Projekte

Die vier Hauptphasenprojekte der BMBF-Forschungscampus-Initiative sind:

KonText

Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbaustrukturen in Großserie

Motivation und Fragestellung

Der Einsatz klassischer FVK-Materialien mit duroplastischer Matrix in der automobilen Großserie wird trotz ihres großen Leichtbaupotenzials durch die kosten- und zeitaufwendige Fertigung behindert. Dies ist im Wesentlichen auf die energieintensive Herstellung, die hohen Verschnittkosten und die verhältnismäßig aufwendige Prozesstechnologie (schlechte Automatisierbarkeit) zurückzuführen.

Ein Lösungsansatz zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit ist die Nutzung klassischer großserientechnischer Fertigungsverfahren (z. B. Umformen) für den Einsatz thermoplastischer Matrixsysteme sowie die angepasste, kraftflussgerechte Fertigung der Preforms. Neben der Entwicklung der Anlagentechnik zur effizienten Fertigung der kraftflussgerechten Textilien inklusive deren Qualitätssicherung ergeben sich aus der Verwendung thermoplastischer Matrices verschiedene Herausforderungen, wie etwa die Kompatibilität von Kohlenstofffaser und Matrix oder die effektive Imprägnierung und Umformung der Textilien.

Projektziele und -inhalte

Das Verbundprojekt „Kontinuierliche kraftflussgerechte Textiltechnologien für Leichtbau-strukturen in Großserie (KonText)“ hat zum Ziel, eine Produktionstechnologie bereitzustellen, mit der es möglich ist, lastpfadgerechte, thermoplastische Faserverbundbauteile kosteneffizient mit hoher Qualität herzustellen. Als Kennwerte ist angestrebt, ein Bauteil in Faserverbundbauweise zu fertigen, das 25% leichter ist, als das aktuelle Referenzbauteil und um 30% günstiger, als in klassischer CFK-Fertigung.


MultiMaK2

Entwicklung von Design- und Bewertungstools für nutzungsgerechte, ökologisch optimierte Multi-Material- KFZ-Bauteilkonzepte in der Großserie

Motivation und Fragestellung

Die Multi-Material-Bauweise ist aus wirtschaftlicher und technischer Sicht für die Automobilbranche interessant, um leichte und günstige Bauteile zu entwickeln. Bei der Multi-Material-Bauweise werden metallische Werkstoffe mit Faser-Kunststoff-Verbunden kombiniert. Diese neue Bauweise erfordert weitreichendes Wissen bezüglich FKV, deren Fügetechnologien und deren Fertigungstechnik. Dieses Wissen ist in der Automobilbranche nicht im benötigten Umfang vorhanden oder nicht so weit aufbereitet, dass es auf die spezifischen Problemstellungen anwendbar ist. Zudem gehen Leichtbaukonstruktionen in der Produktion häufig mit erhöhten Umweltlasten einher, die in der Nutzungsphase durch Minderverbrauch kompensiert werden sollen. In der Regel findet nur eine nachträgliche Ökobilanzierung des fertigen Produktes statt, während sich eine Berücksichtigung von ökologischen Zielgrößen bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung mangels Entscheidungsunterstützung durch geeignete Softwaretools schwierig gestaltet.

Projektziele und -inhalte

Die im Rahmen von MultiMaK2 entwickelten Softwaretools zur Entscheidungsunterstützung ermitteln die zu bewertenden Bauteileigenschaften (u.a. Gewicht, Steifigkeit, Festigkeit, Kosten und Ökobilanz) auf Basis von analytischen und empirischen Modellen bereits auf Konzeptebene in einer frühen Phase der Produktentstehung und ermöglichen dadurch einen durch Kennzahlen abgesicherten Vergleich verschiedener Bauteilkonzepte. Unter Berücksichtigung der technologischen Entwicklungen der Parallelprojekte im Forschungscampus Open Hybrid LabFactory sowie den lebenszyklusorientierten Auswirkungen in verschiedenen Nutzungsszenarien werden zudem Gestaltungsregeln für Produkte und Prozesse abgeleitet.


ProVorPlus

Funktionsintegrierte Prozesstechnologie zur Vorkonfektionierung und Bauteilherstellung von FVK-Metall-Hybriden

Motivation und Fragestellung

Um das wirtschaftliche Potenzial des FVK-basierten Leichtbaus zu steigern, wird die Herstellung von Komponenten mit einer bauteilintegrierten Hybridisierung angestrebt. Hierbei werden unterschiedliche Materialien mit verschiedenen Eigenschaften zu einem Bauteil kombiniert, wodurch eine Funktionalisierung (mechanisch, thermisch, akustisch und elektrisch) der einzelnen Werkstoffe ermöglicht wird.

Mit dem Ansatz einer bauteilintegrierten Hybridisierung geht die Notwendigkeit zur Entwicklung entsprechender Produktionstechnologien einher, welche es ermöglichen entsprechende Bauteilkomplexitäten (z.B. für den lastpfadgerechten Aufbau) automatisiert und effizient in einer durchgängigen Prozesskette herstellen zu können. Aufgrund der meist werkstoff- und bauteilspezifisch ausgelegten Fertigungstechnologien, ist die Fertigung von schalenförmigen Bauteilen im Multi-Material-Mix mit den heute verfügbaren Verfahren, Anlagen- und Werkzeugtechnologien nicht wirtschaftlich. Daher werden Prozessketten benötigt, welche über die bisher werkstoffspezifisch orientierter Anlagenkonzepte hinausgehen und eine hohen Automatisierungsgrad sicherstellen.

Projektziele und -inhalte

Das Verbundprojekt zielt auf die Bereitstellung einer Produktionstechnologie und den Aufbau einer durchgängigen Prozesskette zur großserientauglichen Herstellung von schalenförmigen faserverstärkten Thermoplast-Metall-hybriden Strukturbauteilen ab. Sie soll es ermöglichen, lastpfadoptimierte und funktionsintegrierte Bauteile durch den Einsatz von vorkonfektionierten Multi-Material-Vorformlingen (Metall und FVK) herzustellen und somit Bauteile ohne weitere Fügeoperationen in einem (kombinierten) Umform-/Urform-Prozess in einem Takt zu fertigen. Die Umsetzung der Prozesskette erfolgt anhand der Fertigung eines Demonstratorbauteils in der Open Hybrid LabFactory.


TRoPHy2

Thermoplastische, rollgeformte Profile in Hybridbauweise

Motivation und Fragestellung

Karosseriebauweisen mit strukturtragenden, metallischen Profilen erzielen erhebliche Gewichtseinsparungen (Space-Frame-Technologie), stoßen aber materialdichtebedingt an Grenzen. Faserkunststoff-Verbunde (FKV) entfalten ihre extrem hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten besonders bei Belastung in Faserlängsrichtung. Nachteilig für automobile Großserien sind dabei vorrangig der geringe Automatisierungsgrad sowie hohe Materialkosten. Komplexe Verbindungstechniken sowie geringe Schadenstoleranz gegenüber Schlagbeanspruchungen (Impact) stellen weitere Einschränkungen dar. Ein breiter Einsatz von FKV im Automobilbau ist nur mit hohem Automatisierungsgrad sowie werkstoff- und fertigungsgerechtem Design erreichbar. Bisher wird weder das volle Leichtbaupotential ausgenutzt noch konnten FKV-Bauteile zu konkurrenzfähigen Kosten hergestellt werden. Thermoplastische Kunststoffe als Matrices werden wegen ihrer kurzen Prozesszeiten, vergleichsweise geringen Kosten, Schweißbarkeit, nachträglichen Umformbarkeit, chemischen Beständigkeit und Schlagzähigkeit besonders günstig beurteilt. Die Kombination der Materialien Kohlenstofffasern, Thermoplast und Metall zu einem Hybridwerkstoff verspricht ein hohes Potenzial, da jeweils die Vorteile aus allen Werkstoffen in dem Hybrid genutzt werden können. Diese Faserverbund-Metall-Hybridwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix (FHMT) sind Untersuchungsgegenstand des Projektes TRoPHy2.

Projektziele und –inhalte

Im Projekt TRoPHy2 wird eine Pilotanlage entwickelt, gebaut und analysiert, mit der Metallprofile mit Kohlenstofffasern und thermoplastischer Matrix zu einem Hybridprofil hergestellt werden können. Die notwendigen Fertigungsprozesse werden untersucht und validiert, damit zum Projektende ein strukturmechanisch optimiertes, hybrides Strukturbauteil mit der Anlage gefertigt werden kann, welches die Gewichtseinsparpotenziale hybrider Werkstoffe darstellt.