatz im Niederdruck-Kokillenguss. Diese Mischung muss stabil genug sein, um die extremen Bedingungen im Aluminium-Druckguss zu überstehen – mit Metallgeschwindigkeiten bis zu 80 m/s und Nachverdichtungsdrücken bis zu 1200 bar – und gleichzeitig gut wasserlöslich bleiben.
Parallel gestalten die Forschenden mit digitalen Simulationsmethoden sowohl die Geometrien der Bauteile als auch die Salzkerne. In der Fertigung stellen sie die Kerne her, gießen sie mit Aluminium um und entkernen sie anschließend mit einem Hochdruckwasserstrahl. Die dabei entstehende Salzlauge analysieren die Partner auf ihre chemischen Eigenschaften hin. Sie testen, ob die Lauge geeignet ist zur direkten Nutzung in industriellen Prozessen, insbesondere zur Produktion von Mineralsalzen für Düngemittel. Alle Arbeitsschritte – vom Design bis zum Recycling der Salzlösung– verknüpfen die Projektpartner zu einer durchgängigen Prozesskette.
Das Projektteam entwickelt zunächst eine speziell abgestimmte Salzmischung für den Einsatz im Niederdruck-Kokillenguss. Diese Mischung muss stabil genug sein, um die extremen Bedingungen im Aluminium-Druckguss zu überstehen – mit Metallgeschwindigkeiten bis zu 80 m/s und Nachverdichtungsdrücken bis zu 1200 bar – und gleichzeitig gut wasserlöslich bleiben.
Parallel gestalten die Forschenden mit digitalen Simulationsmethoden sowohl die Geometrien der Bauteile als auch die Salzkerne. In der Fertigung stellen sie die Kerne her, gießen sie mit Aluminium um und entkernen sie anschließend mit einem Hochdruckwasserstrahl. Die dabei entstehende Salzlauge analysieren die Partner auf ihre chemischen Eigenschaften hin. Sie testen, ob die Lauge geeignet ist zur direkten Nutzung in industriellen Prozessen, insbesondere zur Produktion von Mineralsalzen für Düngemittel. Alle Arbeitsschritte – vom Design bis zum Recycling der Salzlösung– verknüpfen die Projektpartner zu einer durchgängigen Prozesskette.
SelbsttragenderLiner
Hochdruckspeicher für Wasserstoff optimieren: tragender Liner aus Faserverbundkunststoff
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
30.04.25
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Sonstige (Elektrisch leitfähiges Material/ Lack), Duroplaste, Aluminium, Stahl, Titan, Sonstige (Metallbeschichtungsmaterial; Titan-Almunium-Nitrid, Nickel-Chrom, Zink, Nickel, Kupfer, Chrom, Zinn), Garne, Rovings, Gewebe, Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Wasserstoffbasierte Antriebe leisten einen wichtigen Beitrag zur klimaneutralen Mobilität – insbesondere in Bereichen wie Luftfahrt, Schwerlastverkehr oder Schifffahrt. Um die hohen Speicherdichten zu erreichen, wird Wasserstoff im Allgemeinen in Druckbehältern gespeichert. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf Druckbehältern des Typs IV aufgrund ihrer hohen Belastbarkeit und hervorragenden Leistung. Diese Behälter bestehen aus einem inneren Kunststoff-Liner, der für die notwendige Diffusionsdichtigkeit sorgt, und einer darauf aufgebrachten (meist nassgewickelten) Laminatstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), die zur Aufnahme der Last dient. Das macht die Behälter leicht und leistungsfähig. Ihre Speicherdauer ist jedoch begrenzt, da Wasserstoff nach und nach durch das Material entweichen kann. Auch sind Wartung und Instandhaltung aufwendig.
Leichtbau bietet die Möglichkeit, Masse, Materialeinsatz und Energiebedarf weiter zu reduzieren. Gleichzeitig gewinnen digital überwachbare Strukturen an Bedeutung, um den Betrieb sicherer, wirtschaftlicher und datenbasiert steuerbar zu gestalten.
Wasserstoffbasierte Antriebe leisten einen wichtigen Beitrag zur klimaneutralen Mobilität – insbesondere in Bereichen wie Luftfahrt, Schwerlastverkehr oder Schifffahrt. Um die hohen Speicherdichten zu erreichen, wird Wasserstoff im Allgemeinen in Druckbehältern gespeichert. Derzeit liegt der Schwerpunkt auf Druckbehältern des Typs IV aufgrund ihrer hohen Belastbarkeit und hervorragenden Leistung. Diese Behälter bestehen aus einem inneren Kunststoff-Liner, der für die notwendige Diffusionsdichtigkeit sorgt, und einer darauf aufgebrachten (meist nassgewickelten) Laminatstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), die zur Aufnahme der Last dient. Das macht die Behälter leicht und leistungsfähig. Ihre Speicherdauer ist jedoch begrenzt, da Wasserstoff nach und nach durch das Material entweichen kann. Auch sind Wartung und Instandhaltung aufwendig.
Leichtbau bietet die Möglichkeit, Masse, Materialeinsatz und Energiebedarf weiter zu reduzieren. Gleichzeitig gewinnen digital überwachbare Strukturen an Bedeutung, um den Betrieb sicherer, wirtschaftlicher und datenbasiert steuerbar zu gestalten.
Ziel
Im Forschungsprojekt SelbsttragenderLiner entwickelt das Team einen neuen Hochdruckspeicher für Wasserstoff, der deutlich leichter, langlebiger und wirtschaftlicher ist als bisherige Systeme. Die Beteiligten kombinieren erstmals einen tragenden Liner aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) mit einer darauf aufgebauten Laminatstruktur aus dem gleichen Werkstoff. In diesem Fall funktionieren die Liner sowohl als Diffusionsdichtung als auch als tragende Struktur und dienen als Wickelkern für die Laminatstruktur. Eine zwischengeschaltete Diffusionssperrschicht erhöht die Diffusionsdichtigkeit.
Zusätzlich integrieren die Partner ein Sensorsystem (Structural Health Monitoring - SHM), das mechanische Belastungen im Betrieb kontinuierlich erfasst. Diese Kombination erlaubt es, Sicherheitsreserven präziser auszulegen und Wartungsmaßnahmen gezielt zu planen.
Mit ihrem Ansatz verfolgen die Forschenden mehrere Ziele: Sie wollen das Gesamtgewicht des Behälters um rund 30 Prozent senken, die Herstellungskosten um etwa 20 Prozent reduzieren und den Wasserstoffverlust auf maximal 50 Gramm pro Stunde begrenzen. Der entwickelte Speicher soll sich branchenübergreifend einsetzen lassen – in Nutzfahrzeugen, Zügen, Schiffen und Leichtflugzeugen. Damit schaffen die Projektpartner eine Grundlage für leistungsfähige und ressourcenschonende Speicherlösungen, die zur breiten Anwendung der Wasserstoffmobilität beitragen können.
Im Forschungsprojekt SelbsttragenderLiner entwickelt das Team einen neuen Hochdruckspeicher für Wasserstoff, der deutlich leichter, langlebiger und wirtschaftlicher ist als bisherige Systeme. Die Beteiligten kombinieren erstmals einen tragenden Liner aus faserverstärktem Kunststoff (FVK) mit einer darauf aufgebauten Laminatstruktur aus dem gleichen Werkstoff. In diesem Fall funktionieren die Liner sowohl als Diffusionsdichtung als auch als tragende Struktur und dienen als Wickelkern für die Laminatstruktur. Eine zwischengeschaltete Diffusionssperrschicht erhöht die Diffusionsdichtigkeit.
Zusätzlich integrieren die Partner ein Sensorsystem (Structural Health Monitoring - SHM), das mechanische Belastungen im Betrieb kontinuierlich erfasst. Diese Kombination erlaubt es, Sicherheitsreserven präziser auszulegen und Wartungsmaßnahmen gezielt zu planen.
Mit ihrem Ansatz verfolgen die Forschenden mehrere Ziele: Sie wollen das Gesamtgewicht des Behälters um rund 30 Prozent senken, die Herstellungskosten um etwa 20 Prozent reduzieren und den Wasserstoffverlust auf maximal 50 Gramm pro Stunde begrenzen. Der entwickelte Speicher soll sich branchenübergreifend einsetzen lassen – in Nutzfahrzeugen, Zügen, Schiffen und Leichtflugzeugen. Damit schaffen die Projektpartner eine Grundlage für leistungsfähige und ressourcenschonende Speicherlösungen, die zur breiten Anwendung der Wasserstoffmobilität beitragen können.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert werkstofftechnische Weiterentwicklungen mit automatisierter Fertigung und digitaler Strukturüberwachung. Im Zentrum steht das Automated Fiber Placement (AFP) – ein computergesteuertes Faserlegeverfahren aus der Luftfahrt. Es ermöglicht, Kohlenstofffaserbänder präzise entlang vorgegebener Lastpfade aufzubringen. Die Forschenden nutzen AFP, um eine tragende Laminatstruktur direkt auf einen ebenfalls tragenden Liner aus faserverstärktem Kunststoff zu wickeln. Zwischen beiden Komponenten bringen sie eine diffusionsdichte Sperrschicht auf – etwa aus Metall oder Thermoplast –, um die Langzeitdichtheit des Behälters zu verbessern.
Parallel dazu integrieren die Projektpartner ein Structural-Health-Monitoring-System, das auf Faser-Bragg-Gitter-Sensorik basiert. Diese Sensoren erfassen Dehnungen im Material in Echtzeit und liefern kontinuierlich Daten zum strukturellen Zustand. Die Forschenden nutzen diese Informationen, um den Behälterbetrieb sicher und effizient zu steuern.
Die Wartung erfolgt nicht mehr in festen Intervallen, sondern bei tatsächlichem Bedarf. Auf diese Weise entsteht ein technisches Gesamtkonzept – von der Materialauswahl über die automatisierte Herstellung bis hin zur digitalen Zustandsüberwachung. Damit bringt das Projekt zentrale Anforderungen des Leichtbaus, der Wasserstofftechnologie und der Digitalisierung zusammen.
Das Projektteam kombiniert werkstofftechnische Weiterentwicklungen mit automatisierter Fertigung und digitaler Strukturüberwachung. Im Zentrum steht das Automated Fiber Placement (AFP) – ein computergesteuertes Faserlegeverfahren aus der Luftfahrt. Es ermöglicht, Kohlenstofffaserbänder präzise entlang vorgegebener Lastpfade aufzubringen. Die Forschenden nutzen AFP, um eine tragende Laminatstruktur direkt auf einen ebenfalls tragenden Liner aus faserverstärktem Kunststoff zu wickeln. Zwischen beiden Komponenten bringen sie eine diffusionsdichte Sperrschicht auf – etwa aus Metall oder Thermoplast –, um die Langzeitdichtheit des Behälters zu verbessern.
Parallel dazu integrieren die Projektpartner ein Structural-Health-Monitoring-System, das auf Faser-Bragg-Gitter-Sensorik basiert. Diese Sensoren erfassen Dehnungen im Material in Echtzeit und liefern kontinuierlich Daten zum strukturellen Zustand. Die Forschenden nutzen diese Informationen, um den Behälterbetrieb sicher und effizient zu steuern.
Die Wartung erfolgt nicht mehr in festen Intervallen, sondern bei tatsächlichem Bedarf. Auf diese Weise entsteht ein technisches Gesamtkonzept – von der Materialauswahl über die automatisierte Herstellung bis hin zur digitalen Zustandsüberwachung. Damit bringt das Projekt zentrale Anforderungen des Leichtbaus, der Wasserstofftechnologie und der Digitalisierung zusammen.
SimProTi
Titanbauteile präzise und ressourcenschonend fertigen: Simulation reduziert Verzug
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
30.06.23
Anwendung:
Material:
Titan
Hintergrund
Die Luftfahrtindustrie setzt gezielt auf Leichtbau, um Flugzeuge effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Titan ist hierbei ein Schlüsselwerkstoff: Es bietet hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturresistenz bei geringem Gewicht. Doch die Herstellung ist ressourcenintensiv: Bis zu 90 Prozent des wertvollen Rohmaterials werden durch Zerspanung entfernt, bevor ein Bauteil die gewünschte Form erreicht.
Dieser enorme Materialverlust verursacht hohe Kosten und belastet die Umwelt. Hier setzt das Forschungsprojekt SimProTi an. Die Fertigung von Titanbauteilen soll effizienter, präziser und ressourcenschonender möglich sein.
Die Luftfahrtindustrie setzt gezielt auf Leichtbau, um Flugzeuge effizienter und umweltfreundlicher zu machen. Titan ist hierbei ein Schlüsselwerkstoff: Es bietet hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturresistenz bei geringem Gewicht. Doch die Herstellung ist ressourcenintensiv: Bis zu 90 Prozent des wertvollen Rohmaterials werden durch Zerspanung entfernt, bevor ein Bauteil die gewünschte Form erreicht.
Dieser enorme Materialverlust verursacht hohe Kosten und belastet die Umwelt. Hier setzt das Forschungsprojekt SimProTi an. Die Fertigung von Titanbauteilen soll effizienter, präziser und ressourcenschonender möglich sein.
Ziel
Das Projektteam verfolgt das Ziel, die Produktion von Titan-Leichtbauteilen durch digitale Technologien grundlegend zu verbessern. Hierfür entwickeln die Forschenden eine innovative Simulationsmethodik, die den Verzug von Bauteilen während der Wärmebehandlung präzise vorhersagt. Ziel von SimProTi ist es, modernste Simulationsverfahren zu nutzen, um den Einfluss von Temperatur und Umgebungsbedingungen exakt zu modellieren.
Durch diese digitale Unterstützung können Unternehmen den Materialeinsatz um bis zu 10 Prozent reduzieren. Die wirtschaftlichen Vorteile sind beachtlich: Pro Jahr lassen sich bei OTTO FUCHS etwa 40 Tonnen Titan und damit erhebliche Materialkosten einsparen. Gleichzeitig sorgt die optimierte Fertigung für eine Senkung des Energieverbrauchs und somit auch für eine Reduzierung des CO₂-Ausstoßes.
Das Projektteam verfolgt das Ziel, die Produktion von Titan-Leichtbauteilen durch digitale Technologien grundlegend zu verbessern. Hierfür entwickeln die Forschenden eine innovative Simulationsmethodik, die den Verzug von Bauteilen während der Wärmebehandlung präzise vorhersagt. Ziel von SimProTi ist es, modernste Simulationsverfahren zu nutzen, um den Einfluss von Temperatur und Umgebungsbedingungen exakt zu modellieren.
Durch diese digitale Unterstützung können Unternehmen den Materialeinsatz um bis zu 10 Prozent reduzieren. Die wirtschaftlichen Vorteile sind beachtlich: Pro Jahr lassen sich bei OTTO FUCHS etwa 40 Tonnen Titan und damit erhebliche Materialkosten einsparen. Gleichzeitig sorgt die optimierte Fertigung für eine Senkung des Energieverbrauchs und somit auch für eine Reduzierung des CO₂-Ausstoßes.
Vorgehen
Das Projektteam nutzte die sogenannte CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) in Kombination mit der Finite-Elemente Struktursimulation, um den Abkühlvorgang nach der Wärmebehandlung detailliert zu analysieren. Dabei erfassten Forschende Temperaturverläufe und Deformationszustände während der kritischen Abkühlphasen. Mit diesen Daten entwickelten sie einen digitalen Zwilling, der Verzugs- und Spannungsmuster in Titanbauteilen mit hoher Genauigkeit simuliert.
Das Verfahren ermöglicht es Unternehmen, Wärmebehandlungen gezielt zu steuern und Verzugsprobleme im Vorfeld zu vermeiden. Gleichzeitig konnte das Team den Materialbedarf erheblich senken, da die Bauteile bereits in endkonturnaher Form (near-net-shape) gefertigt werden können. Die Ergebnisse zeigen: Optimierte Abkühlprozesse führen zu homogeneren Spannungszuständen, weniger Nacharbeit und einem deutlich geringeren Ausschuss. Über die Luftfahrt hinaus lassen sich diese Methoden auf weitere Branchen übertragen, etwa die Automobilindustrie oder die Raumfahrt.
Das Projektteam nutzte die sogenannte CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) in Kombination mit der Finite-Elemente Struktursimulation, um den Abkühlvorgang nach der Wärmebehandlung detailliert zu analysieren. Dabei erfassten Forschende Temperaturverläufe und Deformationszustände während der kritischen Abkühlphasen. Mit diesen Daten entwickelten sie einen digitalen Zwilling, der Verzugs- und Spannungsmuster in Titanbauteilen mit hoher Genauigkeit simuliert.
Das Verfahren ermöglicht es Unternehmen, Wärmebehandlungen gezielt zu steuern und Verzugsprobleme im Vorfeld zu vermeiden. Gleichzeitig konnte das Team den Materialbedarf erheblich senken, da die Bauteile bereits in endkonturnaher Form (near-net-shape) gefertigt werden können. Die Ergebnisse zeigen: Optimierte Abkühlprozesse führen zu homogeneren Spannungszuständen, weniger Nacharbeit und einem deutlich geringeren Ausschuss. Über die Luftfahrt hinaus lassen sich diese Methoden auf weitere Branchen übertragen, etwa die Automobilindustrie oder die Raumfahrt.
SinziA
Ressourceneffiziente Maschinen-Elemente: Bionisch inspirierte Selbstschmierung erforschen
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
31.01.24
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Die Schmierung von hochbeanspruchten Maschinenelementen ist erforderlich, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Konventionelle Schmierverfahren, wie die Öl- oder Fettschmierung, benötigen geeignete Komponenten für die Schmierstoffführung und -konditionierung und zur Abdichtung und führen zu signifikanten lastunabhängigen Verlusten. Ein innovativer Ansatz orientiert sich an der Natur: Ähnlich wie im menschlichen Kniegelenk, bei dem die Poren im Meniskus als Reservoir und Kanäle für Gelenkflüssigkeit dienen, können poröse Sintermetalle Schmierstoff speichern und bei Belastung bedarfsgerecht abgeben. Diese von der Natur inspirierte Technologie wird bereits erfolgreich bei niedrig belasteten Bauteilen wie Gleitlagern eingesetzt. Die Vorteile: Durch die Selbstschmierung wird die notwendige Menge Schmierstoff der Funktionsstelle direkt zugeführt. So können die verwendete Schmierstoffmenge verringert, Getriebebaugröße und -gewicht reduziert, die Ressourceneffizienz durch geringere lastunabhängige Verlustleistung gesteigert und damit die CO₂-Bilanz verbessert werden. Im Projekt SinziA untersuchen die Forschenden, wie dieser bionische Ansatz auch für hochbelastete Maschinenelemente am Beispiel von Zahnrädern in stationär und instationär betriebenen Zahnradgetrieben genutzt werden kann.
Die Schmierung von hochbeanspruchten Maschinenelementen ist erforderlich, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Konventionelle Schmierverfahren, wie die Öl- oder Fettschmierung, benötigen geeignete Komponenten für die Schmierstoffführung und -konditionierung und zur Abdichtung und führen zu signifikanten lastunabhängigen Verlusten. Ein innovativer Ansatz orientiert sich an der Natur: Ähnlich wie im menschlichen Kniegelenk, bei dem die Poren im Meniskus als Reservoir und Kanäle für Gelenkflüssigkeit dienen, können poröse Sintermetalle Schmierstoff speichern und bei Belastung bedarfsgerecht abgeben. Diese von der Natur inspirierte Technologie wird bereits erfolgreich bei niedrig belasteten Bauteilen wie Gleitlagern eingesetzt. Die Vorteile: Durch die Selbstschmierung wird die notwendige Menge Schmierstoff der Funktionsstelle direkt zugeführt. So können die verwendete Schmierstoffmenge verringert, Getriebebaugröße und -gewicht reduziert, die Ressourceneffizienz durch geringere lastunabhängige Verlustleistung gesteigert und damit die CO₂-Bilanz verbessert werden. Im Projekt SinziA untersuchen die Forschenden, wie dieser bionische Ansatz auch für hochbelastete Maschinenelemente am Beispiel von Zahnrädern in stationär und instationär betriebenen Zahnradgetrieben genutzt werden kann.
Ziel
Ziel des SinziA-Vorhabens ist es, ölgetränkte Sinterzahnräder zu entwickeln, die exemplarisch als selbstschmierende Maschinenelemente in Anwendungen unter hohen mechanischen Belastungen eingesetzt werden können. Dazu werden grundlegende Erkenntnisse aus Materialanalysen und tribologischen Untersuchungen mit Werkstoff-, Schmierstoff- und Oberflächenvarianten nach Anforderungen aus der industriellen Anwendung erforscht, um die Technologie für den breiten industriellen Einsatz nutzbar zu machen.
Einen besonderen Fokus legen die Forschenden auf das Gesamtziel, die notwendige Schmierstoffmenge im Zahnradgetriebe signifikant zu verringern und Bauraum und Komplexität der Getriebe zu reduzieren. Mit einsatzfähigen Werkstoff-Schmierstoff-Oberflächen-Konfigurationen wollen sie durch die Selbstschmierung der Zahnkontakte Verlustleistungen gegenüber konventionell geschmierten Zahnradgetrieben minimieren. Auch wollen sie die Lebensdauer gegenüber trockenlaufenden Zahnradgetrieben deutlich verlängern.
Langfristig strebt das Team an, die Technologie branchenübergreifend zu etablieren – von der Automobil- und Maschinenbauindustrie bis hin zur Luftfahrt und Lebensmitteltechnik. Durch die breiten Anwendungsmöglichkeiten wollen die Forschenden mit der Technologie einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung und CO₂-Reduktion leisten.
Ziel des SinziA-Vorhabens ist es, ölgetränkte Sinterzahnräder zu entwickeln, die exemplarisch als selbstschmierende Maschinenelemente in Anwendungen unter hohen mechanischen Belastungen eingesetzt werden können. Dazu werden grundlegende Erkenntnisse aus Materialanalysen und tribologischen Untersuchungen mit Werkstoff-, Schmierstoff- und Oberflächenvarianten nach Anforderungen aus der industriellen Anwendung erforscht, um die Technologie für den breiten industriellen Einsatz nutzbar zu machen.
Einen besonderen Fokus legen die Forschenden auf das Gesamtziel, die notwendige Schmierstoffmenge im Zahnradgetriebe signifikant zu verringern und Bauraum und Komplexität der Getriebe zu reduzieren. Mit einsatzfähigen Werkstoff-Schmierstoff-Oberflächen-Konfigurationen wollen sie durch die Selbstschmierung der Zahnkontakte Verlustleistungen gegenüber konventionell geschmierten Zahnradgetrieben minimieren. Auch wollen sie die Lebensdauer gegenüber trockenlaufenden Zahnradgetrieben deutlich verlängern.
Langfristig strebt das Team an, die Technologie branchenübergreifend zu etablieren – von der Automobil- und Maschinenbauindustrie bis hin zur Luftfahrt und Lebensmitteltechnik. Durch die breiten Anwendungsmöglichkeiten wollen die Forschenden mit der Technologie einen wichtigen Beitrag zur Ressourcenschonung und CO₂-Reduktion leisten.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert experimentelle Modell- und Komponentenuntersuchungen mit hochauflösender Analytik, um die Erkenntnisse zu potenziell anwendungsfähigen selbstschmierenden Systemkonfigurationen in Anwendungstests zu übertragen und auf ihre Technologiereife zu untersuchen. Zunächst definieren sie die Anforderungen stationär und intermittierend betriebener Zielanwendungen. Darauf aufbauend legen sie geeignete Sinterwerkstoff- und Oberflächenspezifikationen sowie einen geeigneten Schmierstoff fest und ermitteln industriell umsetzbare Tränkprozesse, um die Porenstruktur der Materialien mit ausreichend Schmierstoff gleichmäßig zu füllen.
Anschließend testen die Forschungspartner die selbstschmierenden Material- und Oberflächenkombinationen in Modelltests unter Laborbedingungen. Sie analysieren dabei Reibung und Schmierung sowie Schädigungsverhalten unter definierten Bedingungen und ermitteln die Belastungsgrenzen der Selbstschmierungstechnologie. Diese Erkenntnisse fließen in die Entwicklung praxisnaher Demonstratoren ein, die in Modultests unter realen Einsatzbedingungen überprüft werden. Abschließend entwickeln die Forschenden praxisnahe Gestaltungsrichtlinien, um selbstschmierende Maschinenelemente für die weitere Untersuchung und die Überführung in breite Einsatzgebiete zu auslegen zu können.
Das Projektteam kombiniert experimentelle Modell- und Komponentenuntersuchungen mit hochauflösender Analytik, um die Erkenntnisse zu potenziell anwendungsfähigen selbstschmierenden Systemkonfigurationen in Anwendungstests zu übertragen und auf ihre Technologiereife zu untersuchen. Zunächst definieren sie die Anforderungen stationär und intermittierend betriebener Zielanwendungen. Darauf aufbauend legen sie geeignete Sinterwerkstoff- und Oberflächenspezifikationen sowie einen geeigneten Schmierstoff fest und ermitteln industriell umsetzbare Tränkprozesse, um die Porenstruktur der Materialien mit ausreichend Schmierstoff gleichmäßig zu füllen.
Anschließend testen die Forschungspartner die selbstschmierenden Material- und Oberflächenkombinationen in Modelltests unter Laborbedingungen. Sie analysieren dabei Reibung und Schmierung sowie Schädigungsverhalten unter definierten Bedingungen und ermitteln die Belastungsgrenzen der Selbstschmierungstechnologie. Diese Erkenntnisse fließen in die Entwicklung praxisnaher Demonstratoren ein, die in Modultests unter realen Einsatzbedingungen überprüft werden. Abschließend entwickeln die Forschenden praxisnahe Gestaltungsrichtlinien, um selbstschmierende Maschinenelemente für die weitere Untersuchung und die Überführung in breite Einsatzgebiete zu auslegen zu können.
SmartWeld
Leichtbaupotenzial im Stahlbau heben: durchgängig digitalisierte Fertigungs- und Prüfkette
Förderlaufzeit:
Start
01.05.21
Ende
01.04.25
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Offshore-Windenergieanlagen stehen auf einer gewaltigen, bis zu 60 Meter hohen Tragstruktur; der größere Teil davon bleibt unterhalb der Wasserlinie verborgen. Verwendet wird heute oft ein einziger stählerner Pfahl, ein sogenannter Monopile. Dazu werden bis zu 2.000 Tonnen Stahl zusammengeschweißt – bei dessen Erzeugung große Mengen an CO₂ freigesetzt werden.
Deutlich geringer fällt die Tonnage beim Transport und der bei der Stahlerzeugung freigesetzte CO₂-Anteil aus, wenn statt des Monopiles filigranere Tragstrukturen verwendet werden. Diese als Jacket-Gründungen bezeichneten Leichtbaustrukturen stellen fertigungstechnisch jedoch eine Herausforderung dar, so dass CO₂-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden.
Das hat vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zu tun: Die Jacket-Gründungen werden heute meist manuell zusammengeschweißt und später mit Spezialschiffen zu ihrem Einsatzort gebracht. Toleranzen bei der Fertigung von Hand und hohe Sicherheitsanforderungen machen eine konservative Auslegung erforderlich, d.h. es werden dickwandige Bauteile verarbeitet.
Offshore-Windenergieanlagen stehen auf einer gewaltigen, bis zu 60 Meter hohen Tragstruktur; der größere Teil davon bleibt unterhalb der Wasserlinie verborgen. Verwendet wird heute oft ein einziger stählerner Pfahl, ein sogenannter Monopile. Dazu werden bis zu 2.000 Tonnen Stahl zusammengeschweißt – bei dessen Erzeugung große Mengen an CO₂ freigesetzt werden.
Deutlich geringer fällt die Tonnage beim Transport und der bei der Stahlerzeugung freigesetzte CO₂-Anteil aus, wenn statt des Monopiles filigranere Tragstrukturen verwendet werden. Diese als Jacket-Gründungen bezeichneten Leichtbaustrukturen stellen fertigungstechnisch jedoch eine Herausforderung dar, so dass CO₂-Einsparpotenziale bislang industriell nicht umgesetzt werden.
Das hat vor allem mit den sehr komplexen Schweißnähten zu tun: Die Jacket-Gründungen werden heute meist manuell zusammengeschweißt und später mit Spezialschiffen zu ihrem Einsatzort gebracht. Toleranzen bei der Fertigung von Hand und hohe Sicherheitsanforderungen machen eine konservative Auslegung erforderlich, d.h. es werden dickwandige Bauteile verarbeitet.
Ziel
Ziel von SmartWeld ist es, mit einer durchgängig digitalisierten Fertigungs- und Prüfkette beim Bau der Gründungen die Verwendung von Leichtbautechniken möglich zu machen. Dafür soll der Schweißprozess der komplexen Nähte an den Tragstrukturen so angepasst werden, dass er besser automatisiert werden kann. Gelingt das, werden die Nähte dadurch außerdem langlebiger. Die Strukturen könnten dadurch zudem dünnwandiger hergestellt werden. Sie würden so weniger Stahl verbrauchen und damit CO₂ einsparen.
Mit einer durchschnittlichen 12-Megawatt-Anlage ließen sich gegenüber einem Monopile so etwa 20 Prozent an Gewicht und damit 400 Tonnen Stahl einsparen. Das entspricht rund 800 Tonnen CO₂. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte und Einsparungen beim energieintensiven Schweißen selbst, ließe sich der CO₂-Anteil in der Fertigung noch weiter reduzieren. Für einen Windpark mit 100 Anlagen um insgesamt mehr als 100.000 Tonnen.
Ziel von SmartWeld ist es, mit einer durchgängig digitalisierten Fertigungs- und Prüfkette beim Bau der Gründungen die Verwendung von Leichtbautechniken möglich zu machen. Dafür soll der Schweißprozess der komplexen Nähte an den Tragstrukturen so angepasst werden, dass er besser automatisiert werden kann. Gelingt das, werden die Nähte dadurch außerdem langlebiger. Die Strukturen könnten dadurch zudem dünnwandiger hergestellt werden. Sie würden so weniger Stahl verbrauchen und damit CO₂ einsparen.
Mit einer durchschnittlichen 12-Megawatt-Anlage ließen sich gegenüber einem Monopile so etwa 20 Prozent an Gewicht und damit 400 Tonnen Stahl einsparen. Das entspricht rund 800 Tonnen CO₂. Durch ein optimiertes Design der Schweißnähte und Einsparungen beim energieintensiven Schweißen selbst, ließe sich der CO₂-Anteil in der Fertigung noch weiter reduzieren. Für einen Windpark mit 100 Anlagen um insgesamt mehr als 100.000 Tonnen.
Vorgehen
Um die neuen Fertigungstechnologien später möglichst schnell in der Industrie zu nutzen, arbeiten die Forscherinnen und Forscher so praxisnah wie möglich. Die Industriepartner des Forschungsprojekts entwickeln serientaugliche Demonstrationsanlagen unter echten Herstellungsbedingungen. Auf diese Weise können die Forschungsergebnisse wie eine „Blaupause“ auf andere Bereiche des Stahlbaus übertragen werden, in denen großformatige Bauten wie zum Beispiel Brückenkonstruktionen gefertigt werden.
Im Rahmen des Vorhabens werden bereits mehrere Demonstrator-Knoten angefertigt, die anschließend verschiedenen Ermüdungsversuchen unterzogen werden – begleitet von Simulationen zur Rissentwicklung und zum Rissfortschritt. Bereits durchgeführte Versuche zur Automatisierung der Schweißprozesse konnten die Fertigungsgeschwindigkeit deutlich steigern.
Um die neuen Fertigungstechnologien später möglichst schnell in der Industrie zu nutzen, arbeiten die Forscherinnen und Forscher so praxisnah wie möglich. Die Industriepartner des Forschungsprojekts entwickeln serientaugliche Demonstrationsanlagen unter echten Herstellungsbedingungen. Auf diese Weise können die Forschungsergebnisse wie eine „Blaupause“ auf andere Bereiche des Stahlbaus übertragen werden, in denen großformatige Bauten wie zum Beispiel Brückenkonstruktionen gefertigt werden.
Im Rahmen des Vorhabens werden bereits mehrere Demonstrator-Knoten angefertigt, die anschließend verschiedenen Ermüdungsversuchen unterzogen werden – begleitet von Simulationen zur Rissentwicklung und zum Rissfortschritt. Bereits durchgeführte Versuche zur Automatisierung der Schweißprozesse konnten die Fertigungsgeschwindigkeit deutlich steigern.
SonicQuality
Qualitätssicherung im 3D-Druck verbessern: akustische Prüfmethode für Metall-Bauteile
Förderlaufzeit:
Start
01.07.22
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Intermetallische Legierungen, Magnesium, Stahl, Titan, Sonstige (Hochleistungslegierungen), Monolithische Keramiken, Nicht-oxidische Keramiken, Oxidische Keramiken, Ultra-Hochtemperatur-Keramiken, Keramikmatrix-Verbund (CMC), Metall-Keramik-Verbund, Metallmatrix-Verbund
Hintergrund
Metall-3D-Druck bietet großes Potenzial für den Leichtbau. Durch die große Gestaltungsfreiheit können Bauteile bionisch optimiert und deutlich leichter gefertigt werden als mit konventionellen Methoden. Dies spart Material, reduziert den Energieverbrauch und ermöglicht langlebigere Bauteile. Trotz dieser Vorteile ist der industrielle Einsatz des Metall-3D-Drucks noch begrenzt. Ein entscheidender Grund dafür ist die aufwändige Qualitätssicherung.
Bisherige Prüfmethoden wie Computertomographie oder Farbeindringprüfung sind teuer, zeitintensiv und oft nicht für komplexe 3D-gedruckte Strukturen geeignet. Besonders herausfordernd ist die Prüfung von Hochleistungswerkstoffen, die sich nicht durchstrahlen lassen. Ohne effiziente Qualitätssicherung bleibt der wirtschaftliche und nachhaltige Einsatz additiver Fertigung in vielen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Energieindustrie, eingeschränkt.
Metall-3D-Druck bietet großes Potenzial für den Leichtbau. Durch die große Gestaltungsfreiheit können Bauteile bionisch optimiert und deutlich leichter gefertigt werden als mit konventionellen Methoden. Dies spart Material, reduziert den Energieverbrauch und ermöglicht langlebigere Bauteile. Trotz dieser Vorteile ist der industrielle Einsatz des Metall-3D-Drucks noch begrenzt. Ein entscheidender Grund dafür ist die aufwändige Qualitätssicherung.
Bisherige Prüfmethoden wie Computertomographie oder Farbeindringprüfung sind teuer, zeitintensiv und oft nicht für komplexe 3D-gedruckte Strukturen geeignet. Besonders herausfordernd ist die Prüfung von Hochleistungswerkstoffen, die sich nicht durchstrahlen lassen. Ohne effiziente Qualitätssicherung bleibt der wirtschaftliche und nachhaltige Einsatz additiver Fertigung in vielen Branchen, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Energieindustrie, eingeschränkt.
Ziel
Im Projekt SonicQuality entwickeln Forschende eine neuartige akustische Prüfmethode, um die Qualitätssicherung von Metall-3D-Druck-Bauteilen zu verbessern. Durch den Einsatz zweier zerstörungsfreier Verfahren – der prozesskompensierten Resonanz-prüfung (PCRT) und der Vibrothermographie (SIR) – sollen Defekte zuverlässig erkannt werden. Ziel ist eine Kosteneinsparung von mindestens 90 Prozent und eine Reduzierung der Prüfzeit um 85 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Zudem wird die neue Methode ohne Verbrauchsmaterialien oder Schadstoffe auskommen. Damit will das Projektteam neue Anwendungsmöglichkeiten für den Metall-3D-Druck erschließen und erhebliche CO₂-Einsparungen erzielen. Durch Standardisierungsmaßnahmen soll die Methode nach Projektende breit anwendbar sein.
Im Projekt SonicQuality entwickeln Forschende eine neuartige akustische Prüfmethode, um die Qualitätssicherung von Metall-3D-Druck-Bauteilen zu verbessern. Durch den Einsatz zweier zerstörungsfreier Verfahren – der prozesskompensierten Resonanz-prüfung (PCRT) und der Vibrothermographie (SIR) – sollen Defekte zuverlässig erkannt werden. Ziel ist eine Kosteneinsparung von mindestens 90 Prozent und eine Reduzierung der Prüfzeit um 85 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren. Zudem wird die neue Methode ohne Verbrauchsmaterialien oder Schadstoffe auskommen. Damit will das Projektteam neue Anwendungsmöglichkeiten für den Metall-3D-Druck erschließen und erhebliche CO₂-Einsparungen erzielen. Durch Standardisierungsmaßnahmen soll die Methode nach Projektende breit anwendbar sein.
Vorgehen
Das Projektteam kombiniert zwei akustische Verfahren, um eine umfassende und automatisierbare Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Die PCRT-Technologie analysiert das Resonanzverhalten von Bauteilen und vergleicht es mit einem fehlerfreien Standard. So können strukturelle Abweichungen identifiziert werden. Ergänzend dazu erkennt die SIR-Technologie Risse und Defekte an der Bauteiloberfläche durch Reibungswärme. Die Kombination beider Verfahren erlaubt eine schnelle, zuverlässige und vollständig digitale Fehleranalyse, unabhängig von Material oder Oberflächenbeschaffenheit. Dies stellt einen großen Fortschritt gegenüber bisherigen Methoden dar. Im Fokus stehen zunächst Bauteile, die mit dem weit verbreiteten Selective Laser Melting (SLM) gefertigt wurden. Die Methode soll jedoch auch auf andere additive Fertigungsverfahren übertragbar sein.
Das Projektteam kombiniert zwei akustische Verfahren, um eine umfassende und automatisierbare Qualitätskontrolle zu ermöglichen. Die PCRT-Technologie analysiert das Resonanzverhalten von Bauteilen und vergleicht es mit einem fehlerfreien Standard. So können strukturelle Abweichungen identifiziert werden. Ergänzend dazu erkennt die SIR-Technologie Risse und Defekte an der Bauteiloberfläche durch Reibungswärme. Die Kombination beider Verfahren erlaubt eine schnelle, zuverlässige und vollständig digitale Fehleranalyse, unabhängig von Material oder Oberflächenbeschaffenheit. Dies stellt einen großen Fortschritt gegenüber bisherigen Methoden dar. Im Fokus stehen zunächst Bauteile, die mit dem weit verbreiteten Selective Laser Melting (SLM) gefertigt wurden. Die Methode soll jedoch auch auf andere additive Fertigungsverfahren übertragbar sein.
SuMatHrA
CO₂-Bilanz bereits auf Materialebene senken: Albasia-Holz für Elektroautos und Aufzüge
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
31.08.24
Anwendung:
Material:
Holz
Hintergrund
Leichtbau ist entscheidend, um Fahrzeuge nachhaltiger zu gestalten: Die Bauteile wiegen weniger und Material wird eingespart. Das verbessert die Ressourceneffizienz und senkt den Ausstoß von Treibhausgasemissionen – nicht nur bei der Produktion, sondern auch im späteren Einsatz der Leichtbauelemente. Unternehmen nutzen dabei verstärkt Hybridwerkstoffe, die verschiedene Funktionen miteinander kombinieren und so besonders effizient sind. Diese Materialien lassen sich jedoch meist nur schlecht wiederverwerten und weisen häufig eine nachteilige CO₂-Bilanz auf. Ein Weg, um diesen Konflikt zu lösen, ist der Einsatz von nachhaltigen Leichtbauwerkstoffen – etwa Holz – als Teil von Hybridwerkstoffen.
Leichtbau ist entscheidend, um Fahrzeuge nachhaltiger zu gestalten: Die Bauteile wiegen weniger und Material wird eingespart. Das verbessert die Ressourceneffizienz und senkt den Ausstoß von Treibhausgasemissionen – nicht nur bei der Produktion, sondern auch im späteren Einsatz der Leichtbauelemente. Unternehmen nutzen dabei verstärkt Hybridwerkstoffe, die verschiedene Funktionen miteinander kombinieren und so besonders effizient sind. Diese Materialien lassen sich jedoch meist nur schlecht wiederverwerten und weisen häufig eine nachteilige CO₂-Bilanz auf. Ein Weg, um diesen Konflikt zu lösen, ist der Einsatz von nachhaltigen Leichtbauwerkstoffen – etwa Holz – als Teil von Hybridwerkstoffen.
Ziel
Das Projektteam möchte konventionelle Leichtbau-Materialien, etwa Aluminium oder Stahl, durch Holz-Hybride auf Basis von Albasia-Holz ersetzen, um die CO₂-Bilanz von Strukturen bereits auf der Materialebene zu senken. Aufgrund der geringen Dichte in Kombination mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignet sich das indonesische Leichtholz sehr gut für den Leichtbau. Albasia wird nachhaltig in Indonesien angebaut, um durch Brandrodung brachliegende Flächen wieder aufzuforsten und lokalen Kleinbauern einen zusätzlichen Ertrag aus der Nutzung dieser Flächen sowie dem Verkauf des Holzes zu ermöglichen. Besonders nachhaltig wird dessen Einsatz in Fahrzeugstrukturen dann, wenn das Material gemeinsam mit heimischen Laub- und Nadelhölzern als Holz-Holz-Hybrid genutzt wird. Da diese Hölzer günstig und gut verfügbar sind, steigert dies außerdem die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Industrie und Wertschöpfung in Deutschland.
Das Projektteam möchte konventionelle Leichtbau-Materialien, etwa Aluminium oder Stahl, durch Holz-Hybride auf Basis von Albasia-Holz ersetzen, um die CO₂-Bilanz von Strukturen bereits auf der Materialebene zu senken. Aufgrund der geringen Dichte in Kombination mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften eignet sich das indonesische Leichtholz sehr gut für den Leichtbau. Albasia wird nachhaltig in Indonesien angebaut, um durch Brandrodung brachliegende Flächen wieder aufzuforsten und lokalen Kleinbauern einen zusätzlichen Ertrag aus der Nutzung dieser Flächen sowie dem Verkauf des Holzes zu ermöglichen. Besonders nachhaltig wird dessen Einsatz in Fahrzeugstrukturen dann, wenn das Material gemeinsam mit heimischen Laub- und Nadelhölzern als Holz-Holz-Hybrid genutzt wird. Da diese Hölzer günstig und gut verfügbar sind, steigert dies außerdem die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Industrie und Wertschöpfung in Deutschland.
Vorgehen
Das Projektteam will die Holz-Hybridmaterialien in drei Anwendungen demonstrieren: In crashbelasteten Fahrzeugstrukturen von Elektrofahrzeugen, für den Kofferaufbau eines kleinen Nutzfahrzeugs sowie im Aufzugbau als Plattenware. Die Forschenden sehen hier zudem hohes Potenzial für die Integration zusätzlicher Funktionen, da Holz sehr gute akustische und thermische Dämmeigenschaften aufweist. So können weitere CO₂-intensive Materialien eingespart werden, die aktuell eingesetzt werden, um Dämm- oder Lärmschutz zu integrieren. Darüber hinaus sind die Holzbauteile leichter, sodass die CO₂-Bilanz auch im Einsatz besser ist.
Aktuelle Forschungsaktivitäten haben das Ziel, das hybride Materialsystem weiter zu optimieren. So werden für die crashbelastete Fahrzeugstruktur unterschiedliche Varianten für den Holzkern untersucht um weiteres Gewicht einzusparen und die Anforderungen, die sich aus der Integration des Bauteils in die Karosserie ergeben, erfüllen zu können. Für die Anwendungsfälle im Nutzfahrzeugaufbau und dem Aufzugbau werden aktuell die Herstellung von Formholzteilen aus Albasia-Furnier untersucht. Hierbei ist das Ziel, dreidimensional geformte Bauteile aus Furnierwerkstoff herzustellen. Im Rahmen einer Lebenszyklus-Analyse wird das Material unter Berücksichtigung aller relevanter Prozessschritte vom Pflanzen des Setzlings über den Transport des Materials bis zur Herstellung der Bauteile untersucht.
Das Projektteam will die Holz-Hybridmaterialien in drei Anwendungen demonstrieren: In crashbelasteten Fahrzeugstrukturen von Elektrofahrzeugen, für den Kofferaufbau eines kleinen Nutzfahrzeugs sowie im Aufzugbau als Plattenware. Die Forschenden sehen hier zudem hohes Potenzial für die Integration zusätzlicher Funktionen, da Holz sehr gute akustische und thermische Dämmeigenschaften aufweist. So können weitere CO₂-intensive Materialien eingespart werden, die aktuell eingesetzt werden, um Dämm- oder Lärmschutz zu integrieren. Darüber hinaus sind die Holzbauteile leichter, sodass die CO₂-Bilanz auch im Einsatz besser ist.
Aktuelle Forschungsaktivitäten haben das Ziel, das hybride Materialsystem weiter zu optimieren. So werden für die crashbelastete Fahrzeugstruktur unterschiedliche Varianten für den Holzkern untersucht um weiteres Gewicht einzusparen und die Anforderungen, die sich aus der Integration des Bauteils in die Karosserie ergeben, erfüllen zu können. Für die Anwendungsfälle im Nutzfahrzeugaufbau und dem Aufzugbau werden aktuell die Herstellung von Formholzteilen aus Albasia-Furnier untersucht. Hierbei ist das Ziel, dreidimensional geformte Bauteile aus Furnierwerkstoff herzustellen. Im Rahmen einer Lebenszyklus-Analyse wird das Material unter Berücksichtigung aller relevanter Prozessschritte vom Pflanzen des Setzlings über den Transport des Materials bis zur Herstellung der Bauteile untersucht.
SUPREME
Eisen- und Stahlguss im Niederdruck: Material und CO₂ einsparen durch Formschalen
Förderlaufzeit:
Start
01.09.22
Ende
28.02.26
Anwendung:
Material:
Stahl, Sonstige (Eisen- und Stahlguss)
Hintergrund
Die Eisen- und Stahlgussindustrie steht unter wachsendem Innovations- und Kostendruck. Zum einen verändert die E-Mobilität die Nachfrage: klassische Gussteile für Verbrennungsmotoren ver-lieren an Bedeutung, während neue Anwendungen entstehen. Zum anderen setzen strengere Umweltauflagen und steigende Entsorgungskosten für Gießerei-Altsande die Branche zusätzlich unter Druck. Konventionelle Verfahren wie der Schwerkraftguss sind material- und energieintensiv. Gerade bei dünnwandigen Bauteilen stoßen sie an ihre Grenzen – obwohl hier großes Leichtbaupotenzial liegt. Um diese Möglichkeiten auszuschöpfen, braucht es neue Ansätze.
Ein Schlüssel liegt in der Weiterentwicklung der Formstoffe: Anorganische Binder gelten als vielversprechende Alternative zu organischen Bindern: Sie verursachen weniger Emissionen, vereinfachen die Entsorgung und ermöglichen neue Prozessrouten. Diese Systeme bieten den Vorteil mit vorgewärmten Formstoffen arbeiten zu können. Das ermöglicht sowohl für den konventionellen Schwerkraftguss als auch für den Niederdruckguss längere Fließwege der Schmelze bei der Formfüllung und hilft Wandstärken weiter zu reduzieren und dadurch das Leichtbaupotenzial für Anwendungen im Eisen- und Stahlguss auszuweiten. Bisher sind anorganische Binder jedoch vor allem im Leichtmetallguss etabliert. Für Eisen- und Stahlguss, mit seinen hohen Schmelztemperaturen und mechanischen Anforderungen, fehlt bislang eine erprobte Lösung. Hier setzt das Forschungsprojekt SUPREME an.
Die Eisen- und Stahlgussindustrie steht unter wachsendem Innovations- und Kostendruck. Zum einen verändert die E-Mobilität die Nachfrage: klassische Gussteile für Verbrennungsmotoren ver-lieren an Bedeutung, während neue Anwendungen entstehen. Zum anderen setzen strengere Umweltauflagen und steigende Entsorgungskosten für Gießerei-Altsande die Branche zusätzlich unter Druck. Konventionelle Verfahren wie der Schwerkraftguss sind material- und energieintensiv. Gerade bei dünnwandigen Bauteilen stoßen sie an ihre Grenzen – obwohl hier großes Leichtbaupotenzial liegt. Um diese Möglichkeiten auszuschöpfen, braucht es neue Ansätze.
Ein Schlüssel liegt in der Weiterentwicklung der Formstoffe: Anorganische Binder gelten als vielversprechende Alternative zu organischen Bindern: Sie verursachen weniger Emissionen, vereinfachen die Entsorgung und ermöglichen neue Prozessrouten. Diese Systeme bieten den Vorteil mit vorgewärmten Formstoffen arbeiten zu können. Das ermöglicht sowohl für den konventionellen Schwerkraftguss als auch für den Niederdruckguss längere Fließwege der Schmelze bei der Formfüllung und hilft Wandstärken weiter zu reduzieren und dadurch das Leichtbaupotenzial für Anwendungen im Eisen- und Stahlguss auszuweiten. Bisher sind anorganische Binder jedoch vor allem im Leichtmetallguss etabliert. Für Eisen- und Stahlguss, mit seinen hohen Schmelztemperaturen und mechanischen Anforderungen, fehlt bislang eine erprobte Lösung. Hier setzt das Forschungsprojekt SUPREME an.
Ziel
Die Forschenden entwickeln die Niederdruckgusstechnologie so weiter, dass sich auch dünnwandige und zugleich hochfeste Eisen- und Stahlgussteile seriennah herstellen lassen. Dafür setzen sie anorganische Bindersysteme ein und optimieren sie für die besonderen Belastungen im Eisen- und Stahlguss.
Das Vorhaben verfolgt dabei nicht nur technische, sondern auch ökologische und ökonomische Ziele: Die Forschenden wollen die eingesetzte Formstoffmenge um bis zu 80 Prozent senken, den Bedarf an Kreislaufmaterial deutlich reduzieren und damit Energie sowie CO₂ einsparen. Auch die Deponierung von Altsanden soll drastisch sinken.
Gleichzeitig wollen die Partner die Prozesszeiten verkürzen und die Produktivität steigern. Auf diese Weise trägt SUPREME dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Gießereiindustrie zu sichern und ihr neue Märkte im Leichtbau, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, zu erschließen.
Die Forschenden entwickeln die Niederdruckgusstechnologie so weiter, dass sich auch dünnwandige und zugleich hochfeste Eisen- und Stahlgussteile seriennah herstellen lassen. Dafür setzen sie anorganische Bindersysteme ein und optimieren sie für die besonderen Belastungen im Eisen- und Stahlguss.
Das Vorhaben verfolgt dabei nicht nur technische, sondern auch ökologische und ökonomische Ziele: Die Forschenden wollen die eingesetzte Formstoffmenge um bis zu 80 Prozent senken, den Bedarf an Kreislaufmaterial deutlich reduzieren und damit Energie sowie CO₂ einsparen. Auch die Deponierung von Altsanden soll drastisch sinken.
Gleichzeitig wollen die Partner die Prozesszeiten verkürzen und die Produktivität steigern. Auf diese Weise trägt SUPREME dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Gießereiindustrie zu sichern und ihr neue Märkte im Leichtbau, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, zu erschließen.
Vorgehen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln neue anorganische Formstoffsysteme, die hohen Temperaturen standhalten und sich sowohl im 3D-Druck als auch im Kernschießverfahren einsetzen lassen. Gleichzeitig bauen sie eine Niederdruckgießanlage auf, zugeschnitten auf Eisen- und Stahllegierungen.
Das Projektteam setzt auf innovative Formstoffträger: Diese stabilisieren dünne, schalenartige Sandkerne und senken den Materialverbrauch deutlich. Heiz- und Kühlsysteme im Träger steuern die Erstarrung präzise, steigern die Bauteilqualität und verkürzen die Taktzeiten.
Die Forschenden erproben die Prozesskette an repräsentativen Demonstratorbauteilen und überprüfen die Machbarkeit in industrienahen Versuchen. Ergänzend fließen Ökobilanzierungen und Wirtschaftlichkeitsanalysen ein. So entsteht ein ganzheitliches Bild, das technische Leistungsfähigkeit, ökologische Wirkung und ökonomische Tragfähigkeit gleichermaßen berücksichtigt.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln neue anorganische Formstoffsysteme, die hohen Temperaturen standhalten und sich sowohl im 3D-Druck als auch im Kernschießverfahren einsetzen lassen. Gleichzeitig bauen sie eine Niederdruckgießanlage auf, zugeschnitten auf Eisen- und Stahllegierungen.
Das Projektteam setzt auf innovative Formstoffträger: Diese stabilisieren dünne, schalenartige Sandkerne und senken den Materialverbrauch deutlich. Heiz- und Kühlsysteme im Träger steuern die Erstarrung präzise, steigern die Bauteilqualität und verkürzen die Taktzeiten.
Die Forschenden erproben die Prozesskette an repräsentativen Demonstratorbauteilen und überprüfen die Machbarkeit in industrienahen Versuchen. Ergänzend fließen Ökobilanzierungen und Wirtschaftlichkeitsanalysen ein. So entsteht ein ganzheitliches Bild, das technische Leistungsfähigkeit, ökologische Wirkung und ökonomische Tragfähigkeit gleichermaßen berücksichtigt.
SyProLei
Leichtbau systemisch umsetzen: digitale Workflows für effiziente und nachhaltige Produkte
Förderlaufzeit:
Start
01.01.21
Ende
30.06.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Sonstige (materialübergreifend), Sonstige (materialübergreifend), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Leichtbau ist ein wichtiger Schlüssel für ressourcenschonende, kosteneffiziente und nachhaltige Produkte. Dennoch bleiben viele Potenziale bisher ungenutzt, da systemische Ansätze fehlen, um Kosten, Funktionalität und Umweltbilanz gleichermaßen zu optimieren. Branchen wie der Maschinenbau, die Freizeitindustrie oder die Medizintechnik benötigen Lösungen, die Leichtbau nicht nur auf Komponentenebene, sondern über ganze Systeme hinweg anwenden. Die Forschenden im Projekt SyProLei adressieren diese Lücke mit einem umfassenden Ansatz, der Werkstoff-, Produkt- und Produktionsperspektiven integriert.
Leichtbau ist ein wichtiger Schlüssel für ressourcenschonende, kosteneffiziente und nachhaltige Produkte. Dennoch bleiben viele Potenziale bisher ungenutzt, da systemische Ansätze fehlen, um Kosten, Funktionalität und Umweltbilanz gleichermaßen zu optimieren. Branchen wie der Maschinenbau, die Freizeitindustrie oder die Medizintechnik benötigen Lösungen, die Leichtbau nicht nur auf Komponentenebene, sondern über ganze Systeme hinweg anwenden. Die Forschenden im Projekt SyProLei adressieren diese Lücke mit einem umfassenden Ansatz, der Werkstoff-, Produkt- und Produktionsperspektiven integriert.
Ziel
Das Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Entwicklung einer universellen Methodik, die Leichtbau in den gesamten Produktentstehungsprozess integriert. Durch digitale Workflows soll die entwickelte Methodik für verschiedene Branchen nutzbar gemacht werden. Einen Schwerpunkt legt das Projektteam dabei auf die systematische Analyse von Zielkonflikten, also dem Abwägen und Austarieren von konkurrierenden Anforderungen, wie Kosten, Material- und Energieeffizienz sowie Funktionalität, die sich gegenseitig beeinflussen können.
Die Ergebnisse sollen eine Grundlage für zukünftige Anwendungen bilden. Damit möchten die Forschenden nicht nur einen Beitrag zur technologischen Innovation, sondern auch zur Reduktion von Materialverbrauch, Energiebedarf und CO₂-Emissionen sowohl in der Herstellungs- als auch in der Nutzungsphase leisten.
Das Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist die Entwicklung einer universellen Methodik, die Leichtbau in den gesamten Produktentstehungsprozess integriert. Durch digitale Workflows soll die entwickelte Methodik für verschiedene Branchen nutzbar gemacht werden. Einen Schwerpunkt legt das Projektteam dabei auf die systematische Analyse von Zielkonflikten, also dem Abwägen und Austarieren von konkurrierenden Anforderungen, wie Kosten, Material- und Energieeffizienz sowie Funktionalität, die sich gegenseitig beeinflussen können.
Die Ergebnisse sollen eine Grundlage für zukünftige Anwendungen bilden. Damit möchten die Forschenden nicht nur einen Beitrag zur technologischen Innovation, sondern auch zur Reduktion von Materialverbrauch, Energiebedarf und CO₂-Emissionen sowohl in der Herstellungs- als auch in der Nutzungsphase leisten.
Vorgehen
Das Projektteam erarbeitet zunächst eine Methodik zur durchgängigen Entwicklung von Leichtbauprodukten. Anschließend bildet das Team diese in digitalen Workflows ab. Dabei analysieren die Forschenden bestehende Prozesse, um Potenziale für Ressourcenschonung und Materialeinsparung zu identifizieren. Darauf aufbauend entwickelt das Team innovative Konzepte und analysiert diese mit multikriteriellen Bewertungsmethoden.
Die Methodik testet das Team anhand von drei praktischen Anwendungsfällen. Sie entwickeln Konzepte zur Energiereduktion und Gewichtseinsparung an einem Portalroboter. Bei einem Fahrradanhänger verbessern neue Werkstoffe und Produktionsmethoden die Sicherheit und steigern die Nachhaltigkeit. Prothesen werden durch eine ganzheitliche Optimierung leichter, funktionaler und nachhaltiger gestaltet, indem alle Komponenten systematisch aufeinander abgestimmt und neue Material- und Fertigungsansätze eingesetzt werden.
Das Projektteam erarbeitet zunächst eine Methodik zur durchgängigen Entwicklung von Leichtbauprodukten. Anschließend bildet das Team diese in digitalen Workflows ab. Dabei analysieren die Forschenden bestehende Prozesse, um Potenziale für Ressourcenschonung und Materialeinsparung zu identifizieren. Darauf aufbauend entwickelt das Team innovative Konzepte und analysiert diese mit multikriteriellen Bewertungsmethoden.
Die Methodik testet das Team anhand von drei praktischen Anwendungsfällen. Sie entwickeln Konzepte zur Energiereduktion und Gewichtseinsparung an einem Portalroboter. Bei einem Fahrradanhänger verbessern neue Werkstoffe und Produktionsmethoden die Sicherheit und steigern die Nachhaltigkeit. Prothesen werden durch eine ganzheitliche Optimierung leichter, funktionaler und nachhaltiger gestaltet, indem alle Komponenten systematisch aufeinander abgestimmt und neue Material- und Fertigungsansätze eingesetzt werden.
T3-Hub
Nachhaltige Spritzguss-Kunststoffe: leichte Bauteile kosteneffizient fertigen
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Thermoplaste, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
Hintergrund
Spritzgussteile aus Kunststoff sind aus dem Alltag nicht wegzudenken. Sie sind verbaut in Elektrogeräten, Haushaltsartikeln oder Transportbehältern. Jeder zusätzliche Millimeter Material treibt den Energiebedarf in Produktion, Transport und Recycling in die Höhe.
Hersteller reduzieren deshalb die Wandstärken, um Gewicht zu sparen – stoßen dabei aber an physikalische Grenzen. Dünne Querschnitte versagen unter Last oder verformen sich zu stark, während teure Vollverbundlaminate aus faserverstärkten Thermoplasten (FVK) die Kosten und häufig auch den CO₂-Fußabdruck in der Produktion erhöhen. Die Branche sucht deshalb eine Lösung, die Leichtbau, Ressourceneffizienz und Belastbarkeit verbindet.
Spritzgussteile aus Kunststoff sind aus dem Alltag nicht wegzudenken. Sie sind verbaut in Elektrogeräten, Haushaltsartikeln oder Transportbehältern. Jeder zusätzliche Millimeter Material treibt den Energiebedarf in Produktion, Transport und Recycling in die Höhe.
Hersteller reduzieren deshalb die Wandstärken, um Gewicht zu sparen – stoßen dabei aber an physikalische Grenzen. Dünne Querschnitte versagen unter Last oder verformen sich zu stark, während teure Vollverbundlaminate aus faserverstärkten Thermoplasten (FVK) die Kosten und häufig auch den CO₂-Fußabdruck in der Produktion erhöhen. Die Branche sucht deshalb eine Lösung, die Leichtbau, Ressourceneffizienz und Belastbarkeit verbindet.
Ziel
Das Forschungsprojekt T3-Hub will diese Lücke schließen. Das Projektteam will den Materialeinsatz bei technischen Standard-Spritzgussteilen reduzieren und sie somit nachhaltiger machen – und dies für die Serienproduktion. Dafür verstärken die Forschenden herkömmliche Bauteile mit hauchdünnen Thermoplast-Tapes, die nur wenige Zehntelmillimeter stark und 5–25 mm breit sind. Die Bänder enthalten Glas-, Carbon- oder Naturfasern in der gleichen Kunststoff-Matrix wie das Bauteil. So lassen sich die Bauteile, die sonst mit materialintensiven Verrippungen oder über hohe Wanddicken versteift werden, mit geringerem Materialeinsatz fertigen. Der Materialverbrauch übersetzt sich unmittelbar in Gewicht, CO₂-Fußabdruck und Produktionskosten.
Durch die neue Technologie kann der Materialverbrauch reduziert und somit alle drei Eigenschaften verbessert werden. Da in allen Komponenten der gleiche Werkstoff verwendet wird, sind die Bauteile einerseits recyclingfähig, die Verstärkung mit Tapes erleichtert aber zudem auch den Einsatz von Recyclingmaterialien in den Bauteilen selbst (Design-for-Recycling).
Mit dieser Methode wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Materialbedarf um bis zu 20 Prozent senken und den CO₂-Ausstoß in allen Lebensphasen deutlich reduzieren. Gleichzeitig bleiben die Stückkosten wettbewerbsfähig und das Recyclingverfahren simpel.
Das Forschungsprojekt T3-Hub will diese Lücke schließen. Das Projektteam will den Materialeinsatz bei technischen Standard-Spritzgussteilen reduzieren und sie somit nachhaltiger machen – und dies für die Serienproduktion. Dafür verstärken die Forschenden herkömmliche Bauteile mit hauchdünnen Thermoplast-Tapes, die nur wenige Zehntelmillimeter stark und 5–25 mm breit sind. Die Bänder enthalten Glas-, Carbon- oder Naturfasern in der gleichen Kunststoff-Matrix wie das Bauteil. So lassen sich die Bauteile, die sonst mit materialintensiven Verrippungen oder über hohe Wanddicken versteift werden, mit geringerem Materialeinsatz fertigen. Der Materialverbrauch übersetzt sich unmittelbar in Gewicht, CO₂-Fußabdruck und Produktionskosten.
Durch die neue Technologie kann der Materialverbrauch reduziert und somit alle drei Eigenschaften verbessert werden. Da in allen Komponenten der gleiche Werkstoff verwendet wird, sind die Bauteile einerseits recyclingfähig, die Verstärkung mit Tapes erleichtert aber zudem auch den Einsatz von Recyclingmaterialien in den Bauteilen selbst (Design-for-Recycling).
Mit dieser Methode wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Materialbedarf um bis zu 20 Prozent senken und den CO₂-Ausstoß in allen Lebensphasen deutlich reduzieren. Gleichzeitig bleiben die Stückkosten wettbewerbsfähig und das Recyclingverfahren simpel.
Vorgehen
Die Forschenden wählen zunächst rund 100 typische Spritzgussbauteile aus Branchen wie Transportwesen, Sport und Freizeit, Haushalt und Logistik aus. Sie setzen auf digitale Simulationen (Finite-Elemente-Methode), um die Hauptlastpfade zu identifizieren. Dann bestimmen sie die ideale, kraftflussgerechte Tape-Anordnung und fertigen entsprechende Prototypen.
Im Labor testet das Projektteam die Produktionseinflüsse sowie die Bauteileigenschaften und vergleicht den CO₂-Fußabdruck mit dem von unverstärkten Originalteilen.
Ein Baukasten aus verschiedenen Tools und Softwarelösungen ermöglicht das effiziente Redesign von Spritzgussbauteilen und macht so auch Effekte durch den Verzug beherrschbar. Eine Spritzgießsimulation mit Berücksichtigung der Einflüsse auf den Verzug gewährleistet in Kombination mit einem Algorithmus zur Verzugskompensation die Ableitung optimaler Einlegerkonfigurationen.
Die Projektpartner bauen alle für die Entwicklung und Produktion von Spritzgießbauteilen mit minimalinvasiver lokaler Tapeverstärkung notwendigen Fertigungseinrichtungen auf. Dies umfasst die Herstellung von kosteneffizienten Tapes, die Produktion von Tapeeinlegern, Werkzeuge zur Abmusterung und Entwicklung von Materialien bis zu einer Full-Scale Spritzgießzelle für die Bauteilproduktion. Alle Expertisen und aufgebauten Systeme setzen die Projektbeteiligten zum Transfer der Ergebnisse auf weitere Use-Cases ein.
Die Forschenden wählen zunächst rund 100 typische Spritzgussbauteile aus Branchen wie Transportwesen, Sport und Freizeit, Haushalt und Logistik aus. Sie setzen auf digitale Simulationen (Finite-Elemente-Methode), um die Hauptlastpfade zu identifizieren. Dann bestimmen sie die ideale, kraftflussgerechte Tape-Anordnung und fertigen entsprechende Prototypen.
Im Labor testet das Projektteam die Produktionseinflüsse sowie die Bauteileigenschaften und vergleicht den CO₂-Fußabdruck mit dem von unverstärkten Originalteilen.
Ein Baukasten aus verschiedenen Tools und Softwarelösungen ermöglicht das effiziente Redesign von Spritzgussbauteilen und macht so auch Effekte durch den Verzug beherrschbar. Eine Spritzgießsimulation mit Berücksichtigung der Einflüsse auf den Verzug gewährleistet in Kombination mit einem Algorithmus zur Verzugskompensation die Ableitung optimaler Einlegerkonfigurationen.
Die Projektpartner bauen alle für die Entwicklung und Produktion von Spritzgießbauteilen mit minimalinvasiver lokaler Tapeverstärkung notwendigen Fertigungseinrichtungen auf. Dies umfasst die Herstellung von kosteneffizienten Tapes, die Produktion von Tapeeinlegern, Werkzeuge zur Abmusterung und Entwicklung von Materialien bis zu einer Full-Scale Spritzgießzelle für die Bauteilproduktion. Alle Expertisen und aufgebauten Systeme setzen die Projektbeteiligten zum Transfer der Ergebnisse auf weitere Use-Cases ein.
TALoF
Druckguss für Aluminiumbauteile: Festigkeit erhöhen und Material einsparen
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
30.09.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Intermetallische Legierungen, Magnesium
Hintergrund
Bauteile aus Aluminium finden aufgrund des Gewichtes häufig Anwendung im Automotive-Bereich. Dünnwandige Bauteile verringern den Ressourceneinsatz, erfordern aber eine präzise Steuerung der Festigkeit. Die Festigkeit hängt von der Erstarrungszeit ab – der Phase, in der das flüssige Metall beim Gießen zu festem Material wird. Bei dünnen Wänden kühlt das Aluminium schnell ab. Das führt zu einer feinkörnigen Mikrostruktur, die die mechanische Belastbarkeit verbessert.
Gleichzeitig müssen die Bauteile auch bei hohen Betriebstemperaturen stabil bleiben. Üblicherweise wird die Festigkeit durch eine so genannte T6-Wärmebehandlung erhöht. Dabei werden die Gussteile nach dem Gießen erhitzt und künstlich gealtert, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Dieser Zusatzprozess verbraucht jedoch viel Energie und verursacht hohe CO₂-Emissionen. Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten daher an alternativen Ansätzen, die direkt im Gießprozess ansetzen.
Bauteile aus Aluminium finden aufgrund des Gewichtes häufig Anwendung im Automotive-Bereich. Dünnwandige Bauteile verringern den Ressourceneinsatz, erfordern aber eine präzise Steuerung der Festigkeit. Die Festigkeit hängt von der Erstarrungszeit ab – der Phase, in der das flüssige Metall beim Gießen zu festem Material wird. Bei dünnen Wänden kühlt das Aluminium schnell ab. Das führt zu einer feinkörnigen Mikrostruktur, die die mechanische Belastbarkeit verbessert.
Gleichzeitig müssen die Bauteile auch bei hohen Betriebstemperaturen stabil bleiben. Üblicherweise wird die Festigkeit durch eine so genannte T6-Wärmebehandlung erhöht. Dabei werden die Gussteile nach dem Gießen erhitzt und künstlich gealtert, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Dieser Zusatzprozess verbraucht jedoch viel Energie und verursacht hohe CO₂-Emissionen. Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten daher an alternativen Ansätzen, die direkt im Gießprozess ansetzen.
Ziel
Das Forschungsprojekt TALoF zielt darauf ab, Fertigungsverfahren für Aluminium-Druckgussteile zu entwickeln, die gezielt an kritischen Stellen höhere Festigkeit bieten. Die Forschenden steuern aktiv die Erstarrungszeit, um ein feinkörniges Mikrogefüge zu erzeugen – ohne auf eine T6-Wärmebehandlung zurückzugreifen. Sie setzen dazu zwei Legierungsarten ein: Al-Si-Cu-Legierungen, bei denen der Kupferanteil für besonders hohe Festigkeit sorgt, und Al-Si-Mg-Legierungen, die durch den Magnesiumanteil eine gute Balance zwischen Festigkeit und Duktilität (Verformbarkeit) bieten.
Mit diesem Verfahren will das Projektteam eine Materialeinsparung von über 7 Prozent erreichen, im Einzelfall deutlich mehr, generell bis 30 Prozent, und den Energieverbrauch bei Herstellung und Betrieb senken. Die gewonnenen Materialkennwerte fließen in digitale Simulationen ein und ermöglichen eine präzisere Bauteilberechnung.
Das Forschungsprojekt TALoF zielt darauf ab, Fertigungsverfahren für Aluminium-Druckgussteile zu entwickeln, die gezielt an kritischen Stellen höhere Festigkeit bieten. Die Forschenden steuern aktiv die Erstarrungszeit, um ein feinkörniges Mikrogefüge zu erzeugen – ohne auf eine T6-Wärmebehandlung zurückzugreifen. Sie setzen dazu zwei Legierungsarten ein: Al-Si-Cu-Legierungen, bei denen der Kupferanteil für besonders hohe Festigkeit sorgt, und Al-Si-Mg-Legierungen, die durch den Magnesiumanteil eine gute Balance zwischen Festigkeit und Duktilität (Verformbarkeit) bieten.
Mit diesem Verfahren will das Projektteam eine Materialeinsparung von über 7 Prozent erreichen, im Einzelfall deutlich mehr, generell bis 30 Prozent, und den Energieverbrauch bei Herstellung und Betrieb senken. Die gewonnenen Materialkennwerte fließen in digitale Simulationen ein und ermöglichen eine präzisere Bauteilberechnung.
Vorgehen
Die Forschenden realisieren den Versuchsaufbau am Nockenwellenlagergehäuse, einem wichtigen Bauteil in Nutzfahrzeugen mit komplexer Geometrie. Sie entwickeln eine speziell konzipierte Druckgießform, die den Rückführungsanteil recycelter Metalle auf maximal 30 Prozent beschränkt. Anschließend gießen sie Bauteile mit genau abgestimmten Prozessparametern. Die Forschenden analysieren das Mikrogefüge mithilfe optischer und elektronischer Mikroskopie, messen die Erstarrungszeiten und führen mechanische Belastungstests durch.
Gleichzeitig optimieren sie die Form, um rund die Hälfte der zum Schmelzen des Aluminiums benötigten Energie zurückzugewinnen, wie etwa zur Beheizung von Brauchwasser oder Gebäuden. Die erhobenen Daten erweitern bestehende Simulationsprogramme. Dadurch erhalten Konstrukteurinnen und Konstrukteure verlässliche Werkstoffkennwerte.
Die Forschenden realisieren den Versuchsaufbau am Nockenwellenlagergehäuse, einem wichtigen Bauteil in Nutzfahrzeugen mit komplexer Geometrie. Sie entwickeln eine speziell konzipierte Druckgießform, die den Rückführungsanteil recycelter Metalle auf maximal 30 Prozent beschränkt. Anschließend gießen sie Bauteile mit genau abgestimmten Prozessparametern. Die Forschenden analysieren das Mikrogefüge mithilfe optischer und elektronischer Mikroskopie, messen die Erstarrungszeiten und führen mechanische Belastungstests durch.
Gleichzeitig optimieren sie die Form, um rund die Hälfte der zum Schmelzen des Aluminiums benötigten Energie zurückzugewinnen, wie etwa zur Beheizung von Brauchwasser oder Gebäuden. Die erhobenen Daten erweitern bestehende Simulationsprogramme. Dadurch erhalten Konstrukteurinnen und Konstrukteure verlässliche Werkstoffkennwerte.
TapeCheckSim
Tape-Legen optimieren: Sensorische Prüfung sichert Qualität von Faserverbund-Kunststoffen
Förderlaufzeit:
Start
01.02.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Thermoplaste, Garne, Rovings, Sonstige (UD-Tapes), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK)
Hintergrund
Das Tape-Legen ist eine Fertigungstechnik für die automatisierte Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen. Roboter legen kontinuierliche Faserbänder - sogenannte Tapes-direkt auf eine Form oder Werkzeugoberfläche. Schicht für Schicht entstehen so faserverstärkte Kunststoffbauteile in nahezu endgültiger Form.
Thermoplastische Prepreg-Tapes sind vorimprägniert und ermöglichen damit eine gleichmäßige Materialverteilung und hohe Festigkeit. Sie zeigen jedoch häufig Abweichungen bei Breite, Dicke und Faservolumenanteil. Diese Materialabweichungen führen zu Gassen, Überlappungen und Falten im Verbund, die die Festigkeit und Steifigkeit um bis zu 27 % mindern.
Bestehende Prüfsysteme erkennen Mängel erst nach der Ablage, was lange Inspektionszyklen und aufwendige Nacharbeiten zur Folge hat. Der resultierende Materialverschnitt und die ineffiziente Fehlerbehebung belasten zudem die CO₂-Bilanz der Produktion.
Das Tape-Legen ist eine Fertigungstechnik für die automatisierte Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen. Roboter legen kontinuierliche Faserbänder - sogenannte Tapes-direkt auf eine Form oder Werkzeugoberfläche. Schicht für Schicht entstehen so faserverstärkte Kunststoffbauteile in nahezu endgültiger Form.
Thermoplastische Prepreg-Tapes sind vorimprägniert und ermöglichen damit eine gleichmäßige Materialverteilung und hohe Festigkeit. Sie zeigen jedoch häufig Abweichungen bei Breite, Dicke und Faservolumenanteil. Diese Materialabweichungen führen zu Gassen, Überlappungen und Falten im Verbund, die die Festigkeit und Steifigkeit um bis zu 27 % mindern.
Bestehende Prüfsysteme erkennen Mängel erst nach der Ablage, was lange Inspektionszyklen und aufwendige Nacharbeiten zur Folge hat. Der resultierende Materialverschnitt und die ineffiziente Fehlerbehebung belasten zudem die CO₂-Bilanz der Produktion.
Ziel
Im Forschungsprojekt TapeCheckSim will das Team materialbedingte Fehler aktiv vor dem Tape-Legeprozess ausschließen. Die Forschenden messen die Qualität der Tapes direkt an der Spule und erstellen einen digitalen Zwilling. Dieser erfasst präzise Oberflächenrauheit, geometrische Parameter sowie interne Defekte wie Porosität, Faserbrüche und Faserverteilung.
Mithilfe eines Pre-Build-Simulationsmodells wird prognostiziert, wie sich einzelne Tape-Abschnitte im Bauteil verhalten. Das Modell rechnet mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze fehlerbezogene Abminderungsfaktoren aus und prüft, ob ein Mangel zu kritischen mechanischen Beeinträchtigungen führt. Erkennt das System einen kritischen Einfluss, schneidet es den betroffenen Abschnitt automatisch aus. So will das Projektteam Produktionsstillstände vermeiden, die Nacharbeit reduzieren und den Materialeinsatz optimieren.
Im Forschungsprojekt TapeCheckSim will das Team materialbedingte Fehler aktiv vor dem Tape-Legeprozess ausschließen. Die Forschenden messen die Qualität der Tapes direkt an der Spule und erstellen einen digitalen Zwilling. Dieser erfasst präzise Oberflächenrauheit, geometrische Parameter sowie interne Defekte wie Porosität, Faserbrüche und Faserverteilung.
Mithilfe eines Pre-Build-Simulationsmodells wird prognostiziert, wie sich einzelne Tape-Abschnitte im Bauteil verhalten. Das Modell rechnet mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze fehlerbezogene Abminderungsfaktoren aus und prüft, ob ein Mangel zu kritischen mechanischen Beeinträchtigungen führt. Erkennt das System einen kritischen Einfluss, schneidet es den betroffenen Abschnitt automatisch aus. So will das Projektteam Produktionsstillstände vermeiden, die Nacharbeit reduzieren und den Materialeinsatz optimieren.
Vorgehen
Die Forschenden integrieren moderne Sensorik in den Produktionsprozess. Optische Kameras und Lasersensoren messen präzise Oberflächenbeschaffenheit, Breite und Dicke der Tapes. Zusätzlich entwickeln sie Wirbelstromsensoren zur Bestimmung von Faserbrüchen und der Faserverteilung sowie zur Erfassung von Porosität, da thermoplastische Tapes anfälliger für interne Defekte sind. Die erfassten Daten fließen in die digitale Bahnplanung der Tape-Legeanlage ein. Ein simulativer Ansatz, unterstützt durch neuronale Netze, verknüpft die Qualitätsdaten mit der genauen Lage im Bauteil.
Vor Beginn des Ablegeprozesses simuliert das System das mechanische Verhalten und identifiziert kritische Abschnitte. Diese schneidet es dann gezielt aus, sodass nur qualitativ einwandfreie Tape-Abschnitte verarbeitet werden. Diese Vorgehensweise sichert die Bauteilqualität und verkürzt die Fertigungszeiten erheblich.
Die Forschenden integrieren moderne Sensorik in den Produktionsprozess. Optische Kameras und Lasersensoren messen präzise Oberflächenbeschaffenheit, Breite und Dicke der Tapes. Zusätzlich entwickeln sie Wirbelstromsensoren zur Bestimmung von Faserbrüchen und der Faserverteilung sowie zur Erfassung von Porosität, da thermoplastische Tapes anfälliger für interne Defekte sind. Die erfassten Daten fließen in die digitale Bahnplanung der Tape-Legeanlage ein. Ein simulativer Ansatz, unterstützt durch neuronale Netze, verknüpft die Qualitätsdaten mit der genauen Lage im Bauteil.
Vor Beginn des Ablegeprozesses simuliert das System das mechanische Verhalten und identifiziert kritische Abschnitte. Diese schneidet es dann gezielt aus, sodass nur qualitativ einwandfreie Tape-Abschnitte verarbeitet werden. Diese Vorgehensweise sichert die Bauteilqualität und verkürzt die Fertigungszeiten erheblich.
transComp
Belastbar, leicht und transparent: Tragende Scheiben aus Faserverbundkunststoff entwickeln
Förderlaufzeit:
Start
01.07.21
Ende
31.12.24
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Gelege, Gewebe, Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Faserverbundkunststoffe (FVK) sind im Leichtbau etabliert, weil sie hohe Festigkeit mit geringem Gewicht verbinden. Bisher werden sie jedoch kaum in Anwendungen eingesetzt, bei denen Transparenz gefordert ist – etwa bei Sichtfenstern oder Verglasungen mit tragender Funktion. Klassische Kunststoffscheiben aus Polycarbonat erfüllen zwar optische Anforderungen, können jedoch keine strukturellen Lasten aufnehmen. Auch Kombinationen aus Glas und Kunststoff stoßen bei mechanischer Beanspruchung an Grenzen. Dabei gibt es gerade im Fahrzeug- oder Flugzeugbau einen großen Bedarf an leichten, stabilen und gleichzeitig durchsichtigen Materialien. Hier setzt das Projekt transComp an.
Faserverbundkunststoffe (FVK) sind im Leichtbau etabliert, weil sie hohe Festigkeit mit geringem Gewicht verbinden. Bisher werden sie jedoch kaum in Anwendungen eingesetzt, bei denen Transparenz gefordert ist – etwa bei Sichtfenstern oder Verglasungen mit tragender Funktion. Klassische Kunststoffscheiben aus Polycarbonat erfüllen zwar optische Anforderungen, können jedoch keine strukturellen Lasten aufnehmen. Auch Kombinationen aus Glas und Kunststoff stoßen bei mechanischer Beanspruchung an Grenzen. Dabei gibt es gerade im Fahrzeug- oder Flugzeugbau einen großen Bedarf an leichten, stabilen und gleichzeitig durchsichtigen Materialien. Hier setzt das Projekt transComp an.
Ziel
Die Forschenden untersuchen, wie sich faserverstärkte Kunststoffe so gestalten lassen, dass sie nicht nur tragfähig und leicht sind, sondern auch transparent. Damit will das Team zwei bislang getrennte Materialeigenschaften in einem Werkstoff verbinden.
Ziel des Projektteams ist die Entwicklung von durchsichtigen Kunststoffscheiben, die mechanisch so belastbar sind, dass sie strukturelle Aufgaben übernehmen können. Solche Bauteile könnten beispielsweise in Sicherheitsfahrzeugen eingesetzt werden, wo Verglasungen gleichzeitig Schutz bieten und möglichst wenig wiegen sollen. Das Team untersucht verschiedene Materialkombinationen und Fertigungstechniken, um sowohl thermoplastische als auch duroplastische Lösungen weiterzuentwickeln.
Anhand von Demonstratoren – etwa eines Visiers mit integrierter Heizung – wollen die Forschenden zeigen, dass die Kombination aus Lichtdurchlässigkeit, Stoßfestigkeit und Formbarkeit technisch umsetzbar ist. Neben der Materialentwicklung legen sie einen Fokus auf die CO₂-Bilanz sowie Recyclingfähigkeit der eingesetzten Kunststoffe, um die Umweltauswirkungen der neuen Werkstoffe frühzeitig abschätzen zu können.
Die Forschenden untersuchen, wie sich faserverstärkte Kunststoffe so gestalten lassen, dass sie nicht nur tragfähig und leicht sind, sondern auch transparent. Damit will das Team zwei bislang getrennte Materialeigenschaften in einem Werkstoff verbinden.
Ziel des Projektteams ist die Entwicklung von durchsichtigen Kunststoffscheiben, die mechanisch so belastbar sind, dass sie strukturelle Aufgaben übernehmen können. Solche Bauteile könnten beispielsweise in Sicherheitsfahrzeugen eingesetzt werden, wo Verglasungen gleichzeitig Schutz bieten und möglichst wenig wiegen sollen. Das Team untersucht verschiedene Materialkombinationen und Fertigungstechniken, um sowohl thermoplastische als auch duroplastische Lösungen weiterzuentwickeln.
Anhand von Demonstratoren – etwa eines Visiers mit integrierter Heizung – wollen die Forschenden zeigen, dass die Kombination aus Lichtdurchlässigkeit, Stoßfestigkeit und Formbarkeit technisch umsetzbar ist. Neben der Materialentwicklung legen sie einen Fokus auf die CO₂-Bilanz sowie Recyclingfähigkeit der eingesetzten Kunststoffe, um die Umweltauswirkungen der neuen Werkstoffe frühzeitig abschätzen zu können.
Vorgehen
Das Projektteam entwickelt zunächst geeignete Materialsysteme, bei denen Polymermatrix und Verstärkungsfasern einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen – also das Licht in vergleichbarer Weise brechen. Nur so lassen sich optische Verzerrungen vermeiden und eine klare Durchsicht ermöglichen.
Parallel dazu passen die Forschenden Fertigungsverfahren wie Resin Transfer Molding – bei dem flüssiges Harz in eine Form mit eingelegten Fasern injiziert wird und dort aushärtet –, Heißpressen und Thermoformen so an, dass sich die neuen Materialien in ebener oder auch dreidimensionaler Form verarbeiten lassen. Sie untersuchen sowohl monolithische als auch mehrschichtige Laminatstrukturen, etwa mit Lagen aus FVK, Polycarbonat oder Glas. Einen Schwerpunkt legt das Team auf die Fertigung von Preforms durch Tailored Fibre Placement, mit dem sich Fasern lastpfadgerecht und materialeffizient platzieren lassen.
Die hergestellten Bauteile prüfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hinsichtlich optischer und mechanischer Eigenschaften, etwa durch Dioptrienmessungen und Beschusstests. Abschließend bewerten sie das Verfahren aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht, um Potenziale zur CO₂-Einsparung und zur industriellen Umsetzung zu identifizieren.
Das Projektteam entwickelt zunächst geeignete Materialsysteme, bei denen Polymermatrix und Verstärkungsfasern einen ähnlichen Brechungsindex aufweisen – also das Licht in vergleichbarer Weise brechen. Nur so lassen sich optische Verzerrungen vermeiden und eine klare Durchsicht ermöglichen.
Parallel dazu passen die Forschenden Fertigungsverfahren wie Resin Transfer Molding – bei dem flüssiges Harz in eine Form mit eingelegten Fasern injiziert wird und dort aushärtet –, Heißpressen und Thermoformen so an, dass sich die neuen Materialien in ebener oder auch dreidimensionaler Form verarbeiten lassen. Sie untersuchen sowohl monolithische als auch mehrschichtige Laminatstrukturen, etwa mit Lagen aus FVK, Polycarbonat oder Glas. Einen Schwerpunkt legt das Team auf die Fertigung von Preforms durch Tailored Fibre Placement, mit dem sich Fasern lastpfadgerecht und materialeffizient platzieren lassen.
Die hergestellten Bauteile prüfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hinsichtlich optischer und mechanischer Eigenschaften, etwa durch Dioptrienmessungen und Beschusstests. Abschließend bewerten sie das Verfahren aus ökologischer und wirtschaftlicher Sicht, um Potenziale zur CO₂-Einsparung und zur industriellen Umsetzung zu identifizieren.
TWBlock
Leichtbau mit höchstfestem Stahl: Tailor Welded Blanks mit digitalen Prozessen optimieren
Förderlaufzeit:
Start
01.08.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Sonstige (Tailor Welded Blanks), Stahl, Schichtverbundwerkstoffe
Hintergrund
Tailor Welded Blanks (TWB) sind maßgeschneiderte Bleche, die Stähle unterschiedlicher Festigkeit durch Laserstrahlschweißen verbinden. So können die Eigenschaften der Bauteile genau auf die angestrebten Anwendungen abgestimmt werden. Sie bieten großes Potenzial für den Leichtbau in der Fahrzeug- und Transportbranche. Durch Gewichtseinsparungen tragen sie dazu bei, CO₂-Emissionen zu senken und die Materialeffizienz zu steigern. Trotz dieser Vorteile sind ihre Einsatzmöglichkeiten bisher begrenzt. Schwierigkeiten wie die eingeschränkte Umformbarkeit und die Rückfederung der Schweißnähte erschweren die Nutzung höchstfester Stähle mit Festigkeiten über 800 Megapascal (MPa). Hier setzt das Team von TWBlock an. Die Forschenden entwickeln innovative Lösungen, um den Einsatz noch leistungsfähigerer Materialien zu ermöglichen. Mit digitalen Lösungen wie einem digitalen Zwilling und Blockchain-Anwendungen wollen sie die gesamte Prozesskette optimieren und nachhaltiger gestalten.
Tailor Welded Blanks (TWB) sind maßgeschneiderte Bleche, die Stähle unterschiedlicher Festigkeit durch Laserstrahlschweißen verbinden. So können die Eigenschaften der Bauteile genau auf die angestrebten Anwendungen abgestimmt werden. Sie bieten großes Potenzial für den Leichtbau in der Fahrzeug- und Transportbranche. Durch Gewichtseinsparungen tragen sie dazu bei, CO₂-Emissionen zu senken und die Materialeffizienz zu steigern. Trotz dieser Vorteile sind ihre Einsatzmöglichkeiten bisher begrenzt. Schwierigkeiten wie die eingeschränkte Umformbarkeit und die Rückfederung der Schweißnähte erschweren die Nutzung höchstfester Stähle mit Festigkeiten über 800 Megapascal (MPa). Hier setzt das Team von TWBlock an. Die Forschenden entwickeln innovative Lösungen, um den Einsatz noch leistungsfähigerer Materialien zu ermöglichen. Mit digitalen Lösungen wie einem digitalen Zwilling und Blockchain-Anwendungen wollen sie die gesamte Prozesskette optimieren und nachhaltiger gestalten.
Ziel
Das Projektteam arbeitet daran, TWBs aus höchstfesten Stählen mit Festigkeiten bis zu 1.000 MPa in die Serienfertigung zu bringen. Ziel ist es, die Schweiß- und Umformprozesse besser miteinander zu verknüpfen und die Eigenschaften der Materialien simulationsgestützt präzise zu modellieren. Mithilfe eines digitalen Zwillings versuchen sie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Schweißnaht und Umformprozess zu verstehen und zu optimieren. Zusätzlich integriert das Team Blockchain-Technologien, um die Daten entlang der gesamten Produktionskette transparent und nachvollziehbar zu machen. Durch diese Ansätze möchten die Forschenden dazu beitragen CO₂ einzusparen und den Stahl-Leichtbau in der Fahrzeugindustrie voranzubringen. Gleichzeitig will das Team die Effizienz der Fertigung verbessern und die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten fördern.
Das Projektteam arbeitet daran, TWBs aus höchstfesten Stählen mit Festigkeiten bis zu 1.000 MPa in die Serienfertigung zu bringen. Ziel ist es, die Schweiß- und Umformprozesse besser miteinander zu verknüpfen und die Eigenschaften der Materialien simulationsgestützt präzise zu modellieren. Mithilfe eines digitalen Zwillings versuchen sie die komplexen Wechselwirkungen zwischen Material, Schweißnaht und Umformprozess zu verstehen und zu optimieren. Zusätzlich integriert das Team Blockchain-Technologien, um die Daten entlang der gesamten Produktionskette transparent und nachvollziehbar zu machen. Durch diese Ansätze möchten die Forschenden dazu beitragen CO₂ einzusparen und den Stahl-Leichtbau in der Fahrzeugindustrie voranzubringen. Gleichzeitig will das Team die Effizienz der Fertigung verbessern und die Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten fördern.
Vorgehen
Die Forschenden beginnen mit der umfassenden Analyse von Materialien und Schweißnähten. Sie führen Tests durch, um die mechanischen Eigenschaften der höchstfesten Stähle und deren Verhalten während des Schweißens und Umformens zu bestimmen. Diese Ergebnisse fließen in die Entwicklung eines digitalen Zwillings ein, der die komplexen Prozesse simuliert. Das Team verwendet ihn, um die Schweiß- und Umformprozesse gezielt zu verbessern und das Leichtbaupotenzial der TWBs besser auszuschöpfen. Blockchain-Technologien sichern die Integrität der Daten und erleichtern die Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern. Abschließend überprüft das Team die Ergebnisse an einem Demonstrator, einem Fahrzeug-Längsträger, unter realen industriellen Bedingungen, um die Grundlage zu schaffen, TWBs aus höchstfesten Stählen in die Serienfertigung zu überführen.
Die Forschenden beginnen mit der umfassenden Analyse von Materialien und Schweißnähten. Sie führen Tests durch, um die mechanischen Eigenschaften der höchstfesten Stähle und deren Verhalten während des Schweißens und Umformens zu bestimmen. Diese Ergebnisse fließen in die Entwicklung eines digitalen Zwillings ein, der die komplexen Prozesse simuliert. Das Team verwendet ihn, um die Schweiß- und Umformprozesse gezielt zu verbessern und das Leichtbaupotenzial der TWBs besser auszuschöpfen. Blockchain-Technologien sichern die Integrität der Daten und erleichtern die Zusammenarbeit zwischen den Projektpartnern. Abschließend überprüft das Team die Ergebnisse an einem Demonstrator, einem Fahrzeug-Längsträger, unter realen industriellen Bedingungen, um die Grundlage zu schaffen, TWBs aus höchstfesten Stählen in die Serienfertigung zu überführen.
ULAS E-VAN
E-Transporter leichter machen: innovative Karosserie mit modularem Batterieträgersystem
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
30.11.24
Anwendung:
Material:
Aluminium, Sonstige Kunststoffe
Hintergrund
Kleine Lieferfahrzeuge mit bis zu 3,5 Tonnen zulässigem Gesamtgewicht werden branchenübergreifend für den Transport von Waren und Material eingesetzt. Bisher werden Transporter dieser Klasse überwiegend mit Verbrennungsmotoren betrieben. Damit die Dekarbonisierung des Verkehrssektors gelingt, werden zunehmend mehr batteriebetriebene Vans benötigt.
Sind die Kleintransporter mit einem elektrischen Antrieb versehen, erhöht sich durch das hohe Batterie-Gewicht jedoch das Leergewicht. In der Folge sinkt die mögliche Nutzlast der Fahrzeuge. Um das Gewicht von batteriebetriebenen Lieferfahrzeugen zu senken und die mögliche Nutzlast und Reichweite zu erhöhen sowie Kosten zu senken, können innovative Leichtbau-Ansätze genutzt werden.
Kleine Lieferfahrzeuge mit bis zu 3,5 Tonnen zulässigem Gesamtgewicht werden branchenübergreifend für den Transport von Waren und Material eingesetzt. Bisher werden Transporter dieser Klasse überwiegend mit Verbrennungsmotoren betrieben. Damit die Dekarbonisierung des Verkehrssektors gelingt, werden zunehmend mehr batteriebetriebene Vans benötigt.
Sind die Kleintransporter mit einem elektrischen Antrieb versehen, erhöht sich durch das hohe Batterie-Gewicht jedoch das Leergewicht. In der Folge sinkt die mögliche Nutzlast der Fahrzeuge. Um das Gewicht von batteriebetriebenen Lieferfahrzeugen zu senken und die mögliche Nutzlast und Reichweite zu erhöhen sowie Kosten zu senken, können innovative Leichtbau-Ansätze genutzt werden.
Ziel
Forschende aus Industrie und Forschung arbeiten im Projekt Ulas E-Van an Lösungen, um das Gewicht von batteriebetriebenen Kleintransportern durch Leichtbau entscheidend zu reduzieren und damit die Reichweite zu erhöhen. Auch zielen sie darauf ab, bei unveränderter Reichweite die Batteriegröße, das Sekundärgewicht und somit Batteriekosten zu verringern. Hierzu entwickelt das Konsortium eine neuartige Karosseriestruktur und ein modulares und skalierbares Batterieträgersystem für kleine Elektro-Nutzfahrzeuge.
Forschende aus Industrie und Forschung arbeiten im Projekt Ulas E-Van an Lösungen, um das Gewicht von batteriebetriebenen Kleintransportern durch Leichtbau entscheidend zu reduzieren und damit die Reichweite zu erhöhen. Auch zielen sie darauf ab, bei unveränderter Reichweite die Batteriegröße, das Sekundärgewicht und somit Batteriekosten zu verringern. Hierzu entwickelt das Konsortium eine neuartige Karosseriestruktur und ein modulares und skalierbares Batterieträgersystem für kleine Elektro-Nutzfahrzeuge.
Vorgehen
Die Forschenden setzen hierzu insbesondere auf moderne CAE (Computer Aided Engineering)-Methoden, also rechnergestützte Entwicklungs- und Fertigungsansätze. Für die Aufbaustruktur soll die im Flugzeugbau bewährte Spanten-Stringer-Bauweise in den Nutzfahrzeugbau mit höheren Produktionszahlen übertragen werden. Hierzu nutzen die Forschenden simulationsgetriebene Bauteilentwicklung (Simulation Driven Design). So sollen die Spanten mit Hilfe von Simulationen einteilig und bionisch-optimiert konstruiert werden.
Für die Außenhaut werden vorgefertigte großflächige, strukturelle Kunststoffteile, die mit der Tragstruktur lasttragend verbunden sind, entwickelt. Hierzu legt das Projektteam 3D-Druckverfahren für die Herstellung von großen Strukturbauteilen und größere Stückzahlen aus. Im Unterboden integrieren die Forschenden ein lasttragendes, ultra-leichtes, skalierbares und modulares Batterieträgersystem, welches die Karosseriestruktur in Hinsicht auf Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Crash-Sicherheit unterstützt.
Die Forschenden setzen hierzu insbesondere auf moderne CAE (Computer Aided Engineering)-Methoden, also rechnergestützte Entwicklungs- und Fertigungsansätze. Für die Aufbaustruktur soll die im Flugzeugbau bewährte Spanten-Stringer-Bauweise in den Nutzfahrzeugbau mit höheren Produktionszahlen übertragen werden. Hierzu nutzen die Forschenden simulationsgetriebene Bauteilentwicklung (Simulation Driven Design). So sollen die Spanten mit Hilfe von Simulationen einteilig und bionisch-optimiert konstruiert werden.
Für die Außenhaut werden vorgefertigte großflächige, strukturelle Kunststoffteile, die mit der Tragstruktur lasttragend verbunden sind, entwickelt. Hierzu legt das Projektteam 3D-Druckverfahren für die Herstellung von großen Strukturbauteilen und größere Stückzahlen aus. Im Unterboden integrieren die Forschenden ein lasttragendes, ultra-leichtes, skalierbares und modulares Batterieträgersystem, welches die Karosseriestruktur in Hinsicht auf Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Crash-Sicherheit unterstützt.
UVPult
Nachverformbare Profile fertigen: innovative UV-Pultrusion für Faserverstärkte Kunststoffe
Förderlaufzeit:
Start
01.09.21
Ende
31.08.25
Anwendung:
Material:
Glasfasern, Duroplaste, Sonstige (UV-härtbare Harze), Glasfaserverbundkunststoffe (GFK)
Hintergrund
Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit im Fahrzeugbau erfordern innovative Lösungen. Leichtbauansätze spielen dabei eine zentrale Rolle, um CO₂-Emissionen zu reduzieren und das Gewicht von Fahrzeugen zu minimieren. Leichte Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten durch ihre Anpassungsfähigkeit und Festigkeit großes Potenzial, herkömmliche Materialien wie Stahl zu ersetzen. Ein bewährtes Herstellungsverfahren für FVK-Profile ist die Pultrusion, bei der die Materialien kontinuierlich durch ein formgebendes Werkzeug gezogen und dort ausgehärtet werden. Bisherige Pultrusionsverfahren sind jedoch darauf beschränkt, Profile mit gleichbleibendem Querschnitt herzustellen, was ihren Einsatz für komplexere Anwendungen begrenzt. Um die Flexibilität und Anwendungsbreite dieser Technologie zu erweitern, entwickelt das Team im Projekt UVPult ein neuartiges Verfahren, um nachverformbare Pultrusionsprofile herzustellen, die neben ihrer hohen Wirtschaftlichkeit auch ökologische Vorteile bieten.
Die steigenden Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit im Fahrzeugbau erfordern innovative Lösungen. Leichtbauansätze spielen dabei eine zentrale Rolle, um CO₂-Emissionen zu reduzieren und das Gewicht von Fahrzeugen zu minimieren. Leichte Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bieten durch ihre Anpassungsfähigkeit und Festigkeit großes Potenzial, herkömmliche Materialien wie Stahl zu ersetzen. Ein bewährtes Herstellungsverfahren für FVK-Profile ist die Pultrusion, bei der die Materialien kontinuierlich durch ein formgebendes Werkzeug gezogen und dort ausgehärtet werden. Bisherige Pultrusionsverfahren sind jedoch darauf beschränkt, Profile mit gleichbleibendem Querschnitt herzustellen, was ihren Einsatz für komplexere Anwendungen begrenzt. Um die Flexibilität und Anwendungsbreite dieser Technologie zu erweitern, entwickelt das Team im Projekt UVPult ein neuartiges Verfahren, um nachverformbare Pultrusionsprofile herzustellen, die neben ihrer hohen Wirtschaftlichkeit auch ökologische Vorteile bieten.
Ziel
Ziel der Forschenden ist es, eine innovative Pultrusionstechnologie zu entwickeln, die erstmals das nachträgliche Umformen von FVK-Profilen ermöglicht. Das Team nutzt dazu Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und verarbeitet diese mit UV-härtenden Harzen, um eine präzise steuerbare Aushärtung zu ermöglichen. Das Ergebnis sind GFK-Profile, die sich durch Leichtigkeit, Stabilität und Kosteneffizienz auszeichnen und in der Serienfertigung eingesetzt werden können – etwa als Koppelstangen in Fahrzeugen. Mit dieser Technologie wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur das Gewicht und damit den Energieverbrauch während der Fahrzeugnutzung senken, sondern auch den Energiebedarf in der Produktion deutlich reduzieren.
Ziel der Forschenden ist es, eine innovative Pultrusionstechnologie zu entwickeln, die erstmals das nachträgliche Umformen von FVK-Profilen ermöglicht. Das Team nutzt dazu Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und verarbeitet diese mit UV-härtenden Harzen, um eine präzise steuerbare Aushärtung zu ermöglichen. Das Ergebnis sind GFK-Profile, die sich durch Leichtigkeit, Stabilität und Kosteneffizienz auszeichnen und in der Serienfertigung eingesetzt werden können – etwa als Koppelstangen in Fahrzeugen. Mit dieser Technologie wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht nur das Gewicht und damit den Energieverbrauch während der Fahrzeugnutzung senken, sondern auch den Energiebedarf in der Produktion deutlich reduzieren.
Vorgehen
Zunächst entwickeln die Forschenden neue UV-härtende Harze und innovative LED-UV-Strahler, die eine zonenweise und schaltbare Härtung ermöglichen. Den Pultrusionsprozess gestalten sie so, dass bestimmte Bereiche des Profils vorerst teilausgehärtet bleiben. Diese Abschnitte lassen sich im Anschluss umformen und final aushärten, wodurch komplexe Geometrien realisiert werden können.
Gleichzeitig entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Werkzeuge und Verfahren, um diese Prozesse zu automatisieren und in bestehende Produktionslinien zu integrieren. Abschließend testen sie die Technologie an Demonstratoren wie den geplanten Koppelstangen und validieren umfassend deren mechanische und funktionale Eigenschaften.
Aufgrund seines Innovationspotenzials ist UVPult als Finalist der renommierten JEC Innovation Awards 2025 im Bereich Automobil und Transport ausgezeichnet.
Zunächst entwickeln die Forschenden neue UV-härtende Harze und innovative LED-UV-Strahler, die eine zonenweise und schaltbare Härtung ermöglichen. Den Pultrusionsprozess gestalten sie so, dass bestimmte Bereiche des Profils vorerst teilausgehärtet bleiben. Diese Abschnitte lassen sich im Anschluss umformen und final aushärten, wodurch komplexe Geometrien realisiert werden können.
Gleichzeitig entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Werkzeuge und Verfahren, um diese Prozesse zu automatisieren und in bestehende Produktionslinien zu integrieren. Abschließend testen sie die Technologie an Demonstratoren wie den geplanten Koppelstangen und validieren umfassend deren mechanische und funktionale Eigenschaften.
Aufgrund seines Innovationspotenzials ist UVPult als Finalist der renommierten JEC Innovation Awards 2025 im Bereich Automobil und Transport ausgezeichnet.
VliesComp
Carbonfasern recyceln: Hybridvliesstoffe für industriellen Leichtbau
Förderlaufzeit:
Start
01.11.20
Ende
31.10.23
Anwendung:
Material:
Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, Duroplaste, Thermoplaste, Vliesstoffe, Matten, Aramidfaserverbundkunststoffe (AFK), Kohlenstofffaserverbundkunststoffe (CFK), Naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK)
Hintergrund
In der klassischen Fertigung von technischen Textilien fällt viel Abfall durch Zuschnittreste an. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Industrie, nachhaltige und ressourcenschonende Alternativen zu entwickeln. Herkömmliche Verstärkungsstoffe wie Endlosfasertextilien stoßen hier an ihre Grenzen.
Eine Lösung bieten hybride Faservliesstoffe, die recycelte Materialien und thermoplastische Komponenten kombinieren. Sie ermöglichen nicht nur die Wiederverwendung von Abfällen, sondern senken auch die Umweltbelastung. Wie diese Stoffe zu Leichtbaukomponenten für den Werkzeugmaschinenbau, für E-Maschinen oder in der Medizintechnik verarbeitet werden können, erforscht das Projekt VliesComp.
In der klassischen Fertigung von technischen Textilien fällt viel Abfall durch Zuschnittreste an. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Industrie, nachhaltige und ressourcenschonende Alternativen zu entwickeln. Herkömmliche Verstärkungsstoffe wie Endlosfasertextilien stoßen hier an ihre Grenzen.
Eine Lösung bieten hybride Faservliesstoffe, die recycelte Materialien und thermoplastische Komponenten kombinieren. Sie ermöglichen nicht nur die Wiederverwendung von Abfällen, sondern senken auch die Umweltbelastung. Wie diese Stoffe zu Leichtbaukomponenten für den Werkzeugmaschinenbau, für E-Maschinen oder in der Medizintechnik verarbeitet werden können, erforscht das Projekt VliesComp.
Ziel
Ziel des Projektteams ist es, recycelte Fasern aus Produktionsabfällen in leistungsfähige Materialien für den Leichtbau zu integrieren und die recycelten Fasern so ökologisch und wirtschaftlich nutzbar zu machen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Hybridvliesstoffen, die aus thermoplastischen und recycelten Verstärkungsfasern bestehen.
Diese Materialien sollen nicht nur ressourcenschonend, sondern auch kosteneffizient und vielseitig einsetzbar sein. Die Forschenden wollen dabei nicht die maximal mögliche mechanische Festigkeit erreichen, sondern maßgeschneiderte Materialien für konkrete industrielle Anwendungen entwickeln.
Ziel des Projektteams ist es, recycelte Fasern aus Produktionsabfällen in leistungsfähige Materialien für den Leichtbau zu integrieren und die recycelten Fasern so ökologisch und wirtschaftlich nutzbar zu machen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung von Hybridvliesstoffen, die aus thermoplastischen und recycelten Verstärkungsfasern bestehen.
Diese Materialien sollen nicht nur ressourcenschonend, sondern auch kosteneffizient und vielseitig einsetzbar sein. Die Forschenden wollen dabei nicht die maximal mögliche mechanische Festigkeit erreichen, sondern maßgeschneiderte Materialien für konkrete industrielle Anwendungen entwickeln.
Vorgehen
Das Projektteam definiert zunächst die Anforderungen an Materialien und Prozesse. Anschließend entwickeln die Forschenden neue Technologien für hybride Vliesstoffe, indem sie recycelte Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Bestandteilen kombinieren. So entstehen Materialien, die sich in zahlreichen Feldern Anwendungspotential besitzen. Mithilfe moderner Prozesssteuerung und digitaler Zwillinge optimiert das Team die Fertigungsschritte und testet die Materialien in realen Bauteilen.
Erste Anwendungen gelingen bereits: Bauteile wie Dämpfungselemente oder Gehäuseabdeckungen können die Forschenden vollständig aus recycelten Fasern fertigen. Dabei verbessern sie die CO₂-Bilanz der Komponenten erheblich – bei einigen Fertigungsverfahren um bis zu 70 Prozent. Und dies bei gleichbleibender technischer Leistung.
Das Projektteam definiert zunächst die Anforderungen an Materialien und Prozesse. Anschließend entwickeln die Forschenden neue Technologien für hybride Vliesstoffe, indem sie recycelte Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Bestandteilen kombinieren. So entstehen Materialien, die sich in zahlreichen Feldern Anwendungspotential besitzen. Mithilfe moderner Prozesssteuerung und digitaler Zwillinge optimiert das Team die Fertigungsschritte und testet die Materialien in realen Bauteilen.
Erste Anwendungen gelingen bereits: Bauteile wie Dämpfungselemente oder Gehäuseabdeckungen können die Forschenden vollständig aus recycelten Fasern fertigen. Dabei verbessern sie die CO₂-Bilanz der Komponenten erheblich – bei einigen Fertigungsverfahren um bis zu 70 Prozent. Und dies bei gleichbleibender technischer Leistung.
WAAMlight
Komplexe Stahlknoten ressourcenschonend und effizient fertigen: per Lichtbogen-3D-Druck
Förderlaufzeit:
Start
01.12.21
Ende
31.05.25
Anwendung:
Material:
Stahl
Hintergrund
Architektonisch anspruchsvolle Tragwerke im Stahlbau werden zunehmend komplexer – und damit schwieriger herzustellen. Vor allem bei räumlich gekrümmten Strukturen mit geringer Wiederholungsrate, wie sie etwa im neuen Stuttgarter Hauptbahnhof realisiert werden, stoßen klassische Fertigungsverfahren an ihre Grenzen. Die dafür nötigen Stahlknotenbauteile müssen in kleinteiliger Handarbeit geschweißt, gefräst oder gegossen werden. Das ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern auch ressourcenaufwändig.
Parallel steigen die Anforderungen an nachhaltige Bauweisen: Benötigt werden Lösungen, die Material einsparen, langlebig sind und eine gute CO₂-Bilanz aufweisen. Additive Fertigungsverfahren – insbesondere das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), ein 3D-Druckverfahren bei dem Metallbauteile schichtweise durch Lichtbogenschweißen aus Draht aufgebaut werden – versprechen hier einen Ausweg. Sie ermöglichen komplexe Geometrien, die sich an natürlichen Vorbildern orientieren, mit hoher Effizienz herzustellen. Doch der Einsatz im großformatigen Stahlleichtbau steckt noch in den Anfängen – hier setzt das Forschungsprojekt WAAMlight an.
Architektonisch anspruchsvolle Tragwerke im Stahlbau werden zunehmend komplexer – und damit schwieriger herzustellen. Vor allem bei räumlich gekrümmten Strukturen mit geringer Wiederholungsrate, wie sie etwa im neuen Stuttgarter Hauptbahnhof realisiert werden, stoßen klassische Fertigungsverfahren an ihre Grenzen. Die dafür nötigen Stahlknotenbauteile müssen in kleinteiliger Handarbeit geschweißt, gefräst oder gegossen werden. Das ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern auch ressourcenaufwändig.
Parallel steigen die Anforderungen an nachhaltige Bauweisen: Benötigt werden Lösungen, die Material einsparen, langlebig sind und eine gute CO₂-Bilanz aufweisen. Additive Fertigungsverfahren – insbesondere das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), ein 3D-Druckverfahren bei dem Metallbauteile schichtweise durch Lichtbogenschweißen aus Draht aufgebaut werden – versprechen hier einen Ausweg. Sie ermöglichen komplexe Geometrien, die sich an natürlichen Vorbildern orientieren, mit hoher Effizienz herzustellen. Doch der Einsatz im großformatigen Stahlleichtbau steckt noch in den Anfängen – hier setzt das Forschungsprojekt WAAMlight an.
Ziel
Das Projektteam verfolgt das Ziel, Stahlknotenbauteile mit komplexen Geometrien ressourceneffizient, funktionsgerecht und gestalterisch hochwertig additiv herzustellen – und damit die Grundlage für einen breiten industriellen Einsatz dieser Technik im Leichtbau zu schaffen. Im Zentrum steht der Transfer von WAAM in den konstruktiven Stahlbau, insbesondere für bionisch inspirierte Knotenstrukturen mit hohem Gestaltungsspielraum. Dazu wollen die Forschenden neue Konstruktionsmethoden und Bemessungs-konzepte entwickeln, die auf die Besonderheiten des WAAM-Verfahrens eingehen. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren, Material gezielt dort einzusetzen, wo es mechanisch notwendig ist, und durch die Kombination verschiedener Stahlsorten lokal optimierte Festigkeiten zu erreichen. Einen weiteren Fokus legen die Projektbeteiligten auf den Korrosionsschutz additiv gefertigter Bauteile – ein kritischer Aspekt für die Langlebigkeit. Langfristig soll WAAMlight zur Etablierung neuer Standards im Leichtbau beitragen und die CO₂-Bilanz von Tragwerken signifikant verbessern.
Das Projektteam verfolgt das Ziel, Stahlknotenbauteile mit komplexen Geometrien ressourceneffizient, funktionsgerecht und gestalterisch hochwertig additiv herzustellen – und damit die Grundlage für einen breiten industriellen Einsatz dieser Technik im Leichtbau zu schaffen. Im Zentrum steht der Transfer von WAAM in den konstruktiven Stahlbau, insbesondere für bionisch inspirierte Knotenstrukturen mit hohem Gestaltungsspielraum. Dazu wollen die Forschenden neue Konstruktionsmethoden und Bemessungs-konzepte entwickeln, die auf die Besonderheiten des WAAM-Verfahrens eingehen. Ziel ist es, Gewicht zu reduzieren, Material gezielt dort einzusetzen, wo es mechanisch notwendig ist, und durch die Kombination verschiedener Stahlsorten lokal optimierte Festigkeiten zu erreichen. Einen weiteren Fokus legen die Projektbeteiligten auf den Korrosionsschutz additiv gefertigter Bauteile – ein kritischer Aspekt für die Langlebigkeit. Langfristig soll WAAMlight zur Etablierung neuer Standards im Leichtbau beitragen und die CO₂-Bilanz von Tragwerken signifikant verbessern.
Vorgehen
Das Projektteam analysiert den gesamten Fertigungsprozess – vom digitalen Entwurf bis zur verzinkten Endkomponente. Zu Beginn entwerfen die Forschenden bionisch inspirierte Knotenstrukturen, die sie mithilfe von Topologieoptimierung materialeffizient gestalten. Dabei nutzen sie numerische Simulationsmethoden, um Gewicht, Festigkeit und Steifigkeit optimal abzustimmen.
In der Fertigung setz das Team das WAAM-Verfahren ein: Schweißroboter tragen schichtweise Schweißdraht auf – schnell, flexibel und mit hohem Materialauftrag. Zusätzlich erproben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Methoden zur werkstoffgerechten Steuerung von Festigkeiten durch den Einsatz verschiedener Stahlsorten.
Zur Qualitätssicherung untersuchen sie die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Bauteile, ebenso wie Verzug, Eigenspannungen und Oberflächengüte. Auch die Korrosionsbeständigkeit testen sie umfassend – ein zentraler Schritt für die Baupraxis. Abschließend entwickeln die Forschenden Bemessungsansätze und Richtlinien zur normgerechten Auslegung und Anwendung der neuartigen WAAM-Knoten im Stahlbau.
Das Projektteam analysiert den gesamten Fertigungsprozess – vom digitalen Entwurf bis zur verzinkten Endkomponente. Zu Beginn entwerfen die Forschenden bionisch inspirierte Knotenstrukturen, die sie mithilfe von Topologieoptimierung materialeffizient gestalten. Dabei nutzen sie numerische Simulationsmethoden, um Gewicht, Festigkeit und Steifigkeit optimal abzustimmen.
In der Fertigung setz das Team das WAAM-Verfahren ein: Schweißroboter tragen schichtweise Schweißdraht auf – schnell, flexibel und mit hohem Materialauftrag. Zusätzlich erproben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Methoden zur werkstoffgerechten Steuerung von Festigkeiten durch den Einsatz verschiedener Stahlsorten.
Zur Qualitätssicherung untersuchen sie die mechanisch-technologischen Eigenschaften der Bauteile, ebenso wie Verzug, Eigenspannungen und Oberflächengüte. Auch die Korrosionsbeständigkeit testen sie umfassend – ein zentraler Schritt für die Baupraxis. Abschließend entwickeln die Forschenden Bemessungsansätze und Richtlinien zur normgerechten Auslegung und Anwendung der neuartigen WAAM-Knoten im Stahlbau.
WallConnEct
Automatisiert und nachhaltig bauen: Carbonbeton-Wände mit integrierter Elektrotechnik
Förderlaufzeit:
Start
01.10.21
Ende
31.07.24
Anwendung:
Material:
Kohlenstofffasern, Garne, Rovings, Sonstige (Carbonbeton)
Hintergrund
Elektroinstallationen in Gebäuden sind oft ineffizient und verbrauchen große Mengen an Material. Besonders in Büro- und Gewerbebauten führen aufwendige Verkabelungen zu hohen Kosten und unnötigem Ressourcenverbrauch. Gleichzeitig wächst der Druck, nachhaltiger zu bauen, um CO₂-Emissionen zu senken und Rohstoffe zu schonen.
Ein vielversprechender Ansatz ist Carbonbeton – ein innovativer Werkstoff, der dünnere und leichtere Wandelemente ermöglicht. Doch herkömmliche Elektroinstallationen sind für diese Bauweise ungeeignet: Die Verlegung von Kabeln in Leerrohren oder Installationsschächten lässt sich in schlanken Bauteilen kaum umsetzen. Hier setzt das Forschungsprojekt WallConnEct an, das eine effizientere und nachhaltigere Lösung für die automatisierte Produktion von Carbonbeton-Wänden mit integrierter Elektroinstallation entwickelt.
Elektroinstallationen in Gebäuden sind oft ineffizient und verbrauchen große Mengen an Material. Besonders in Büro- und Gewerbebauten führen aufwendige Verkabelungen zu hohen Kosten und unnötigem Ressourcenverbrauch. Gleichzeitig wächst der Druck, nachhaltiger zu bauen, um CO₂-Emissionen zu senken und Rohstoffe zu schonen.
Ein vielversprechender Ansatz ist Carbonbeton – ein innovativer Werkstoff, der dünnere und leichtere Wandelemente ermöglicht. Doch herkömmliche Elektroinstallationen sind für diese Bauweise ungeeignet: Die Verlegung von Kabeln in Leerrohren oder Installationsschächten lässt sich in schlanken Bauteilen kaum umsetzen. Hier setzt das Forschungsprojekt WallConnEct an, das eine effizientere und nachhaltigere Lösung für die automatisierte Produktion von Carbonbeton-Wänden mit integrierter Elektroinstallation entwickelt.
Ziel
Das Projektteam will eine innovative Wandkonstruktion entwickeln, in der die Elektroinfrastruktur bereits ab Werk in Carbonbeton-Fertigteile integriert ist. Damit wollen die Forschenden den Materialeinsatz bei der Verkabelung um bis zu 90 Prozent reduzieren und die Bauzeit erheblich verkürzen. Grundlage bildet der industrielle Kommunikationsstandard AS-Interface (ASi-5), der Daten- und Energieübertragung über eine einzige Leitung ermöglicht.
Die Forschenden entwickeln vollautomatische modulare Fertigungsverfahren für Betonfertigteile, um eine intelligente und ressourcenminimierte Elektroinstallation direkt in die Wandelemente einzubauen. Industrieroboter und andere automatisierte Systeme sollen künftig alle Einbauteile und Systemkomponenten vollautomatisch in die Wände einfügen – ein Prozess, der bislang händisch und wenig effizient erfolgt.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die digitale Vorplanung der Wandelemente. Kabelverläufe, Einbauteile und Bewehrungen sollen bereits in der Planung exakt definiert werden. Die Forschenden treiben zudem die Anpassung bestehender Installations- und Verkabelungsstandards voran.
Durch die neuen Technologien lassen sich Materialeinsparungen erzielen, der Energieaufwand reduzieren und Bauprozesse insgesamt effizienter gestalten. So entsteht eine Bauweise, die ressourcenschonend, wirtschaftlich und zugleich CO₂-reduziert ist.
Das Projektteam will eine innovative Wandkonstruktion entwickeln, in der die Elektroinfrastruktur bereits ab Werk in Carbonbeton-Fertigteile integriert ist. Damit wollen die Forschenden den Materialeinsatz bei der Verkabelung um bis zu 90 Prozent reduzieren und die Bauzeit erheblich verkürzen. Grundlage bildet der industrielle Kommunikationsstandard AS-Interface (ASi-5), der Daten- und Energieübertragung über eine einzige Leitung ermöglicht.
Die Forschenden entwickeln vollautomatische modulare Fertigungsverfahren für Betonfertigteile, um eine intelligente und ressourcenminimierte Elektroinstallation direkt in die Wandelemente einzubauen. Industrieroboter und andere automatisierte Systeme sollen künftig alle Einbauteile und Systemkomponenten vollautomatisch in die Wände einfügen – ein Prozess, der bislang händisch und wenig effizient erfolgt.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die digitale Vorplanung der Wandelemente. Kabelverläufe, Einbauteile und Bewehrungen sollen bereits in der Planung exakt definiert werden. Die Forschenden treiben zudem die Anpassung bestehender Installations- und Verkabelungsstandards voran.
Durch die neuen Technologien lassen sich Materialeinsparungen erzielen, der Energieaufwand reduzieren und Bauprozesse insgesamt effizienter gestalten. So entsteht eine Bauweise, die ressourcenschonend, wirtschaftlich und zugleich CO₂-reduziert ist.
Vorgehen
Das Projektteam untersucht zunächst, wie sich die AS-Interface-Technologie direkt in dünnwandige Wandelemente integrieren lässt. Dafür entwickeln die Forschenden neue Installationskomponenten, die für die geringe Wandstärke und die speziellen Anforderungen von Carbonbeton optimiert sind. In Laborversuchen testen sie, wie sich Kabel und Sensoren automatisch in die Schalung einbringen lassen, ohne die Stabilität des Bauteils zu beeinträchtigen.
Parallel entwickeln sie robotergestützte Fertigungssysteme, die eine vollautomatische Integration der Elektroinstallation im Produktionsprozess ermöglichen. Diese Systeme optimieren die Forschenden schrittweise, um die präzise Platzierung und sichere Einbettung der elektrischen Komponenten zu gewährleisten. Anschließend testen sie die entwickelten Verfahren an exemplarischen Bauteilen, bevor sie Prototypen fertigen und umfangreiche Praxistests durchführen.
Das Ergebnis ist eine industriell einsetzbare Lösung, die Betonfertigteilwerke nutzen können, um Elektroinstallationen ressourcenschonend und effizient direkt in Carbonbeton-Bauelemente zu integrieren.
Das Projektteam untersucht zunächst, wie sich die AS-Interface-Technologie direkt in dünnwandige Wandelemente integrieren lässt. Dafür entwickeln die Forschenden neue Installationskomponenten, die für die geringe Wandstärke und die speziellen Anforderungen von Carbonbeton optimiert sind. In Laborversuchen testen sie, wie sich Kabel und Sensoren automatisch in die Schalung einbringen lassen, ohne die Stabilität des Bauteils zu beeinträchtigen.
Parallel entwickeln sie robotergestützte Fertigungssysteme, die eine vollautomatische Integration der Elektroinstallation im Produktionsprozess ermöglichen. Diese Systeme optimieren die Forschenden schrittweise, um die präzise Platzierung und sichere Einbettung der elektrischen Komponenten zu gewährleisten. Anschließend testen sie die entwickelten Verfahren an exemplarischen Bauteilen, bevor sie Prototypen fertigen und umfangreiche Praxistests durchführen.
Das Ergebnis ist eine industriell einsetzbare Lösung, die Betonfertigteilwerke nutzen können, um Elektroinstallationen ressourcenschonend und effizient direkt in Carbonbeton-Bauelemente zu integrieren.