Prozess- und Bauteilentwicklung für multifunktionale Leichtbauanwendungen

Neue Werkstoffentwicklungen bedingen Konstruktionen, in denen deren herausragende Eigenschaften möglichst effektiv genutzt werden. Das reine Ersetzen vorhandener Materialien ist hierbei nicht zielführend. Zum Erzielen eines hohen Leichtbaugrads sind Konstruktionen so zu gestalten, dass eingesetzte Leichtbauwerkstoffe gezielt ihr Potenzial ausschöpfen.

Das Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg wählt hierfür die geeigneten Konstruktionsprinzipien unter Berücksichtigung fertigungstechnischer Realisierbarkeit aus. Über die umfangreiche Messtechnik werden die für Simulationen notwendigen Kennwerte ermittelt und zugehörige Materialkarten erstellt. Mittels FE-Auslegung werden u. a. lastpfadgerechte und topologieoptimierte Produkte realisiert.

Zusätzlich werden numerische Prozesssimulationen für Gießprozesse durchgeführt. Das Technikum der OHLF erlaubt es, Ergebnisse vom Labormaßstab auf Prototypenstrukturen zu übertragen und diese zu testen. Über den Vergleich der Testsergebnisse werden diese Simulationen abgesichert.

Schwerpunkte:

• Leichtbaugerechte Konstruktion
• Erstellen von Materialkarten
• Auslegung von FKV/Hybridbauteilen mittels FE-Simulation
• Topologieoptimierung, lastpfadgerechte Auslegung
• Numerische Prozesssimulationen für Gießprozesse
• Testen und Validieren der Ergebnisse

Halbzeuge bilden die Grundlage nahezu aller Fertigungsverfahren. Sie sind handhabbar, standardisier- und in industriellen Maßen herstellbar und können auf ihre entsprechende Anwendung zugeschnitten werden. Das Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg adressiert daher, in Zusammenarbeit mit seinen Partnern aus Forschung und Industrie, die Entwicklung neuartiger als auch die Optimierung bestehender Halbzeuglösungen.

Entlang der textilen Wertschöpfungskette werden hybride, ressourceneffiziente und nachhaltige Entwicklungen auf Basis von Geweben, Gelegen sowie auch langfaserbasierten Halbzeugen erstellt. Sowohl Glas-, Kohlenstoff-, Polymer- und Naturfasern umfassen das Portfolio. Durch die Imprägnierung mit unterschiedlichsten Matrixwerkstoffen können maßgeschneiderten und in jede Fertigung integrierbaren Verbundwerkstoffe hergestellt werden. Mit Furnieren und textilen Dekormaterialien können Produktoberflächen zudem zusätzlich veredelt werden.

Schwerpunkte:

• Lastpfadgerechte Multiaxialgelege
• Hybride Jacquardgewebe
• Langfaserverstärkte Halbzeuge durch Faserspritzen
• Thermoplastische und duromere Verbundwerkstoffe
• Polymer-, Holz- und Metallschäume
• Oberflächenveredelung Textil- und Naturwerkstoffe

Bei nahezu allen technischen Oberflächen spielen deren Funktionalität und Zustand eine entscheidende Rolle für die Qualität resultierender Produkte oder durchzuführender Verarbeitungsschritte. Das Fraunhofer-Projektzentrum Wolfsburg, mit langjährigen Erfahrungen und Kompetenzen im Bereich der Oberflächentechnik, erforscht und entwickelt industrietaugliche, maßgeschneiderte Lösungen zum effizienten, bedarfsgerechten Modifizieren und Funktionalisieren von verschiedensten Werkstoffoberflächen für multifunktionale Leichtbauanwendungen.

Je nach Anwendungsfall und Anforderungsprofil an die resultierende Oberfläche können dabei unterschiedliche inline-fähige plasma-, laser- oder VUV-Strahlungsbasierte Techniken zur Reinigung, Aktivierung oder funktionellen Beschichtung direkt in industrielle Produktionsketten integriert werden.

Zudem werden auch fertigungsintegrierte Konzepte zur Prozessüberwachung und Qualitätssicherung entwickelt.

Bedarfsgerechte Oberflächenmodifizierung durch:

• Atmosphärendruck-Plasmatechnik
• Lasertechnik
• VUV-Excimer-Technik
• Funktionelle Beschichtungen

Mit dem vermehrten Einsatz von selbststeuernden Anlagen und autonomen Fahrzeugen nimmt die Vernetzung von industriellen Anlagen sowie Fahrzeugen immer weiter zu. Dadurch wächst der Bedarf an Daten zur Zustandsüberwachung beständig, der insbesondere über bauteilintegrierte Sensoren gedeckt wird. Darüber hinaus ermöglichen sogenannte »Smart Tools«, intelligente Werkzeuge mit erweiterten Funktionen, ortsaufgelöste Messungen von Belastungen in vielfältigen industriellen Einsatzgebieten.

Vielfach ist der Einsatz konventioneller Sensoren aufgrund des vorhandenen Bauraums nicht möglich. Dünnschichtsensoren bieten hier vielfältige Möglichkeiten der Integration von sensorischen Funktionen, wie Kraft-, Druck-, Dehnungs- und Temperaturmessung in bestehende Werkzeuge und Bauteile und insbesondere in Hauptbelastungszonen. Entsprechende Sensorsysteme werden individuell konzeptioniert, designt und prototypisch, z. B. auf Kundenbauteilen, hergestellt. Das Angebot des Fraunhofer-Projektzentrums Wolfsburg umfasst ebenfalls die Testphase sowie den Transfer in die industrielle Fertigung.

Dünnschichtsensortechnologien:

• Multisensorsystem – universell und individuell
• Piezoresistive Dünnschichtsensorik zur Kraftmessung
• Dünnschichtsensorik zur exakten Temperaturdetektion
• Anwendungsspezifische Sensorsysteme

In der Großserienproduktion haben Leichtbaukomponenten im Multi-Material-Design bislang keinen nennenswerten Stellenwert. Bei der Kombination faserverstärkter Kunststoffe (FVK) mit Metallen sind bei der Herstellung – aufgrund der heterogenen Werkstoffpartner – jedoch meist mehrere Prozessstufen notwendig. Dabei kommen mehrere Werkzeuge und Anlagen zum Einsatz.

Die One-Tool-Technologie steht für die Reduzierung von Prozessstufen. Für die Herstellung eines Hybridbauteils wird nur ein Werkzeug benötigt. Es entfallen vorgelagerte Prozesse und damit können die Fertigungskosten reduziert werden. Das macht die Anwendung von Hybridbauteilen im Großserieneinsatz attraktiver. Je nach verwendetem Material lassen sich Funktionen und Eigenschaften im Prozess gleich integrieren. Bei einer Kombination von Metalltiefziehen und Kunststoffspritzguss kann z. B. die Schmelze das Metall partiell verformen und einen Hinterschnitt erstellen. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit des Bauteils.

Schwerpunkte:

• Tiefziehen und Spritzguss in einem Werkzeug
• Fügen verschiedener Werkstoffe
• Funktionsintegration
• Ausformung von Hinterschnitten

Im Leichtbau kommen zunehmend zukunftsweisende Materialverbund-Systeme zum Einsatz. Die klassischen Metalle behalten dabei einen sehr hohen Stellenwert im großserientauglichen Leichtbau und die Motivation eines belastungsgerechten Materialeinsatzes bleibt unverändert. So können verschiedene Metalle mit ihren individuellen Eigenschaften einen großen Beitrag zum Leichtbau sowie zur Funktionsintegration leisten.

Während klassische Metall-Metall-Verbindungskonzepte einen nachträglichen Fügeprozess durch Schweißen, Kleben oder mechanisches Fügen vorsehen, können die Metall-Metall-Verbundgusskonzepte für verschiedene Anwendungsfälle direkt im Gießprozess einer Aluminiumkomponente realisiert werden. So lassen sich hochintergrierte, komplexe Multimaterialbauteile unter Einsparung von Fertigungsschritten umsetzen.

Schwerpunkte:

• Metall-Metall-Verbundguss für innovative Gussbauteile
• Herstellung gegossener Salzkerne im Niederdruck-Kokillenguss