Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau

In der Abteilung Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau werden Komponenten und Systeme aus faserverstärkten und unverstärkten Kunststoffen in der Ganzheitlichkeit von Werkstoff, Konstruktion, Fertigung und Einsatz ausgelegt, prototypisch gebaut und/oder bewertet.
Dieses umfasst die Untersuchung und Optimierung der Eigenschaften und Lebensdauer unter besonderer Berücksichtigung der realen, einsatzspezifischen Betriebsbeanspruchungen und Umgebungsbedingungen. Darüber hinaus unterstützen wir bei der Entwicklung und Optimierung von „Leichtbau-“systemen mit und ohne Integration.

Abteilung Betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau

„Leichtbau“ bedeutet in diesem Zusammenhang die Realisierung einer Gewichtsminderung bei hinreichender Steifigkeit, dynamischer Stabilität und Betriebsfestigkeit. Hierbei ist zu gewährleisten, dass die entwickelten Bauteile und Konstruktionen ihre Aufgabe über die Einsatzdauer sicher erfüllen.
Die Stabilität beeinflussenden Faktoren wie Steifigkeit, Dämpfung, Masseverteilung und Stabilität einer Konstruktion werden durch Parameter wie Material, Geometrie (Formgebung), Bauweise (Fertigung) und Kosten bestimmt. Hinsichtlich der Festigkeit erfordern zyklische Betriebsbelastungen eine Bauteilauslegung gegenüber Ermüdung (Betriebsfestigkeit) unter Berücksichtigung nicht nur der Werkstoffe, sondern auch der konstruktiven Formgebung, des Herstellungsprozesses, der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Feuchte und Medien sowie der Kosten.
Leichtbau heißt somit aus Sicht der betriebssicheren Konstruktion immer einen ökonomischen Kompromiß zwischen Gewichtsminderung auf der einen und sicherer Konstruktion auf der anderen Seite zu finden.

Sonderformen des Leichtbaus: Funktionsintegrierter Leichtbau
Ziel ist es durch die Zusammenfassung/Integration verschiedenen Funktionen in ein Bauteil das Gewicht zu reduzieren. Unter Funktionsintegration wird hier die Zusammenfassung mehrere passiver, aktiver oder auch sensorischer Funktionen in einem Bauteil verstanden. Das Bauteil wird dadurch komplexer, die Anzahl der Einzelteile aus denen sich Bauteil zusammensetzt aber geringer. Durch die Funktionsintegration lassen sich Kosten, Fertigungsaufwand, Bauraum und Gewicht einsparen.

Leistungsangebot

  • Experimentelle Charakterisierung neuer Leichtbaumaterialien
  • Bewertung und Optimierung der Betriebsfestigkeit von Leichtbaustrukturen, z. B. über Methoden der integrativen Simulation, auch unter Umweltbelastung
  • Auslegung und prototypische Fertigung konventioneller, faserverstärkter und funktionsintegrierter Kunststoffbauteile
  • Entwicklung angepasster Berechnungs- und Prüfverfahren für Kunststoffbauteile
  • Entwicklung und Bewertung angepasster SHM-Systeme
  • Schadensfortschrittuntersuchungen mit Hilfe von 4d-CT (inSitu CT)

Branchen & Märkte

  • Fahrzeughersteller (OEM, Zulieferer, …)
  • Verschiedenste Komponentenhersteller
  • Materialhersteller (Kunststoffe)
  • Windkraft

Ansprechpartner zu folgenden Arbeitsthemen & -gruppen

Anfragen können in der Abteilung ganzheitlich abgedeckt werden. Wir unterstützen gerne bei der Produktentwicklung.

Experimentelle Betriebsfestigkeitsbewertung Kunststoffe

Contact Press / Media

M.Eng. Julia Decker

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstr. 47
64289 Darmstadt

Telefon +49 6151 705-491

Konstruktion

Contact Press / Media

Dipl.-Ing. Erik Bormann

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF LBF
Bartningstr. 53
64289 Darmstadt

Telefon +49 6151 705-8485

Simulation faserverstärkte Kunststoffe

Ausgesuchte Projektbeispiele:

 

Ice Protection mit strukturiertem Nanomaterial

Das Fraunhofer LBF hat im Jahr 2012 ein neuartiges Ice- Protection-System für Flugzeuge basierend auf Carbon Nano Tubes (CNT) entwicklelt, gebaut und getestet. Die Tests wurden in einem Klimawindkanal bei Temperaturen bis zu -18° C durchgeführt. Insgesamt drei Tragflächen- Vorderkantensegmente wurden dabei untersucht. Zwei enthielten das nichtmetallische Heizsystem in mehreren Heizzonen in verschiedenen Konfigurationen, und ein Segment diente als Referenz ohne ein Heizsystem. Die Tests waren der Höhepunkt mehrerer Jahre von Entwicklung und Verbesserung und basierten u. a. auf der Simulation der thermischen, elektrischen und aerodynamischen Rahmenbedingungen. Die Erprobung im Windkanal zeigte eine vielversprechende Leistung sowohl im De-Icing-Modus (ausgehend von einem künstlich vereisten Flügel) als auch im Anti-Icing-Modus (Verhinderung von Eisablagerung beim simulierten Flug durch Wolken bei niedrigen Temperaturen).
 

Faserverbundrad mit integriertem Elektromotor

Durch ein geringeres Fahrzeuggewicht wird bei vergleichbaren Fahrleistungen eine geringere Antriebsleistung erforderlich. Es entstehen geringere Schadstoffemissionen. Leichtbau stellt demnach eine Schlüsseltechnologie in der Automobilentwicklung dar. Darüber hinaus macht das hohe Batteriegewicht bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen Leichtbaubestrebungen letztlich unumgänglich.
 

Leichtbaupotenziale besser ausnutzen: Innendruckprüfkörper MultiTester

Von der Spritzgußsimulation bis hin zur Bauteilprüfung: Die Abteilung betriebsfester und funktionsintegrierter Leichtbau hat einen neuartigen Innendruckprüfkörper den „MultiTester“ entwickelt. Mit dem MultiTester kann die gesamte Prozesskette untersucht werden. Beginnend von der rheologischen Balancierung eines Bauteils über den Spritzgussprozess bis hin zur Materialcharakterisierung und Bauteilprüfung. Um betriebsfesten und funktionsintegrierten Leichtbau zu betreiben ist die Kenntnis von systembeeinflussenden Größen auf die Festigkeit und Zuverlässigkeit unabdingbar.
 

Kosteneffiziente Sicherheit im Flugzeugbau

Innovativere Produkte mit erhöhter Dauerfestigkeit und Sicherheit: Sicherheit bedeutet nicht nur ein schadensfreies Betriebsleben sondern auch die zuverlässige Früherkennung von Schäden. Dies soll u. a. zu einer Reduktion der Wartungskosten führen. Das Fraunhofer LBF arbeitet an neue Technologien und Konzepten für sicherere Produkte . Neben den klassischen Wöhler- und Gassner-Linien, die seit Jahrzehnten als Kernelemente für Material- und Bauteilcharakterisierung gelten, entwickelt das Institut neue Konzepte und Strategien, die operativen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanfragen entgegen kommen.