Forschungsbericht 2020 - TU Dresden
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Forschungsbericht 2020
Abkürzungsverzeichnis TUD Technische Universität Dresden ILK Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden Allgemeiner Förderhinweis Projekte des Instituts für Leichtbau und Kunststofftechnik werden aus Mitteln • des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), • des Europäische Sozialfonds (ESF), • des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), • des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), • der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), • der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder, sowie aus Steuereinnahmen auf der Grundlage des von den Abgeordneten des Deutschen Bundestages oder des Sächsischen Landtages beschlossenen Haushalts mitfinanziert.
Inhalt
Vorwort 4
Das Jahr 2020 6
Promotionen 16
Fachgruppen 22
Ausgewählte Forschungsprojekte 26
Projektübersicht 50
Internationalisierung 62
Digitale Lehre am ILK 66
Abschlussarbeiten 68
juniorIng. 72
Akademischer Club Leichtbau 73
Publikationen 74
Schutzrechte 77
Impressum 78
Prof. Dr. rer. nat. Hubert Jäger
Professur für Systemleichtbau und
Mischbauweisen
Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude
Professur für Leichtbaudesign und
Strukturbewertung
Sprecher des Vorstandes
Prof. Dr.-Ing. Niels Modler
Professur für Funktionsintegrativen
Leichtbau
4
Vorwort
Das Jahr 2020 war maßgeblich durch die Corona-Pan- Leichtbau des BMWi zu nennen. Mit außerordentlich
demie bestimmt und bildet ohne jeden Zweifel eine Zä- großem Erfolg konnten wir unsere Themen platzieren,
sur; auf globaler und nationaler, gesellschaftlicher wie was nicht zuletzt auch Anerkennung unserer praxisorien-
wirtschaftlicher Ebene. Aber auch ganz konkret für un- tierten Kompetenzen und der hohen Aktualität unserer
sere tägliche Arbeit haben die letzten 12 Monate ein- transferreifen Technologien ist. Dieser Erfolg wurde im
schneidende Veränderungen gebracht. Neue Lehr-, Dezember mit der Bewilligung des „Nationalen Leicht-
Forschungs-, Kooperations- und Kommunikationsfor- bau-Validierungszentrum“ durch das BMWi bzw. das PTJ
men galt es adhoc zu finden, zu implementieren und an- gekrönt. Hier werden wir den – mit dem Begriff „Neutral-
zunehmen. Wir haben es geschafft, innerhalb weniger leichtbau“ verknüpften – Weg hin zu einer ressourcen-
Wochen alle Lehrveranstaltungen zu digitalisieren, un- neutralen Produktion nachhaltiger Leichtbaulösungen
geübte Formen der Praktika und Prüfungen zu erlernen ebnen und gemeinsam mit ausgewiesenen Partnern
und Forschungsarbeiten fast gänzlich im digitalen Raum neue Forschungs- und Anwendungs(Transfer)felder er-
voranzutreiben. Wir mussten aber leider auch zum ers- schließen. Hieran anknüpfend seien auch Forschungs-
ten Mal das Internationale Dresdner Leichtbausympo- arbeiten am ILK im Bereich der Wasserstofftechnologien
sium absagen. für die klimafreundliche Mobilität insbesondere zur
H2-Speicherung und -leitung genannt, die auch in den
Das anfänglich lähmende Gefühl wich im Laufe des Som- Kontext der Wasserstoffstrategie der TU Dresden imple-
mers einer dumpfen Ahnung, dass wir noch lange als mentiert sind.
„Team auf Abstand“ arbeiten werden. Dabei ist die – aus
Sicht des ILK-Vorstandes – gelungene Gefahrenabwehr An dieser Stelle laden wir nicht nur die Partner unserer
der TU Dresden herauszuheben, die uns als praxisbezo- rund 100 aktuell laufenden Forschungsvorhaben ein, uns
gener Leitfaden diente und für uns und unsere Mitarbei- auf dem Weg zum „Neutralleichtbau“ proaktiv zu unter-
terinnen und Mitarbeiter ein Höchstmaß an Sicherheit stützen bzw. mit uns gemeinsam einen Beitrag zu leisten,
gewährleistete. Bei allen Schattenseiten zeigt die Situa- um diese globale Kraftanstrengung zu bewältigen. Denn
tion aber auch, dass das in der Wissenschaft erfolgreiche welche zerstörerischen aber auch positiven Kräfte in un-
Kompetenzprofil sich gut deckt mit dem, was die Pande- serer Gesellschaft stecken, zeigt die Pandemie gerade
mie von uns fordert – Kommunikationsfähigkeit und -wil- wie unter einem Brennglas. Wie wäre es also, wenn es
ligkeit sowie die Fähigkeit zur Selbstorganisation. Das ist um die Bewältigung des Klimawandels ein ähnlich ener-
sicher auch der Grund, warum auch das Jahr 2020 wie- gisches Wettrennen gäbe, wie bei der gerade erfolgten
der viele Erfolge für das ILK bereitgehalten hat. Neben Impfstoffentwicklung?
der überaus erfolgreichen Einwerbung von mehreren
grundlagenorientierten DFG-Forschungsvorhaben sowie Mit diesem positiven Gedanken wünschen wir Ihnen ein
der anwendungsorientierten Forschung im Rahmen von erfolgreiches und gesundes 2021 und hoffen, Sie finden
zahlreichen EU-, BMBF-, AiF-, und SAB-Projekten ist in die- einige Ansatzpunkte zur Lösung unserer globalen Heraus-
sem Jahr vor allem das Technologie-Transferprogramm forderungen auch im diesjährigen ILK-Forschungsbericht.
5
Das Jahr 2020
Für Corona-Hilfe:
Recyclingfähige Gesichts-
schilde in Rekordzeit vom
Design bis zum Produkt
Innerhalb von nur drei Tagen haben Ingenieurinnen und
Ingenieure sowie Studierende des Instituts für Leichtbau
und Kunststofftechnik der TU Dresden gemeinsam mit
dem Forschungsverbund DRESDEN-concept e. V. und
biosaxony e. V., der ehrenamtlich tätigen Kunststoff-
schmiede* sowie dem Unternehmen 1st Mould GmbH
eine Halterung für Gesichtsschilde vom Design bis zum
fertigen Produkt realisiert. Das Bauteil wird im Spritzgieß-
verfahren hergestellt und kann damit in einer deutlich
höheren Stückzahl produziert werden als bei bisher ver-
gleichbaren 3D-gedruckten Lösungen.
© Kunststoffschmiede im Konglomerat e. V.
© Kunststoffschmiede im Konglomerat e. V.
werden. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des ILK brach-
ten daher eine Ausführung im Spritzgießverfahren ins
Gespräch, mit der die Produktion von dringend benötig-
ten Gesichtsschilden um ein Vielfaches erhöht werden
konnte. Innerhalb von nur drei Tagen konnte so zusam-
men mit der Kunststoffschmiede* und der 1st Mould
GmbH ein spritzgießgeeignetes Design erarbeitet und zu
einem realen Bauteil mit sehr hoher Stückzahl von aktuell
ca. 35.000 Stück umgesetzt werden. Das besondere An-
liegen der Kunststoffschmiede* ist es hierbei, dass mit der
erarbeiteten Lösung auch recycelte Kunststoffabfälle zur
Herstellung der Gesichtsschilde verwendet werden kön-
nen. Der so erreichbare geschlossene Werkstoffkreislauf
schont dabei nicht nur die Umwelt, sondern ist zugleich
auch sehr ressourceneffizient.
© Kunststoffschmiede im Konglomerat e. V. Die Daten für die Herstellung der Spritzgießbauteile wur-
den von den beteiligten Partnern bewusst Open Source
Nach den ersten Bedarfsmeldungen zu medizinischer gestaltet, damit auch andere Einrichtungen und Unter-
Schutzausrüstung aus den Dresdner Kliniken wurde so nehmen die Produktion aufnehmen und so zur Bedarfs-
ein Design für ein Gesichtsschild entwickelt, welches zu- deckung beitragen können. Interessierte Einrichtungen
nächst im 3D-Druckverfahren umgesetzt und dem medi- können die Daten unter folgendem Link herunterla-
zinischen Personal zur Erprobung zur Verfügung gestellt den und für Ihre Produktion verwenden: https://github.
wurde. Die daraufhin stark ansteigenden Bedarfsmeldun- com/Kunststoffschmiede/Kuss-Faceshield-Frame/wiki/
gen konnten jedoch nicht ansatzweise mit den im 3D- Injection-moulding.
Druckverfahren zu erreichenden Stückzahlen gedeckt *
Kunststoffschmiede im Konglomerat e. V.
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Neuartige Wasserstoffdruckspeicher für optimale
Integration in Fahrzeugstruktur
Zum Start des Anfang 2020 vom Hydrogen Council aus- Das ILK entwickelt hierzu in enger Zusammenarbeit mit
gerufenen „Jahrzehnt des Wasserstoffs“ leistet das Insti- dem Leichtbauzentrum Sachsen GmbH und der herone
tut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden GmbH verkettete Rohrspeicher, welche über Flechtpro-
durch seine Beteiligung an dem vom Bundesministerium zesse aus thermoplastischen Faserverbundhalbzeugen
für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt BRYSON gefertigt werden. Der Einsatz der hochproduktiven Flecht-
(BauRaumeffiziente HYdrogenSpeicher Optimierter Nutz- technologie bietet die Möglichkeit, die Herstellkosten
barkeit) einen wesentlichen Beitrag, um den Straßenver- von Wasserstoff-Tanks für Brennstoffzellen-Fahrzeuge
kehr langfristig emissionsfrei zu gestalten. zu senken und die Wettbewerbsfähigkeit im Vergleich zu
batterieelektrischen Fahrzeugen zu verbessern.
Das Ziel des Projektkonsortiums (BMW AG, ILK, Leichtbau-
Zentrum Sachsen GmbH, WELA Handelsgesellschaft mbH, Der Einsatz von thermoplastischen Halbzeugen ermög-
Hochschule München) ist die Entwicklung neuartiger Was- licht zudem ein einfaches Recycling der Tankstrukturen
serstoffdruckspeicher. Diese sollen so konzipiert sein, dass nach ihrem Einsatz, wodurch die gesamte Ökobilanz des
sie sich einfach in universelle Fahrzeugarchitekturen inte- Dresdener Ansatzes weiter verbessert wird.
grieren lassen. Im Fokus des Vorhabens steht daher die
Entwicklung von Tankbehälter-Systemen in Flachbauweise.
Technologische Sprung-Innovation aus Dresden –
Faserverbunde und Metallbleche per Laserschweißen gefügt
Forscherinnen und Forschern der TU Dresden ist es erst-
mals gelungen, Faserverbundstrukturen per Laserschwei-
ßen mit Metallblechen dauerhaft zu fügen. Auf zusätzliche
Fügeelemente konnten die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler dabei komplett verzichten. Mit der in
dem AiF-geförderten Projekt „Metall-FKV-Verbindung“
entwickelten neuartigen Technologie können zukünftig
mit diesem industriell etablierten Fügeverfahren hybride
Strukturen einfach und funktional hergestellt werden.
Hybride Bauweisen aus Metall und Faser-Kunststoff-Ver-
bunden machen intelligenten Leichtbau erst möglich,
da bereichsspezifisch Material- und Bauteileigenschaf-
ten eingestellt werden können. Wesentliche Vorausset-
zung dafür sind wirtschaftliche, beanspruchungs- und
werkstoffgerechte Lösungen zum Fügen der Einzelkom-
ponenten. Hierfür hat das Institut für Leichtbau und
Kunststofftechnik der TU Dresden in der Fachgruppe Ver- auf verschiedenste Materialkombinationen übertragbar.
bindungstechniken eine neuartige Technologie auf Ba- Das Verfahren bietet das Potential, erhöhte Verbindungs-
sis des Laserschweißens entwickelt. Die Anlagentechnik festigkeiten und ein gutmütiges Versagensverhalten zu
hierfür wurde bereitgestellt vom Steinbeis-Innovations- erzielen. Die Forscherinnen und Forscher sind überzeugt,
zentrum Dresden. dass dieser innovative Lösungsansatz eine serienge-
rechte und auch wirtschaftliche Integration von FKV-Bau-
Der Entwicklungsansatz basiert auf hybriden Verstär- teilen in Metallkarosserien ermöglicht.
kungstextilien, welche am Institut für Textilmaschinen
und Textile Hochleistungswerkstofftechnik (ITM) der TU Das IGF-Vorhaben (Nr. 18930 BR) der Forschungsver-
Dresden entwickelt wurden. Hierbei sind die metalli- einigungen Forschungskuratorium Textil e. V. (FKT) und
schen Elemente textiltechnisch eingearbeitet. Diese bil- Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverar-
den in der FKV-Komponente metallische Oberflächen beitung e. V. (EFB) wurde über die AiF im Rahmen des
aus, die für das schweißtechnische Fügen mit Metallble- Programms zur Förderung der Industriellen Gemein-
chen genutzt werden. Bisher wurde die Machbarkeit am schaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundes-
Beispiel von Stahlblech und Epoxidharz-basierten Ver- ministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines
bunden gezeigt. Doch die Technologie ist grundsätzlich Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
7
Das Ziel: Serienproduktion von Hybridstrukturen
Gemeinsam mit zehn Projektpartnern unter Ko-
ordination der Brose Fahrzeugteile SE & Co. KG, Ganzheitliche Umsetzung
hybrider Bauweisen in
Bamberg entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wis- die Serienproduktion
senschaftler des Instituts für Leichtbau und Kunst-
stofftechnik der TU Dresden im Vorhaben „hypro
– Ganzheitliche Umsetzung hybrider Bauweisen in die Betreut durch:
Serienproduktion“ eine kombinierte physische und vir-
tuelle Prozesskette für Faserverbund-Kunststoff-Metall-
Hybridstrukturen. Ziel ist es, die Produktion hybrider
Komponenten industriell serientauglich und gleichzeitig
wettbewerbsfähig zu machen.
Hybride Strukturen aus Metall, Thermoplast-Fa-
serverbund und Kunststoff bieten ein erhebliches Im Projekt wollen die Forscher:innen und Entwickler:in-
Leichtbaupotenzial, sind aber bislang noch nicht im Groß- nen basierend auf der virtuellen Abbildung der Prozess-
serienmaßstab etabliert. Bestehende Unsicherheiten kette zudem Methoden zur effizienten Gestaltung und
bezüglich der Prozessfähigkeit sowie der wirkenden Pro- Auslegung von Hybridstrukturen erarbeiten. Insbeson-
zess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sollen in hypro dere soll deren Integrationsfähigkeit in Montagelinien der
gezielt ausgeräumt werden. Kern der zu entwickelnden Serienproduktion mittels etablierter Fügetechnologien
Prozesskette wird eine auf Spritzguss-Kombinations- untersucht sowie Demontage- und Reparaturkonzepte
technik basierende, flexible Fertigungszelle sein, die eine erarbeitet werden.
vollautomatisierte und auf Plasma basierende Vorbe-
handlung einer breiten Palette metallischer Werkstoffe Die Praxisreife der entwickelten Prozesskette werden die
erlaubt. Die durchgängige Inline-Erfassung von Prozess- Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler anhand einer
daten in der zugeschnittenen Anlagen-, Werkzeug- und sicherheitsrelevanten Strukturkomponente demonstrie-
Handhabungstechnik stellt dabei eine umfassende Da- ren. Dabei will das Team um Prof. Maik Gude und Dr.
tenbasis für die Prozessanalyse bereit. Der Nachweis der Robert Kupfer die Prognosefähigkeit der Prozess- und
Prozessfähigkeit und eine umfassende Datenakquise er- Struktursimulation und die industrielle Praxistauglichkeit
folgen in einem Stückzahlbereich von 10.000 Exemplaren. nachweisen.
Die Hybridstrukturen sollen zudem in den Prozessen Ent-
wicklung, Charakterisierung und Fertigung durchgängig Das Verbundprojekt hypro, Förderkennzeichen 03XP0284J,
digitalisiert werden. Die Zusammenführung von Real- und wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung
Simulationsdaten ermöglicht dann eine berechnungsge- und Forschung aufgrund eines Beschlusses des Deut-
stützte zerstörungsfreie Inline-Qualitätssicherung sowie schen Bundestages unter der Betreuung des Projektträ-
die Prognose der Bauteileigenschaften. gers Jülich PTJ.
Hybridbauweisen mit generativen Metallstrukturen und
Faserverbunden für Hochleistungs-Elektromotoren
Im Rahmen des Forschungsvorhabens AdHyBau entwi-
ckeln die SIEMENS AG, die MT Aerospace AG, das Fraun-
hofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), das Institut
für Technische Physik (ITEP) des Karlsruher Instituts für
Technologie (KIT) und das Institut für Leichtbau und
Kunststofftechnik der TU Dresden neue additive Verfah-
ren und Faserverbund-Metall-Hybridbauweisen für den
Einsatz in tiefkalter Umgebung. Es werden durchgehende
Design-, Simulations- und Werkstoffqualifizierungspro-
zesse erarbeitet, um einen neuartigen elektrischen An-
trieb als virtuellen Prototyp in Betrieb zu nehmen.
Generative Fertigungstechnologien ermöglichen opti- Hauptziel der am ILK durchzuführenden Arbeiten ist die
mierte Kühlsysteme und ein spezifisches Spulendesign Erforschung neuartiger Faserverbund-Metall-Hybridbau-
zur Steigerung der Leistungsdichte von Elektromotoren weisen. Die Kombination von Hochleistungs-Faserver-
der nächsten Generation. bund-Werkstoffen mit additiv gefertigten, metallischen
8
Elementen ermöglicht Strukturen, die hinsichtlich ihrer Das Vorhaben wird im Rahmen des
Funktionalität und Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert ersten Aufrufs des sechsten zivilen
sind. Diese Schlüsseltechnologie liefert einen Beitrag für Luftfahrtforschungsprogramms des
leistungsdichte, effiziente und geräuscharme Antriebe und Bundesministeriums für Wirtschaft und
ist damit zentraler Bestandteil der Mobilität der Zukunft. Energie für drei Jahre bis 2023 gefördert.
Abschlusskolloquium
Unter dem Motto „Nachhaltige Innovationen für Werk-
stoffe, Bauteile und Produktionsprozesse“ präsentieren
die Partner der Sächsischen Allianz für MAterial- und
RessourcenEffiziente TechnOlogien – AMARETO ihre
Forschungsergebnisse in den Bereichen gezieltes Werk-
stoffdesign, verknüpfte Entwicklungsprozesse sowie res-
sourceneffiziente Produktion.
© AMARETO/ TU Chemnitz
Das als Webkonferenz angelegte Kolloquium bot Wissen-
schaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Anwenderin-
nen und Anwendern aus Industrie und Forschung eine
Plattform für praxisnahe Informationen und fachlichen
Austausch.
Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik veranstaltete
erfolgreichen Industrie-Projektworkshop zum Thema
Wasserstoffbasierte hybridelektrische Antriebssysteme für
die zivile Luftfahrt – Potentiale für die Wirtschaft in Sachsen
Die Luftfahrt steht vor der großen Herausforderung, die Technology Center (UTC) angesiedelt, mit dem Fokus auf
Auswirkungen des Flugverkehrs auf Mensch und Umwelt Lightweight Materials and Structures and Robust Design.
zu minimieren und einen angemessenen Beitrag zur Er-
reichung der Ziele des Pariser Klimaschutzabkommens Ziel des Workshops war es, Akteure in Sachsen und Bran-
zu leisten. Bereits auf der 1. Nationalen Luftfahrtkonfe- denburg zu identifizieren, die als Partner in entsprechen-
renz am 21.08.2019 in Leipzig haben sich Vertreter der den Forschungsprojekten mitwirken oder als Zulieferer
deutschen Luftfahrtindustrie und der Politik für einen auf dem Gebiet der hybridelektrischen Antriebssysteme
besseren Klimaschutz ausgesprochen und in dem Po- in Frage kommen. Hierzu wurden in einer Videokonfe-
sitionspapier „Leipziger Statement für die Zukunft der renz gemeinsam Forschungs- und Entwicklungsthemen
Luftfahrt“ entsprechende Ziele formuliert. So soll die diskutiert, die über die aktuell laufenden und geplanten
deutsche Luftfahrt künftig umweltschonender und nach- Aktivitäten in Brandenburg und Sachsen hinausgehen. Im
haltiger werden, zugleich aber international wettbewerbs- Vordergrund stehen dabei Technologien für wasserstoffba-
fähig bleiben und sichere Arbeitsplätze bieten. sierte hybridelektrische Antriebssysteme für die Luftfahrt.
Mitte September 2020 veranstaltete das Institut für Im Hinblick auf die genannten Herausforderungen und
Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dresden gemein- im Zuge des Strukturwandels der Kohleregion Lausitz war
sam mit Rolls-Royce Deutschland (RRD) und der Wirt- für die Entwicklung und Umsetzung hybridelektrischer
schaftsförderung Sachsen einen Projektworkshop zum Antriebssysteme in Brandenburg bereits eine Initiative
Thema „Wasserstoffbasierte hybridelektrische Antriebs- gestartet worden, an der maßgeblich der Triebwerks-
systeme für die zivile Luftfahrt – Potentiale für die Wirt- bauer Rolls-Royce Deutschland (RRD) beteiligt ist. Mit
schaft in Sachsen“, um die Gestaltung der Initiativen zum dem Industrieworkshop wird diese Initiative auf Sachsen
hybridelektrischen Fliegen in den Focus zu nehmen. Die ausgeweitet und so ein wesentlicher Grundstein gelegt,
TU Dresden und Rolls-Royce Deutschland vereint bereits um Ostdeutschland als führenden, zukunftsfähigen Luft-
eine langjährige, erfolgreiche Zusammenarbeit – an der TU fahrtstandort im Bereich des Fliegens mit nachhaltigen
Dresden ist eines der weltweit 29 Rolls-Royce University Antriebssystemen zu etablieren.
9
Neuer Vorstand gewählt –
Leichtbau-Allianz Sachsen bündelt
die wissenschaftliche Kompetenz
des sächsischen Leichtbaus
Nach der dreijährigen Gründungsphase wurde in der Mit- Sichtbarkeit Sachsens als international führende Leicht-
gliederversammlung des Leichtbau-Allianz Sachsen e. V. bauforschungsregion. Als wissenschaftlicher Ansprech-
(LAS) am 3. Dezember 2020 der Vorstand neu gewählt. partner der sächsischen Wirtschaft erfolgt eine enge
Der zukünftige Vorstand besteht aus Hubert Jäger (Ins- Zusammenarbeit mit Unternehmen der relevanten Bran-
titut für Leichtbau und Kunststofftechnik der TU Dres- chen sowie bestehenden Verbünden und Netzwerken.
den), Lothar Kroll (Institut für Strukturleichtbau der TU Die Leichtbau-Allianz Sachsen lädt alle in der Leichtbau-
Chemnitz), Rudolf Kawalla (Institut für Metallformung der forschung tätigen wissenschaftlichen Institutionen, Zen-
TU Bergakademie Freiberg), Jens Ridzewski (IMA Material- tren und Cluster ein, von dieser sächsischen Vernetzung
forschung und Anwendungstechnik GmbH) und Robert zu profitieren und die sächsische Landespositionierung
Böhm (HTWK Leipzig). In der sich direkt anschließenden im Leichtbau mitzugestalten.
konstituierenden Sitzung des Vorstandes wurden Hubert
Jäger und Lothar Kroll gemeinsam als Vorstandsvorsit- Die Leichtbau-Allianz Sachsen wurde im Sommer 2016
zende gewählt. Gerhard Rödel (TU Dresden) hat sich in als Verbund der drei Technischen Universitäten in Chem-
der Gründungsphase der LAS sehr verdient gemacht und nitz, Dresden und Freiberg initiiert. Ende 2017 folgte die
ist altersbedingt nicht mehr zur Vorstandswahl angetre- Gründung des gleichnamigen Vereins, der inzwischen
ten. Der neue Vorstand würdigte seine Verdienste in der über 50 institutionelle und persönliche Mitglieder zählt.
Aufbauphase des Vereins und wünscht ihm für seinen Die Vereinsmitglieder werden sowohl bei Kontaktver-
weiteren Lebensweg alles Gute und viel Gesundheit. mittlung und Transfer als auch bei Interessenvertretung,
Öffentlichkeitsarbeit, Recherche und Beratung zu öffentli-
Zur Leichtbau-Allianz Sachsen chen Finanzierungsmöglichkeiten sowie durch zahlreiche
Ziel der Leichtbau-Allianz Sachsen ist es, die in Sachsen Veranstaltungsangebote umfassend unterstützt. Über
ansässigen und im Bereich der Leichtbautechnologien den Verein, seine Ziele sowie aktuelle Projekte, Mitglieder
forschenden Kompetenzträger weiter zu bündeln, denn und Veranstaltungen informiert die Website www.leicht-
diese Vernetzung stärkt die Wissenschaft und erhöht die bauallianz-sachsen.de.
Schlüsseltechnologie Leichtbau: Leichtbau-Allianz Sachsen
gibt Handlungsempfehlungen für Wirtschaft, Wissenschaft
und Fachkräfte
Sachsen ist das prägende deutsche Leichtbauland. Schon erhöhen, sollen laut Studie die Leichtbauforschung sowie
heute hängen rund 75.000 Arbeitsplätze in Sachsen di- der Wissens- und Technologietransfer in die sächsische
rekt mit dem Leichtbau zusammen. Das ist eine der Wirtschaft gestärkt und zusätzliche Weiterbildungsmög-
beeindruckenden Ergebnisse der Studie "Masterplan Ex- lichkeiten geschaffen werden.
zellenz im Leichtbau" im Auftrag der Sächsischen Staats-
ministerien für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr sowie für Leichtbauforschung in Sachsen stärken
Wissenschaft, Kultur und Tourismus, die die Leichtbaual-
lianz Sachsen 2020 im Rahmen des LightSax-Vorhabens Forschungseinrichtungen in Sachsen sind heute im bun-
übergeben konnte. desweiten Vergleich sehr erfolgreich bei der Einwerbung
„Besonders in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau von Drittmitteln in der Leichtbauforschung. Aktuell gibt es
und Transportwesen bietet der Leichtbau viele Möglich- mehr als 500 aktuelle bzw. geplante Forschungsvorhaben
keiten, neue Märkte zu erschließen. Der Abhängigkeit der mit Leichtbaubezug. Jedoch gaben etwa zwei Drittel der
sächsischen Wirtschaft von der aktuell stark im Wandel Befragten an, dass die Leichtbaukompetenzen außerhalb
befindlichen Automobilbranche könnte damit entgegen- Sachsens nur unzureichend wahrgenommen werden. Es
getreten und nachhaltige Wertschöpfungs- und Wachs- geht deshalb auch darum, die Sichtbarkeit des sächsi-
tumspotenziale geschaffen werden“, fasst Prof. Rudolf schen Leichtbaus weiter zu erhöhen, z. B. indem Initiati-
Kawalla, Prorektor für Forschung an der TU Bergakade- ven gebündelt werden und der Transfer in die Industrie
mie Freiberg und Vorstandsvorsitzender der Leichtbau- erleichtert wird: „Leichtbau heißt forschen und entwickeln
Allianz Sachsen, die Schlussfolgerungen des Masterplans an den Grenzen der Physik. Dafür ist ein tiefgründiges
zusammen. Um die Kompetenz sowie die Sichtbarkeit Verständnis in vielen Wissensgebieten, wie Werkstoffme-
Sachsens im Bereich dieser Schlüsseltechnologie zu chanik, Konstruktionsmethodik und Prozessgestaltung
10© Lichtwerke Design Fotografie
und Lebenszyklusanalyse, notwendig. Ein Technologie- eine besondere Rolle spielt. Dies, so heißt es in der Stu-
vorsprung lässt sich nur mit einem interdisziplinären die, stellt einen zentralen Ansatzpunkt für das zukünftige
Team erreichen, das die Ergebnisse direkt in die Praxis Vorgehen des Freistaats im Bereich Leichtbau dar.
transferiert“, verdeutlicht Prof. Lothar Kroll, Leiter der
Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung Der sächsische Wirtschafts- und Arbeitsminister Martin
der Technischen Universität Chemnitz. Wissenschafts- Dulig betont: „Leichtbau ist eine Schlüsseltechnologie,
minister Sebastian Gemkow ergänzt einen weiteren As- der gerade mit Blick auf die in vielen Bereichen ange-
pekt: „Nicht nur die Entwicklung von Leichtbauprodukten strebte höhere Energie- und Materialeffizienz eine beson-
bzw. -materialien ist ein wichtiges Anliegen sächsischer dere Bedeutung zukommt. Wir haben in Sachsen beste
Forschung und Unternehmen, auch die Entsorgung und Voraussetzungen, dieses Potenzial zu nutzen. Der Mas-
Wiederverwertung rückt immer stärker ins Blickfeld. Des- terplan zeigt Wege auf, wie dieses Potenzial in Zukunft
halb ist auch Kreislaufwirtschaft im Leichtbau ein zentra- noch besser ausgeschöpft werden kann. Der Austausch
les Thema geworden. Ich rechne mit zahlreichen neuen zwischen den Unternehmen, aber auch von Wirtschaft
Forschungsprojekten in diesem Bereich seitens der und Forschung ist wichtig, um auch mittel- und langfristig
Leichtbau-Allianz, unterstützt durch ihre Partner in der Wertschöpfung in Sachsen zu generieren und Arbeits-
außeruniversitären Forschung und der Wirtschaft.“ plätze zu schaffen.“
Vernetzung der kleinen und mittleren Unternehmen Mehr Weiterbildungsangebote für Fachkräfte
von Vorteil
Wie die Studie zudem zeigt, fehlen in Sachsen schon jetzt
Rund 90 Prozent der im Rahmen der Studie befragten Facharbeiterinnen und Facharbeiter mit spezifischem
Wirtschaftsvertreterinnen und -vertreter erachten den Leichtbau-Wissen. Die Ausbildung sowohl der Fachkräfte
Ausbau des Leichtbau-Produktportfolios als zentral für als auch der Absolventen der Hochschulen im Land hin-
die Erschließung neuer Märkte. Dennoch identifizieren gegen bewerten die Befragten als umfassend. Die KMU-
die zumeist kleinen und mittelständischen Unternehmen Vertreterinnen und -vertreter der Branche sind sich
(KMU) im Leichtbau deutliche Herausforderungen beim außerdem einig, dass der Abwanderung von Fachkräften
Marktzugang. Optimierungsbedarf sehen die Befragten in andere Regionen entgegengewirkt werden sollte. Auch
insbesondere hinsichtlich der Anwendung neuer Erkennt- Weiterbildungsangebote für Zugewanderte erfüllen noch
nisse aus der Forschung, aber auch bezüglich der zentra- nicht den Bedarf der Wirtschaft, heißt es.
len Koordination und der Außendarstellung der Branche.
Hinzu kommen laut Studie die aus Unternehmenssicht Prof. Hubert Jäger, Vorstandsmitglied des Instituts
schwer kalkulierbare Risiken in der eigenen Forschung für Leichtbau und Kunststofftechnik an der TU Dres-
und Entwicklung, so dass der Transfer der Forschungser- den hebt hervor, dass „Leichtbau auch in Zeiten ho-
gebnisse von Forschungseinrichtungen und Universitäten her ökologischer Gesellschaftsorientierung über alle
11Unternehmenshierarchien nicht selbstverständlich und Sachsen unterstützte das Projekt bei den organisatori-
nur schwer vermittelbar ist. Eine erfolgreiche Umsetzung schen Aktivitäten.
ist daher nur möglich, wenn alle ‚Hand-in- Hand‘ auch
für die Erreichung eines ökologischen Ergebnisses arbei- Für die Studie wurden 16 Gespräche mit Leichtbau-Ex-
ten. Angebote zur Aus- und Weiterbildung müssen daher pertinnen und -Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft
dringend ausgebaut werden. Spezielle Berücksichtigung und Verwaltung ausgewertet und etwa 100 Teilneh-
müssen dabei Recyclingfähigkeit, Digitalisierung für die merinnen und Teilnehmer in einer Online-Umfrage zur
Produktion und Einsatz im Baugewerbe für Hoch-, Tief- Identifizierung von zukünftig relevanten Themenfeldern
und Brückenbau, dem Zukunftsmarkt mit dem höchsten befragt. Mit Hilfe einer Stärken-Schwächenanalyse wur-
weltweiten Wachstumspotential, finden.“ den die Ergebnisse systematisch zusammengefasst. Be-
gleitet wurde die Präsentation des Masterplans von einer
Hintergrund: Masterplan „Exzellenz im Leichtbau“ hybriden Dialogveranstaltung, bei der neben der Vorstel-
lung bei einer Podiumsdiskussion auch die künftige Vor-
Erarbeitet wurde der am 12. Oktober 2020 in Freiberg gehensweise diskutiert wurde. Die Maßnahme „LightSax“
vorgestellte Masterplan von Wissenschaftlerinnen und wurde mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des
Wissenschaftlern der Technischen Universitäten in vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
Chemnitz, Dresden und Freiberg. Die Umsetzung des
Verbundprojektes „Potentiale des Leichtbaus in Wissen-
schaft und Wirtschaft in Sachsen (LightSax)“ erfolgte mit Masterplan Excellence in
Beteiligung des Instituts für Strukturleichtbau der TU Lightweight Engineering
Chemnitz, des Instituts für Leichtbau und Kunststoff-
technik der TU Dresden sowie des Instituts für Metallfor-
mung der TU Freiberg, wobei das Freiberger Institut die https://leichtbau-allianz-sachsen.de/lightsax/
Rolle des Koordinators übernahm. Die Leichtbau-Allianz
Leichte, leise Luftfahrt – Projektauftakt Verbundprojekt FLIER
Im Rahmen des Verbundprojektes „Flexible
Wandstrukturen für akustische Liner“ (FLIER)
forschen und entwickeln Mitarbeiterinnen
und Mitarbeiter der Technischen Universität
Berlin (Institut für Strömungsmechanik und
Technische Akustik, FG Turbomaschinen- und
Thermoakustik sowie FG Technische Akustik),
der Brandenburgischen Technischen Uni-
versität Cottbus-Senftenberg (Lehrstuhl für
Flug-Triebwerksdesign) und des Instituts für
Leichtbau und Kunststofftechnik an lärmab-
sorbierenden Kunststoffstrukturen für den
Einsatz in der Luftfahrt.
Aktuell werden in Triebwerken Linerstruktu-
ren zur Schalldämpfung eingesetzt, die auf
dem bekannten Helmholtz-Resonator-Prin-
zip beruhen und somit vorrangig in einem
schmalen Frequenzbereich wirksam sind. Triebwerke das ILK schwerpunktmäßig geeignete Fertigungsstrate-
zukünftiger Generationen werden sich vor allem durch gien zur Herstellung gekrümmter bzw. krümmbarer
größere Durchmesser bei gleichzeitig reduzierter Länge Liner entwickeln. Das Ziel des Verbundprojektes ist die
auszeichnen und damit vergleichsweise weniger nutzbare Erstellung eines umfassenden Auslegungskonzeptes, die
Fläche für Maßnahmen zur Schalldämpfung besitzen. Ziel Entwicklung des Fertigungsprozesses, die fertigungstech-
des Projektes FLIER ist es, durch neue Linertechnologien nische Umsetzung und die Durchführung von Funktions-
sowohl deren akustische Wirksamkeit zu steigern als tests im Labormaßstab.
auch den wirksamen Frequenzbereich stark zu erweitern.
Das Vorhaben wird im Rahmen des
Im Vorgängerprojekt LAKS wurden erste Probekörper Luftfahrtforschungsprogramms
konzipiert und gefertigt, mit denen die prinzipielle Wirk- der Bundesrepublik Deutschland
samkeit der neuen Linertechnologie nachgewiesen wer- (LuFo VI-1) für drei Jahre bis 2023
den konnte. Im jüngst bewilligten Folgeprojekt FLIER wird gefördert.
12Mit dem AVK-Innovationspreis prämierte ROBIN Verfahrenstechnologie und Szenario zum Einsatz mehrerer Systeme in Montagelinien
Mehrfache Auszeichnung für ILK-StartUp ROBIN
Nach dem erfolgreichen Start des EXIST-Forschungs- Die Gründer können sich aktuell auf die für Neugründun-
transfers im März 2020 hat das Gründerteam um Dr. gen idealen Voraussetzungen am Institut für Leichtbau
Michael Krahl mit seiner Idee des mobilen Spritzgießens und Kunststofftechnik der TU Dresden verlassen. Im Kon-
Auszeichnungen in mehreren Innovationswettbewerben text dieser engen Partnerschaft zwischen StartUp und
erhalten. Durch den Einsatz von Kohlenstofffasern in ei- Universität bestätigt Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude „Wir
nem Composite-C-Bügel einer Spritzgießmaschine ist es wollen mit unserer Strategie am ILK den Technologie-
erstmalig gelungen, die Maschine mit einer Masse von transfer in Sachsen durch Ausgründungen mit High-Tech-
unter 140 Kilogramm zu bauen. Dadurch kann sie bei- Leichtbaulösungen und nachhaltigen Geschäftsmodellen
spielsweise an einem Roboter befestigt und frei im Raum fördern“.
bewegt werden. Durch diese Mobilität und Flexibilität in
der Anlagentechnik wird das Spritzgießen bei der Ferti- Die Vielzahl an Möglichkeiten, Bauteile mit einer einzig-
gung von hybriden Bauteilen revolutioniert. Neben dem artigen Variabilität zu fertigen und in bestehende Pro-
Silber-Award beim IQ Innovationspreis Mitteldeutschland duktionslinien zu integrieren, ist dabei der große Vorteil
in der Kategorie Automotive, konnte die Idee des „Robo- und die größte Herausforderung zugleich. Schließlich
tised Injection Moulding“ (ROBIN) die Jury des AVK-Inno- stellt diese Verfahrensweise die Produktion derartig auf
vationspreises in der Kategorie Prozesse und Verfahren den Kopf, dass komplett neue Denkweisen erforderlich
überzeugen, weshalb sie das Gründerteam mit dem ers- sind. Um dies zu beherrschen, begleitet das Gründungs-
ten Platz auszeichnete. In den Bewertungskriterien des team erste Kunden bei der Produktentstehung bereits im
AVK-Innovationspreises wird besonderer Wert auf die frühen Stadium der Vorentwicklung. Letztlich ist es das
Nachhaltigkeit der Einreichungen gelegt. „Wir sehen die erklärte Ziel des Gründungsteams, die ROBIN-Anlagen-
Auszeichnung als Bestätigung und weiteren Ansporn auf technik in moderne Produktionslinien so zu integrieren,
unserem Weg, die neue Denkweise des mobilen Spritz- dass die umfassenden Vorteile maximal ausgeschöpft
gießens auf den Markt zu bringen“, hebt Dr. Michael Krahl werden können.
in seiner Danksagung hervor.
13Überreichung der Urkunde von WAK-Mitglied Prof. Dr. Maik Gude an Dr. Michael Stegelmann © Sebastian Spitzer
WAK-Preis 2020 für ILK Wissenschaftler
Der Wissenschaftliche Arbeitskreis der Universitäts-Pro- Branche unüblichen Automatisierungsgraden. Deshalb
fessoren der Kunststofftechnik (WAK) prämiert jährlich sind zunehmend auch klassische hochautomatisierte
die besten wissenschaftlichen Arbeiten auf dem Gebiet und massentaugliche Kunststoffverarbeitungsverfahren
der Kunststofftechnik. In diesem Jahr konnte sich der ILK- wie das Spritzgießen oder die Extrusion interessant. He-
Wissenschaftler Dr. Michael Stegelmann über die Aus- rausfordernd dabei sind die Umsetzung einer den hohen
zeichnung mit dem Brose-Preis für neue Verfahren und Anforderungen der Luftfahrt entsprechenden und vari-
Techniken bei der Verarbeitung von Kunststoffen freuen. antenreichen Bauteilfertigung sowie die reproduzierbare
Im Rahmen seiner Dissertation mit dem Titel „Zur Ext- Verarbeitung der Hochleistungspolymere.
rusion amorpher Hochleistungsthermoplast-Rohre mit
variabler Wanddicke“, leistet Dr. Stegelmann einen we- In diesem Kontext hat Dr. Michael Stegelmann neuartige,
sentlichen Beitrag, die Extrusionstechnik für die vari- analytische Auslegungsmodelle entwickelt, die es erstma-
able Produktion von Luftfahrt-Rohrleitungssystemen zu lig erlauben, auf Basis der dehnrheologischen Eigenschaf-
befähigen. ten des Polymers, die Prozessgrenzen für eine variable
Prozessführung vorherzusagen. Dadurch ist es möglich
In Hochtechnologie-Anwendungsfeldern, wie der Luft- die hohe Produktvielfalt von Rohrleitungen in der Luft-
fahrt, schaffen Leichtbautechnologien auf Basis von fahrt mit wirtschaftlich sinnvoller Auslastung der Anlagen-
Hochleistungspolymeren enorme Potentiale zur nach- technik abzudecken. Die dadurch mögliche Steigerung
haltigen Massereduzierung. In Zusammenhang mit dem der Variabilität der Fertigungstechnik ist ein wesentlicher
steigenden Luftfahrtaufkommen und der damit einherge- Trend des Maschinen- und Anlagenbaus in der Kunststoff-
henden Produktion von Flugzeugen ergibt sich der Bedarf industrie, um bei Ausnutzung der hohen Austragsleistun-
völlig neuer Fertigungsarchitekturen mit bislang in dieser gen eine höhere Individualität der Produkte zu erzielen.
14METEOR =
METEOR =
Methods and technologies for validating and optimising the resource efficiency
Ein METEOR ist eingeschlagen Methods and technologies
of process
of processfor validating
networks in theand optimising
manufacture the resource
of hybrid efficiency
lightweight
METEOR = in the manufacture of hybrid lightweight structures
networks
structures
Methods and technologies for validating and optimising the resource efficiency
of process networks in the manufacture of hybrid lightweight structures
Am 16.12.2020 fand im derzeit üblichen Rahmen einer Solar thermal
Videokonferenz der Auftakt zu einem ganz besonderen Solar thermal
tool heating
and cooling
tool heating
Forschungsprojekt statt. Ziel des Verbundvorhabens Adaptive
and cooling
sensor- Solar thermal
METEOR (Methoden und Technologien zur Validierung Adaptive controlled tool heating
Establishment
of a tempering
und Optimierung der Ressourceneffizienz von Prozess- sensor- assembly and cooling
process
Establishment cascade
controlled of a tempering
netzwerken bei der Herstellung von Leichtbaustruktu- assembly Adaptive cascade
EnvironmentallyEstablishment
process sensor-
ren) ist nichts weniger, als Möglichkeiten zur Senkung controlled neutral process
network
of a tempering
assembly
Environmentally cascade
der CO2-Emissionen um bis zu 80 Prozent in der Pro- process
Real-time
neutral process
Continous
METEOR
duktion =
von Leichtbaustrukturen bis 2030 zu demons-
inline filling
network
simulation for
vitualized
mapping of
Environmentally
Methods
trieren. and technologies
Unter Leitung des Instituts fürfor validating
Leichtbau und and optimising
Real-time
inline filling
the
die-casting
and injection resource
neutral efficiency
Continous
process
the
vitualized manufacturing
of process
Kunststoff technik networks
der TU Dresdenin the manufacture
haben sich zahlrei- of hybrid
simulation
die-casting
lightweight structures
for
Real-time
moulding network mapping of
Online life
process
Continous
cycle the
che, ausgewiesene Partner aus Industrie und Forschung and injectioninline filling manufacturing
assessment vitualized
moulding simulation for (LCA)process mapping of
zusammengefunden, um zunächst bis 2023 neue Wege die-casting Online life the
and injection cycle manufacturing
bei der solargestützten Temperierung (gwk Gesellschaft moulding assessment
process
(LCA) Online life
Wärme Kältetechnik mbH – Meinerzhagen), dem Online- cycle
Betreut durch:
Life-Cycle-Assessment (ILK) und der Inline-Simulation Solar thermal assessment
(LCA)
(KraussMaffei Technologies GmbH – München; Institut tool heating
and cooling
Betreut durch:
für Produkt Engineering (IPE) der Universität Duisburg-
Essen) von Produktionsprozessen sowie
Adaptive dem roboterge- Betreut durch:
stützen Fügen von Kunststoffsensor-
/Metall-Verbundstrukturen Establishment
(Böllhoff Verbindungstechnik GmbH – Bielefeld; Labo-
controlled der Zwickauer of Straße
a tempering bildet.“ In diesem Zentrum soll bis
ratorium für Werkstoff- undassembly
Fügetechnik (LWF) der Uni- 2030 ein bislangcascade einmaliges, weitgehend umweltneutra-
versität Paderborn) zu untersuchen.
processDiese erste Etappe les Produktionsnetzwerk realisiert werden. Das LEIV wird
wird aus Mitteln des Technologietransfer-Programms damit auf internationaler Ebene zu einem Inkubator, der
Leichtbau (TTP Leichtbau) des Bundesministeriums Environmentally
für den Knowhow-Transfer in die Realwirtschaft durch die
Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und durch neutral
den process
Demonstration im industriellen Maßstab von ökonomisch
Projektträger Jülich (PTJ) begleitet . network und ökologisch sinnvollen Lösungen erheblich verein-
Real-time facht und beschleunigt. Continous „Dresden ist unter exzellenten
inline filling
„METEOR ist das erste einer ganzen Reihe von Projekten, Forscherinnen vitualized und Forschern bereits seit Anfang der
simulation for mapping of
mit denen wir einen spürbaren Beitrag zur Senkung der 1990er Jahre ein anerkanntes Zentrum für den moder-
die-casting the
CO2-Emissionen in der industriellen Produktion nach- nen Systemleichtbau. „Dass wir an der Exzellenzuniver-
and injection manufacturing
haltiger Leichtbaustrukturen leisten wollen“ so Prof. Dr. sität TU Dresden, unterstützt durch das BMWi, nun auch
moulding process
Maik Gude vom ILK. „Dieses Vorhaben ist für Sachsen Online life
solch ein anwendungsorientiertes Zentrum etablieren
und insbesondere den Leichtbau-Standort Dresden von cyclekönnen, ist die logische Konsequenz und wurde von un-
herausgehobener Bedeutung, da es die Grundlage assessment
für seren internationalen Industrie- und Forschungspartnern
das Nationale Leichtbau-Validierungszentrum (LEIV) auf (LCA)seit langem erwartet“ so Prof. Dr. Maik Gude.
Betreutdurch:
Betreut durch:
15Promotionen
Promotion Dr.-Ing. Roman Koschichow
Zur Auslegung von Faserverbund-Bauteilen unter
Berücksichtigung des variablen Faservolumengehaltes
Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude
Die stetig steigenden Ansprüche gefertigtes Bauteil Dickenprofil Lagenkonturen Verteilung des FVG
an Maschinenbaukomponenten Vorgabe neuartige
Methode
in Hinblick auf einen ressourcen-
Vorderkante
schonenden Umgang mit den
Hinterkante
verwendeten Werkstoffen und
einen energetisch effizienten Ein-
satz dieser Komponenten führen
zur verstärkten Verwendung von
Hochleistungswerkstoffen mit
hohem Leichtbaupotential, wie
etwa von Faserverbundwerk-
stoffen. Die Erschließung der
vollen Leistungsfähigkeit dieser
Werkstoffklasse erfordert be-
reits im Entwicklungsprozess die
Nutzung geeigneter Auslegungs-
werkzeuge. Innovative Methoden zur Steigerung der er- somit Defizite existierender Ansätze gezielt adressiert
reichbaren Güte einer FE-Analyse können dazu beitragen, und behebt. Insbesondere der Faservolumengehalt, der
die Entwicklungszeiten dieser Bauteile signifikant zu redu- als Schlüsselparameter jedes FKV-Bauteils agiert, nimmt
zieren. Dabei müssen jedoch zuverlässige Modellierungs- in der erarbeiteten Methode einen zentralen Punkt ein.
methoden in die numerisch gestützten Strukturanalysen
integriert werden, um die gewünschte Vergleichbarkeit Am Beispiel einer FKV-Turbinenschaufel konnte unter
zwischen virtuellem und realem Strukturverhalten von Fa- Nutzung der neuartigen Methode gezeigt werden, dass
ser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen zu gewährleisten. die Berücksichtigung der nicht konstanten Verteilung des
Faservolumengehalts die Ergebnisgüte einer numerisch
Insbesondere für FKV-Bauteile mit variierender Bauteil- gestützten Eigenfrequenzanalyse deutlich steigert. Durch
dicke und komplexer Geometrie können und dürfen die physikalisch begründete Annahme der lokal veränder-
relevante werkstoffspezifische Parameter, wie etwa Faser- lichen Steifigkeitskennwerte in der untersuchten Struktur
und Matrixeigenschaften, lokaler Faservolumengehalt konnte die prozentuale Abweichung von durchschnittlich
(FVG) und Kompaktierbarkeit der textilen Halbzeuge nicht 12,7 % mit einer Streuung von 3 % auf lediglich 5,2 % mit
vernachlässigt werden. Gleiches gilt für fertigungstech- einer Streuung von 0,63 % bezogen auf das Experiment
nische Einflussfaktoren im Preformingprozess, wie etwa verbessert werden.
Lagengestaltung, Kompaktierung und Faservolumenge-
haltsänderung. Viele dieser Parameter beeinflussen sich Die erzielten Ergebnisse der numerischen und der expe-
gegenseitig und stehen oft in Wechselwirkung zueinander. rimentellen Analysen zeigen eindrucksvoll, dass die ent-
wickelte Methodik eine signifikante Verbesserung des
Im Rahmen der Arbeit wurde eine neuartige Methode Auslegungsprozesses von FKV-Bauteilen ermöglicht. Hin-
zur Auslegung von FKV-Bauteilen erarbeitet, die die Ein- sichtlich der Genauigkeit sowie der Effizienz numerisch
beziehung werkstoffspezifischer und fertigungstechni- gestützter Bauteilanalysen weist dieser Ansatz eine große
scher Aspekte in den Auslegungsprozess ermöglicht und praktische Relevanz auf.
16Promotion Dr.-Ing. Thomas Behnisch
Zum Einfluss querdruckinduzierter Schädigungen
auf die mechanischen Eigenschaften von
Textilverbundkeramiken
Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude
Textilverbundkeramiken weisen sehr hohe dichte-spezi-
fische Steifigkeiten und Festigkeiten auf, die bis weit in
den Hochtemperaturbereich nahezu konstant bleiben.
Die richtungsabhängigen Eigenschaften dieser bruch-
toleranten keramischen Verbundwerkstoffe können
gezielt eingestellt und vorteilhaft an spezifische Anwen-
dungscharakteristiken angepasst werden. Daher bieten
Textilverbundkeramiken ein enormes Potenzial für An-
wendungen im Hochtemperatur-Leichtbau.
Das Werkstoffverständnis für diese Verbundwerkstoffe
mit vorwiegend flächigen Textilstrukturen konnte in den
letzten Jahren stetig verbessert werden, sodass mit den
vorhandenen Berechnungsmodellen eine Beschreibung
des Werkstoffverhaltens in der Ebene (in-plane) der tex-
tilen Verstärkungsstruktur möglich ist. Allerdings stehen Abb. 1: Promotionskommission (v. l. n. r.): Prof. Modler, Prof. Kästner,
einer uneingeschränkten Verwendung, vordergründig Dr. Behnisch, Prof. Michaelis, Prof. Gude, Prof. Ullrich
für sicherheitsrelevante Bauteile, Vorbehalte entgegen,
da weiterhin Unsicherheiten bezüglich des komplexen Werkstoffverhalten bei Querdruckbeanspruchung nach-
Werkstoffverhaltens bei Beanspruchungen in Verbund- gewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Schädi-
dickenrichtung (out-of-plane) verbleiben. Insbesondere gungsphänomenologie sowie zum Versagensverhalten
bei sogenannten Querdruckbeanspruchungen sowie de- tragen somit zu einem deutlich verbesserten Werkstoff-
ren Auswirkungen auf das in-plane Verhalten sind derzeit verständnis bei. Darauf aufbauend wurde ein für in-plane
kaum Erfahrungen vorhanden. Beanspruchungen validiertes Schädigungs- und Versa-
Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine umfassende, ska- gensmodell zur Vorhersage der querdruckinduzierten
lenübergreifende in-situ Strukturaufklärung (Abb. 2) so- Eigenschaftsdegradation erweitert, sodass neben der
wie eine für Textilverbundkeramiken noch ausstehende mathematischen Beschreibung des Einflusses querdruck-
Analyse des Schädigungs- und Versagensverhalten bei induzierter Schädigung auf die mechanischen Eigen-
Querdruckbeanspruchung durchgeführt werden. Da- schaften von Textilverbundkeramiken, eine verbesserte
bei wurde erstmals der Zusammenhang zwischen der Prognose des Deformations-, Schädigungs- und Versa-
textilverbundkeramischen Werkstoffstruktur und dem gensverhaltens möglich ist.
Abb. 2: Experimentelles Vorgehen bei der
skalenübergreifenden in-situ Struktur-
aufklärung unter Querdruckbelastung
17Promotion Dr.-Ing. Oliver Weißenborn
Entwicklung eines neuartigen Imprägnierschäum-
verfahrens zur Herstellung komplex geformter
Polyurethan-Sandwichverbundstrukturen
Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. habil. Maik Gude
Die Sandwichbauweise stellt mit der Auflösung des Bau- auf den Tränkungsgrad und die Morphologie der textil-
teilquerschnitts in hochsteife und hochfeste Decklagen verstärkten Sandwichdecklagen wurden Methoden der
sowie einen schubsteifen Kern mit geringer Dichte ein statistischen Versuchsplanung genutzt und somit Ver-
etabliertes Prinzip zur Gestaltung von Leichtbaustruk- suchskörper unter optimierten Prozessparametern ge-
turen dar. Aufgrund ihrer hohen dichtespezifischen fertigt. Hierauf aufbauend erfolgte die experimentelle
werkstoffmechanischen Kennwerte nehmen endlosfa- Analyse ausgewählter werkstoff- und strukturmechani-
serverstärkte Kunststoffe in den Deckschichten und po- scher Kenngrößen sowie die Entwicklung geeigneter Mo-
lymere Schaumstoffe im Kern der Sandwichstruktur eine delle zur Vorhersage des Deformationsverhaltens unter
herausragende Bedeutung für branchenübergreifende Biege- und Impactbelastung. Diese wurden für die Aus-
Anwendungen ein. legung der betrachteten Sandwichverbundstrukturen in
anwendungsgerechte Gestaltungsrichtlinien übertragen.
Klassische Fertigungsverfahren für komplexe Bauteil- Die hohe Anzahl werkstoffspezifischer Freiheitsgrade, wie
geometrien im Bereich duroplastischer Matrixsysteme etwa die resultierende Kernschichtdichte, die Faserart
basieren üblicherweise auf mehrstufigen und somit und der Faseranteil im Bereich der Verstärkungshalb-
diskontinuierlichen Prozessschritten, wobei Sandwich- zeuge, bieten vielfältige Möglichkeiten zur Gestaltung
kern und Decklagen getrennt voneinander, zum Teil ma- belastungsgerechter Verbundstrukturen.
nuell und mit separaten Werkzeugen gefertigt werden
müssen. In der vorliegenden Arbeit wird mit dem Im- Durch die Umsetzung einer prototypischen Demonstra-
prägnierschäumverfahren (ISV) auf Basis schäumbaren torstruktur mit hoher geometrischer Komplexität wurden
Polyurethans ein neuartiger Fertigungsprozess entwickelt, die erarbeiteten Modelle zur Vorhersage der Tränkungs-
bei dem eine simultane Herstellung von Sandwichdeck- grade in den Decklagen validiert. Darüber hinaus kann
lagen und -kern erfolgt. Die wissenschaftliche Grundlage das hohe Potential für branchenübergreifende Anwen-
wurde hierfür im Rahmen umfassender Prozessstudien dungen im Bereich belastbarer und komplex geformter
gelegt. Zur Identifikation signifikanter Einflussparameter Strukturubauteile aufgezeigt werden.
Prototypische Sandwichstruktur mit komplexer Geometrie und
imprägniergeschäumten textilverstärkten Decklagen sowie Kern aus
Schematische Darstellung des Imprägnierschäumverfahrens Polyurethan-Hartschaumstoff
18Promotion Dr.-Ing. Tilman Orth
LED-basiertes Erwärmungssystem für den Einsatz
im Automated-Fibre-Placement
Betreuender Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. Niels Modler
Der Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe im liefern und schnelle Reaktionszeiten zu erzielen. Ein neu
Strukturleichtbau ziviler Luftfahrzeuge wird erheblich entwickeltes ein numerisches Modell des Energieeintrags
durch Produktionsautomatisierung getrieben. Einzelne und der Erwärmung erlaubt eine robustere Prozessge-
Komponenten der für die Verarbeitung duroplastischer staltung durch eine präzise Vorhersage der Erwärmung
Werkstoffe genutzten Automated-Fibre-Placement-An- des Materials wurde. Das Modell berücksichtigt den Ein-
lagen (AFP) bieten jedoch noch erhebliches Potential für fluss jeder einzelnen LED und kann so die lokale Ver-
die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Prozesses. Ins- teilung des Energieeintrags vorhersagen und dadurch
besondere ist der prozessspezifische Entwicklungs- und steuerbar machen. Eine so ermittelte optimierte Konfi-
Kenntnisstand des Erwärmungssystems gegenüber der guration bietet eine sehr gleichmäßige Bestrahlung und
Verfahrensvariante mit thermoplastischen Werkstoffen dadurch Erwärmung, die experimentell bestätigt wurde.
weniger fortgeschritten. So weisen die dort genutzten Di-
odenlaser Vorteile in der Reaktionszeit, der Homogenität Das entwickelte, neuartige LED-Erwärmungssystem er-
der Erwärmung und ihrer Regelbarkeit gegenüber den im möglicht durch die Kombination der Vorteile von Infra-
AFP genutzten Infrarotstrahlern auf, welche jedoch einen rotstrahlern und Diodenlasern wesentliche Fortschritte
geringeren Bauraumbedarf sowie geringere Kosten und für die Weiterentwicklung des industriellen AFP. So er-
Sicherheitsanforderungen bieten. geben sich durch die Verwendung standardisierter LEDs
und dem damit ermöglichten flexiblen Aufbau des Erwär-
Um die Vorteile beider Erwärmungssysteme für das AFP mungssystems Möglichkeiten zur Kostensenkung in der
zu kombinieren, wurde ein neuartiges Erwärmungssys- Entwicklung neuer Ablegeanlagen. Der Betrieb und die
tem mit einer Vielzahl LEDs als Strahlungsquellen entwi- Wartung solcher Anlagen kann zudem energieeffizienter
ckelt. Prozess- und Materialuntersuchungen ermöglichen und damit günstiger gestaltet werden. Weiterhin ergibt
die Auswahl geeigneter LEDs. Deren geschickte anlagen- sich durch eine zuverlässigere Messung der Tempera-
technische Integration zu einer Strahlereinheit erlaubt tur die Möglichkeit, robustere Regelkreise zu integrieren.
eine aktive Kontrolle der Strahlungsverteilung zur An- Dies wird weiter begünstigt durch die schnelle Reaktion
passung an unterschiedliche Prozessgegebenheiten. Die der Strahlungsquellen, was zudem eine Reduktion der
Erprobung auf einer Laboranlage belegt die Eignung den Fertigungszeit insbesondere bei komplexen Bauteilen
benötigten Wärmeeintrag für den Prozess zuverlässig zu ermöglicht.
Versuchsstand mit LED-Erwärmungssystem (li.), Bestrahlungs- und Erwärmungsmodell (re.)
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