Projekte

Zur Reduzierung des Fahrzeuggewichtes und des Kraftstoffverbrauchs werden im Automobil zunehmend Kunststoffkomponenten verbaut, unter anderem auch im Motorraum. Neben Motorabdeckungen, Kabeln oder Kabelverbindungen werden auch lasttragende Teile aus Metall, wie z.B. die Motorhalterung, durch Kunststoffteile ersetzt. Da hierfür eine hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist, hat sich für solche Anwendungen Polyamid 6.6 (mit Glasfaseranteil) etabliert. Da es sich hierbei praktisch um eine Außenanwendung handelt, sind die Polyamidbauteile neben der erhöhten Temperatur auch unterschiedlichen Luftfeuchten ausgesetzt, was bei Polyamid bekanntermaßen zu hydrolytisch bedingter Schädigung führt. Der Einfluss der Umgebungsfeuchte und des resultierenden Wassergehaltes in den Kunststoffteilen wurde bisher aber weder in Prüfverfahren zur Lebensdauerbestimmung von Kunststoffen noch in den Modellen zur Lebensdauervorhersage ausreichend berücksichtigt.

Wir untersuchen den Einfluss von Schweißprozessen und Nachbehandlungsverfahren auf die Betriebsfestigkeit. Wir wenden bewährte Bewertungskonzepte an und entwicklen neue Methoden zu Lebensdauerabschätzung.

Die in diesem Projekt entwickelten Methoden gestatten es, zukünftig die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Antriebsstrang-Komponenten effizienter zu bewerten und damit eine zeit- und kostenoptimierte Entwicklung zu unterstützen.

Für eine schnelle und nachhaltig erfolgreiche Überführung in die breite Anwendung spielt die zuverlässige und effiziente Gestaltung von Wasserstoff-Brennstoffzellsystemen eine wichtige Rolle. Daher ist es wichtig die Werkstoffe, Komponenten sowie das System frühzeitig möglichst entwicklungsbegleitend und betriebsnah, kosteneffizient und flexibel zu validieren, ohne dass das Gesamtsystem (z. B. Automobil) fertiggestellt oder vorhanden sein muss. Cyber-physikalische Test- und Validierungsmethoden, sowohl im Rahmen der Entwicklung als auch der finalen Absicherung, sind hierfür die Lösung.

Häufig werden tretkraftunterstützte Fahrräder (Pedelecs oder E-Bikes) oder elektrische Leicht-Kraftfahrzeuge saisonabhängig für einen längeren Zeitraum nicht genutzt. Um mögliche Einschränkungen zu vermeiden und konsequent auch bei längeren Zeiträumen der Nicht-Benutzung die gewünschte Langlebigkeit des Energiespeichers zu gewährleisten, wurde im Fraunhofer LBF ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer besonders energieeffizienten, dauerhaften und kontinuierlichen Speicherüberwachung entwickelt.

Hochvolt-Energiespeicher in Leichtbauweise für elektrifizierte Sattelauflieger.

Das Reibschweißen ist eine Fügetechnik mit der sich Bauteile schnell und effizient fügen lassen. Es können dabei auch Werkstoffkombinationen gefügt werden, die mit konventionellen Scheißverfahren nicht zuverlässig gefügt werden können. Zu Projektbeginn existierten jedoch noch keine Bewertungskonzepte, mit der die Schwingfestigkeit reibgeschweißter Bauteile abgeschätzt werden konnten. Eine Anwendung der Bewertungskonzepte für lichtbogengeschweißte Verbindungen war nicht zielführend, da die versagenskritischen Kerben gänzlich unterschiedliche Charakteristika aufweisen. Nach Abschluss des Projekts steht nun eine Bewertungsmethodik zur Verfügung, mit der eine zuverlässige Bemessung möglich ist.

Im Rahmen des Leitprojektes Elektrokalorische Wärmepumpe ElKaWe entwickelt die Fraunhofer-Gesellschaft eine Wärmepumpe, welche ohne klimaschädliches Kältemittel oder Kompressor auskommt und sich den elektrokalorischen Effekt zu Nutzen macht. Um die Langzeitstabilität einer Wärmepumpe im Betrieb zu gewährleisten, finden seitens Fraunhofer LBF analytische und experimentelle Untersuchungen zur Zuverlässigkeit hochbeanspruchte Bauteile, wie das eigenentwickelte Federmembranventil, statt.

Predictive Maintenance und Online-Monitoring im Fahrzeugbau erfordern eine genaue Charakterisierung von den zu überwachenden Komponenten. Zusammen mit BMW hat das Fraunhofer LBF eine neue Methodik zur vereinfachten Erprobung und Charakterisierung von strukturintegrierten Hochvoltspeichern entwickelt. Hierbei wird ein Teil der Karosserie mit integriertem Hochvoltspeicher auf einem multiaxialen Schwingtisch getestet. Lagerungen mit einstellbarer Steifigkeit bilden die Steifigkeit der übrigen Karosserie nach und ermöglichen es schnell unterschiedliche Szenarien zu testen.

Herausforderungen auf dem Weg zur Wasserstoffwirtschaft: Maßgeschneiderte Analyse- und Versuchskonzepte für die Entwicklung von mit Wasserstoff beaufschlagten Produkte.

In diesem Projekt hat das LBF während der Corona-Pandemie 3D-gedruckte Komponenten für kostengünstige Beatmungsgeräte von den Gewinnern der »Give a Breath-Challenge«, eine gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft und der Munich RE, auf ihre Systemzuverlässigkeit untersucht und Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt.

Kunststoffbauteile sind im Betrieb wechselnden Umwelteinflüssen und komplexen Belastungskollektiven ausgesetzt. Für eine belastbare Lebensdauerabschätzung ist es erforderlich, Alterungs- und Versagensmechanismen besser zu verstehen, Schädigungen frühzeitig zu erkennen und hieraus Alterungs- und Versagensmodelle abzuleiten. Für Industriepartner werden auf die jeweilige Anwendung zugeschnittene Prüfmethoden und Prüfprotokolle entwickelt.

Im Projekt DMD4Future wurde eine strukturierte Basis geschaffen, um sämtliche Daten und Prozesse der Kunststoffbauteilauslegung in einer sogenannten Ontologie abzubilden und Wirkzusammenhänge zu beschreiben. Dies ermöglicht im nächsten Schritt über bspw. maschinelles Lernen die Identifikation von neuen Wechselwirkungen und die Ableitung von neuen Leichtbaupotenzialen.

Am Ende einer erfolgreichen Produktentwicklung steht der Nachweis der Produkteignung. Ein oft aufwändiger Aspekt ist dabei der experimentelle Nachweis der Lebensdauer unter Betriebsbedingungen. Im Fraunhofer LBF wurden methodische Kompetenzen der Lebensdauerbewertung mit Technologien der Schwingungstechnik zusammengeführt und weiterentwickelt.

Die additive Fertigung stößt derzeit in vielen Bereichen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus auf ein stetig wachsendes Interesse. Um die Zuverlässigkeit derartig gefertigter Bauteile besser gestalten zu können, hat das Fraunhofer LBF mit den AM FATIGUE LABS ein neues Laboratorium für realitätsnahe Simulationen entwickelt, mit welchen sich verlässliche Bemessungskennwerte zur Auslegung solcher, additiv gefertigter Bauteile ermitteln lassen.

Die entwickelte Methode ermöglicht die präzise Ermittlung des biaxialen Verhaltens von Elastomeren bei extremen Temperaturen. Beim Aufblasen einer kreisförmig eingespannten Elastomerplatte kann bei homogenen Werkstoffen, mittels der seitlichen Aufnahme mit einer einzelnen Kamera die Dehnung der Blase über eine automatische Auswertesoftware erfasst werden.

Der praktische Nutzen und Vorteil eines Komponentenlebensdauerversuches wird maßgeblich durch die realitätsnahe Umsetzung aller relevanten Komponentenbelastungen entsprechend den realen Betriebsbelastungen bestimmt. Komponenten von Pumpen unterliegen sowohl einer mechanischen als auch einer hydraulischen Belastung. Die lokalen Dehnungsmaxima an entsprechenden Elastomerbauteilen resultieren dabei in der Regel aus der Überlagerung beider Belastungsarten. Für die Lebensdauer von Komponenten spielen gerade diese maximalen Dehnungen eine entscheidende Rolle. Die synchrone Umsetzung beider Belastungen dient zur Absicherung der Lebensdauer und erhöht die Produktqualität.

Bewertung unkonventioneller Prozesstechnologien für Aluminiumknetlegierungen der 7xxx-Serie: Im Rahmen des Teilprojekts am Fraunhofer LBF wurden diverse Fertigungseinflüsse auf das zyklische Material- sowie das Schädigungsverhalten der Aluminiumlegierung EN AW-7075 vom Kurzzeit- bis zum Langzeitfestigkeitsbereich untersucht.

Kunststofftypische Eigenschaften durch Blending verbessern, ohne die Wärmeleitfähigkeiten zu reduzieren. Wärmeleitfähige Polyamid 6 Blends mit hoher Fließfähigkeit.

Produkte zielgerichtet auslegen und die Zuverlässigkeit von Systemen erhöhen: Methodik zur experimentellen Lebensdaueruntersuchung thermooxidativ gealteter Elastomerbauteile

Effiziente und schadstoffarme Hybridkonzepte für Nutzfahrzeuge: mehr Reichweite, niedrigere Gesamtbetriebskosten, Compressed Natural Gas, Validierung im realen Betrieb

Im Entwicklungsprozess für neue Räder werden die strukturdynamischen Eigenschaften bei den Zulieferern anhand von numerischen Modellen abgeschätzt. Zur Validierung dieser Eigenschaften fordern die Automobilhersteller experimentelle Nachweise dieser Eigenschaften. Dazu müssen die ersten neue gefertigten Räder nach speziellen Vorgaben der OEM mit Methoden der experimentellen Strukturdynamik untersucht werden. Auf Basis langjähriger Erfahrung sind dem Fraunhofer LBF diese Methoden und auch Vorgaben der OEM bekannt. Radherstellern, denen entsprechende Kompetenzen fehlen bieten wir die Durchführung der geforderten Experimente und also die Erbringung der Nachweise an. Gerne unterstützen Radhersteller auch beim Kompetenzaufbau bzgl. der experimentellen Strukturdynamik.

3D gedruckte Bauteile finden zunehmend auch in strukturellen Anwendungen Einsatz. In diesem Zusammenhang ist es relevant die mechanischen Eigenschaften detailliert beschreiben zu können, sowie für die Auslegung passende Methoden bereitzustellen. Im Projekt AddiSim werden diese Aspekte für selektiv lasergesinterten (SLS) PA12 Bauteile untersucht. Dabei liegt ein Hauptaugenmerk in der Beschreibung des Einflusses der Positionierung und der Orientierung der Bauteile im Druckraum. In unterschiedlichen Ausrichtungen gedruckte, aber baugleiche Teile besitzen sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

Im Projekt SET Level arbeitet das Fraunhofer LBF mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft an einer effizienten Simulationstechnologie. Diese soll flexibel für unterschiedliche Anwendungen und Stufen in der Fahrzeugentwicklung einsetzbar sein, einen nennenswerten Anteil der benötigten Fahrtests in die Simulation verlagern und damit Freigabe- und Zulassungsverfahren absichern und verkürzen.

Technologien zur schnellen Anpassung an wechselnde Anforderungen bei betriebsbedingten Veränderungen strukturdynamischer Eigenschaften von mechanischen Systeme z.B. für Intralogistiksysteme, Werkzeugmaschinen, Fahrzeuge

DNAguss steht für durchgängige numerische Auslegung entlang der Prozesskette von Gussbauteilen und ist ein innovatives Forschungsprojekt, das sich auf die Optimierung der Konstruktion von Gussbauteilen am Beispiel des Werkstoffs EN-GJS-400-18-LT konzentriert. Das Ziel des Projekts ist es, alle Softwaretools, die während des Konstruktionsprozesses von Gussbauteilen verwendet werden, in einer einzigen Softwarekette zusammenzufassen, um die Gießbarkeit, den Leichtbau und die zerstörungsfreie Prüfbarkeit bei sichergestellter Betriebsfestigkeit zu optimieren.

Flexible und effiziente Labortechnologie zur Untersuchung von Fahrwerkssystemen aktueller und zukünftiger Fahrzeugkonzepte.

Bross – Ermittlung des Einflusses korrosiver Beanspruchungen und lokaler Fehlstellen auf die Beanspruchbarkeit von Bronze-Gusswerkstoffen: Wie können die unterschiedlichen Einflüsse im Rahmen der Bauteilbemessung berücksichtigt werden? Das Ziel ist, einen zuverlässigen und ausfallfreien Betrieb der maritimen Bauteile – auch bei Variation einzelner Einflussgrößen – zu gewährleisten.

Im Projekt LowCarboVan werden umweltfreundliche Leichtbaulösungen für den Nutzfahrzeugsektor erarbeitet. Hierbei fokussiert sich die Forschung am LBF auf den Ersatz von glasfaserverstärkten Kunststoffen durch naturfaserverstärkte Kunststoffe. Es werden Lösungen erarbeitet für die Reduzierung der Feuchteaufnahme und Gewichtseinsparungen durch die Nutzung von Leichtbaumethoden in der Auslegung. Das Projekt adressiert das Thema der nachhaltigen Mobilität und trägt dazu bei, den CO2-Fußabdruck im Transportsektor zu verringern.

Durch moderne Technik sind hochauflösende 3D-Scans von Bauteilen umsetzbar, die zur Abbildung der Oberflächentopografie bei Bewertung der Betriebsfestigkeit von additiv gefertigten metallischen Strukturen Verwendung finden können. Fortschreitende Rechenleistungen ermöglichen zudem eine ortsabhängig feine Vernetzung bei Finite-Elemente-Simulationen und bilden somit den Grundstein eines digitalen Zwillings. Durch die Kombination beider Teilschritte lässt sich nun das Versagen unter zyklischer Belastung mit der Spannungsverteilung auf der Oberfläche von WAAM-gefertigten Strukturen korrelieren und ermöglicht damit das Strukturverhalten in der Betriebsfestigkeitsbewertung besser abbilden zu können.