Wissenschaftler auf Schlankheitskurs

Wer an Leichtbau denkt, dem fallen zuerst die Luftfahrt sowie die Automobilindustrie – und hier vor allem Elektroautos – ein. So ist es denn auch nicht verwunderlich, dass die Forscher in Hannover neue Ansätze für Elektrofahrzeuge der Zukunft zeigen: So zeigen die TU9 (Halle 2, Stand D36), also die neun führenden Technischen Universitäten in Deutschland, einen viersitzigen Fahrdemonstrator, der im Projekt Ineco entstanden ist. Der Clou daran: Er wiegt gerade einmal 900 kg einschließlich aller Komponenten sowie der Batterie. Dabei spielten innovative Werkstoffkombinationen wie CFK-Stahl-Hybridverbunde und die Umsetzung neuartiger Integralbauweisen für einen kosteneffizienten Systemleichtbau eine große Rolle. Die Frontklappe beispielsweise ist in ultraleichter Sandwichbauweise, das RTM-Seitenteil mit integrativer CFK-Stahl-B-Säule gefertigt. Dabei hält der Fahrzeugentwurf einer ganzheitlichen Ökologiebetrachtung im Vergleich sowohl zu elektrifizierten als auch zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen in reiner Metallbauweise stand.

Mittlerweile ist das Thema Leichtbau auch in anderen Branchen angekommen. Etwa im Schienenfahrzeugbau: Das Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der Technischen Universität Dresden (Halle 2, Stand A32) hat im Rahmen des von der Bundesregierung geförderten Forschungsprogramms „Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung (VIP)“ eine hochintegrative Leichtbau-Bauweise für Faserverbund-Antriebswellen und dazugehörige Methoden für die kosteneffiziente und reproduzierbare Fertigung entwickelten. Im Vergleich zur konventionellen Metallbauweise konnte bei der Demonstratorwelle eine Masseeinsparung von 50 % erzielt werden. Im Unterschied zu klassischen Gelenkwellen in Mischbauweise wurden hierbei der Kardananschluss und der Längenausgleich in die Faserverbund-Wellenstruktur integriert. Damit lassen sich nach Meinung der Dresdener Wissenschaftler bisher noch ungenutzte Leichtbaupotenziale erschließen. Eine hochbelastete Antriebswelle aus dem Schienenfahrzeugbereich mit einem maximalen Drehmoment von 32 kNm dient repräsentativ als Referenz für die Entwicklung und technologische Umsetzung eines generischen Demonstrators.

Daneben erprobt das ILK derzeit neue Materialkombinationen für den Leichtbau. Ziel ist eine Art Werkstoffbaukasten. Darin liegen die Naturfasern in unterschiedlicher Form in Halbzeugen vor und übernehmen im Bauteil spezifische Aufgaben. Naturfasergewebe verstärken dadurch flächige Bauteilbereiche mit hoher mechanischer Beanspruchung. Kurzfasern verbessern die Eigenschaften fließfähiger Formmassen, um komplexe Rippenmuster und Funktionselemente auszuformen. In Hannover zeigt das Institut verschiedene Demo-Beispiele für den Werkstoffbaukasten aus der Natur; beispielsweise einen Fahrradgepäckträger aus biobasierten Verbundwerkstoffen, der an der Sattelstütze montiert wird.

Selbst im Maschinenbau ist Leichtbau gefragt: Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (Halle 2, Stand C16) haben Wissenschaftler einen neuartigen Leichtbau-Schlitten aus CFK für Bearbeitungszentren entwickelt. Die Herausforderung: Bearbeitungszentren müssen besonders steif und dynamisch stabil ausgelegt sein, um eine hohe Bearbeitungsqualität zu gewährleisten. Qualitätseinbußen entstehen unter anderem dann, wenn die Prozessfrequenz die Eigenfrequenz der Maschine anregt und diese in Schwingungen versetzt. Dies gilt vor allem für Zerspan-Operationen wie das Fräsen. Die Idee der Forscher: Eine aktive Veränderung der Masse der Maschine führt, besonders in den beweglichen Komponenten, zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz. Allerdings muss die Massenveränderung gegenüber der Ausgangsmasse signifikant sein. Aus diesem Grund haben sie die bewegten Komponenten der Werkzeugmaschine – Schlitten, Spindelaufnahmen und Fahrzeugständer – in Leichtbauweise entworfen. Außerdem wurde eine Kammernbauweise gewählt, dessen Eigenfrequenz sich durch variables Befüllen der Kammern mit einer Flüssigkeit flexibel einstellen lässt.

Die Entwicklung von Leichtbaustrukturen für Montagevorrichtungen in der Karosseriefertigung haben sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU auf die Fahnen geschrieben. Diese präsentieren sie am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle 2, Stand D18). Sie entstehen im Rahmen des Forschungsprojekts „E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion“. Daneben geht es in diesem Projekt um die Gewichtsoptimierung von Bauteilen und Bauteilkomponenten des Antriebsstrangs und der fertigungstechnischen Grundlagen dafür: Massivumformung und Zerspanung. Leichtbaunockenwelle, Leichtbaupleuel, gebaute Kurbelwelle, Leichtbaukurbeltrieb, Innenhochdruckumformen, Bohrungsdrücken, Profilquerwalzen, Hochgeschwindigkeitsschleifen, Honen, Komplettbearbeitung rotationssymmetrischer Bauteile – all das sind für das IWU leichtbaurelevante Stichworte. Anhand eines Virtual-Reality-basierten und interaktiven 3D-Modells der neuen „E3– Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion“ erhalten die Besucher Einblicke in das Innenleben der Modellfabrik und in die Lösungen. •

Das Kunststoff-Institut Lüdenscheid (Halle 2, Stand A26) befasst sich im Forschungsprojekt Recarbo mit der Rückführung rezyklierter Carbonfasern in marktrelevante Anwendungen. Dabei werden die Carbonfaserfraktionen durch einen Pyrolyseprozess aufbereitet, beschichtet und in eine Kunststoffmatrix durch einen Compoundierprozess zurückgeführt.

Wir sehen ein großes Entwicklungspotenzial biobasierter Werkstoffe bei Verstärkungsfasern und Kunststoffen.